超大涌水地層壓漿式膜袋封堵灌漿施工技術研究

蔡海燕，劉貴軍

(中國水利水電第七工程局 成水公司，成都 611730)

超大涌水地層壓漿式膜袋封堵灌漿施工技術研究

蔡海燕，劉貴軍

(中國水利水電第七工程局 成水公司，成都 611730)

以埋深1 500～2 525 m、最大主應力值54 MPa、超大流量和超高壓地下涌水的錦屏二級電站隧洞工程為背景，對膜袋封堵灌漿施工技術進行研究。綜合運用灌漿理論與隧洞工程技術并在借鑒以往經驗的基礎上，分析了錦屏隧洞初始壓力約為1 MPa及約400 L/s涌水量的具體情況，提出了壓漿式膜袋注漿原理、堵水方案及其施工方法和工藝。實踐表明，采用壓漿式膜袋封堵灌漿技術灌漿7 d后堵水率可達97.5%，且可大幅度降低相鄰隧洞和其他洞段的涌水量，能有效解決超大流量超高壓條件下堵水難題。

隧洞工程 灌漿施工 壓漿式 膜袋封堵 超大流量

錦屏二級水電站共修建4條直徑為13 m的引水隧洞、1條排水洞、2條輔助交通隧洞和多條檢修及聯絡輔助性隧洞，其中還須開挖特大斷面的地下廠房和TBM組裝洞室，是規模龐大的地下洞群建筑。引水隧洞群為包括穿越錦屏山主峰山體、埋深達1 500～2 525 m，隧洞洞線高程的最大主應力值達54 MPa，條件非常惡劣。設計與施工中必須解決的難題眾多，其中隧洞超大量涌水嚴重影響施工安全、質量與進度即為難題之一。依據錦屏二級水電站前期A、B輔助洞推測，4條引水隧洞最大涌水流量為20 m3/s，單點流量最大為5～7 m3/s，單條引水隧洞最大流量8 m3/s，最大單點涌水壓力達7 MPa，涌水(含涌泥)點總數達2 000個。隧洞內地下水具有涌水量大、出水點多及壓力大等特點，加上較為特殊的大埋深、高地應力等地質條件影響，如果出現涌水，很可能對人員、設備乃至整個隧洞群造成災難性后果，最起碼會嚴重影響施工質量和進度。如2007年8月5日凌晨1時許宜萬鐵路野三關隧道發生事故，30 t的裝載機被沖走80 m，50 t的噴漿臺車被沖走50 m。因此，錦屏工程施工中超大流量及高壓條件下堵水技術研究已經刻不容緩。

為此，必須結合錦屏工程的實際，對地下水灌漿封堵技術進行一系列研究，為現場施工提供可靠依據，減少施工的盲目性，避免施工事故發生，從而保證工程安全、快速、順利進行。

1 隧洞涌水實際情況分析

錦屏工程堵水灌漿包括所有隧洞，在此僅對2#引水隧洞進行分析，其他不作贅述。

2008年3月25日，2#引水隧洞上斷面位于樁號引(2)15+194掌子面有7個較大地下涌水量排水孔，主要從掌子面的幾條大裂隙交匯處涌出。另外，在掌子面底部，有一股由下而上且壓力約為1 MPa噴出涌水。掌子面初始涌水流量約400 L/s，7 d后涌水流量減至84 L/s，其掌子面出水點分布見圖1。

圖1 引(2)15+194斷面出水點分布

由東向西即由下游至上游方向，沿隧洞軸線方向按公里樁號所處位置的水位及水壓進行對比，發現隨著向上游方向掘進，水位及水壓逐漸升高，到隧洞中部后達到最大，見圖2。由此可見，盡管目前僅為施工前期，地下涌水就已經成為必須解決的問題，當隧洞掘進到里程一半或到埋深最大地段時，地下涌水量將更大，水壓將更高，會嚴重影響施工安全與進度。

圖2 2#引水隧洞軸線樁號與地下水位對比

2 封堵技術方案分析

依據灌漿理論和隧洞工程技術，結合錦屏二級水電站引水隧洞的地質與施工條件，目前涌水以及即將出現更大涌水且超高水壓的實際情況，綜合運用灌漿理論并在借鑒以往經驗的基礎上，提出膜袋封堵灌漿施工技術，以此解決涌水壓力高、流速快且施工難度大的高難堵水灌漿施工難題。

2.1 膜袋注漿原理

由于涌水量超大且水壓超高，按以往技術和經驗進行灌漿會因水泥砂漿不能及時凝固被大流量、高水壓涌水沖散，顯然不能達到施工質量要求，甚至徹底失敗。為此，針對引水隧洞涌水壓力高，流速快，施工難度大等特點，選擇壓漿式膜袋封堵灌漿施工:首先，對地質條件較破碎且大涌水點部位采用多臂鉆鉆孔;其次，對膜袋外管淺層封堵灌漿，通過膜袋外管進漿并同時內管通水作業;最后，對膜袋內管深層封堵灌漿，即通過膜袋內管進漿和外管屏漿。由此，可有效地解決大涌點的水壓高、流速快及封堵灌漿難等問題，壓漿式膜袋結構及其封堵灌漿原理見圖3。

圖3 壓漿式膜袋封堵灌漿原理

2.2 膜袋注漿作用

1)壓漿式膜袋能代替高壓涌水的孔口管安裝，可成功解決高壓大涌水的灌漿阻塞問題。

2)壓漿式膜袋堵漏工藝為洞挖超前灌漿施工提供了技術支持空間，能大大減少超前灌漿工程量，為洞挖節約成本，比超前灌漿施工時間縮短60%左右。

3)壓漿式膜袋可根據涌水孔孔徑及漏失地層空腔大小，進行現場制作，從而有效對圍巖漏失地層及圍巖涌水孔進行封堵灌漿，可消除諸如采用化學灌漿對環境的有害影響。

4)按實際涌水孔及漏失地層的具體情況，膜袋可設置成內管和外管，以便有針對性地進行淺層封堵灌漿和深層封堵灌漿。

3 堵水施工及效果分析

按壓漿式膜袋封堵灌漿施工原理，結合錦屏工程地下涌水實際情況，對施工工藝及施工效果進行分析。

3.1 施工工藝

鑒于引水隧洞埋深大、巖爆較為頻繁以及地質條件較為復雜，施工中容易造成孔壁垮塌且涌水壓高等情況，故采用常規鉆孔灌漿堵漏施工難度較大。為此，采用多臂鉆鉆孔、壓漿式膜袋封堵灌漿以及雙液法灌漿等技術，其工藝流程見圖4。

圖4 壓漿式膜袋封堵灌漿工藝流程

1)布孔方式 當涌水點為裂隙時，按裂隙結構面的走向及產狀布置封堵灌漿孔，使鉆孔與裂隙在不同深度斜向相交。待裂隙面流水被鉆孔分流后，沿裂隙面鑿一些深槽，用快速堵漏劑和膜袋進行封堵。當出水點為涌水孔時，則以出水點為中心，半徑分別為1 m和2 m進行圓形布孔，孔距和孔數按現場各出水點的情況確定。

2)造孔及其參數 采用353E型三臂鑿巖臺車鉆孔，堵水灌漿鉆孔參數列于表1。

表1 堵水灌漿鉆孔參數

3)膜袋埋設 由于涌水孔及漏失孔孔徑形狀不規則，采用膜袋灌漿封堵時，充填灌液后的膜袋直徑要遠大于涌水孔孔徑，采用土工布或化纖布材料縫制成直徑不等的膜袋，以便適用不同孔徑的涌水孔，膜袋埋設見圖5。

4)灌漿材料 用于堵水灌漿水泥強度等級采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥、化學控制液。灌漿水灰比擬采用 1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級，開灌水灰比采用 1∶1，漿液濃度由稀到濃逐級變化，并形成可控灌漿。

5)堵水灌漿壓力 按比滲水壓力大1.5 MPa的原則執行或為滲水壓力的2～3倍。在堵水灌漿實施過程中，化學控制液泵最高壓力10 MPa，灌漿記錄儀最高壓力9 MPa，頂拱及掌子面的巖層無抬動現象。

圖5 壓漿后的膜袋

表2 堵水灌漿相關參數統計 MPa

6)灌漿施工 先封堵涌水量較小的孔，再封堵涌水量較大的孔;先進行淺層(孔深3～4 m)封堵灌漿，后進行深層(孔深＞4 m)封堵灌漿。灌漿相關參數見表2。

3.2 堵水效果分析

對于采用壓漿式膜袋封堵灌漿施工的效果，主要從單條隧洞以及相鄰隧洞整體涌水量處理前后對比進行分析。從單個隧洞看，初始涌水量400 L/s，灌漿7 d后減少到10 L/s，堵水率為97.5%，完全達到了預期的堵水效果，從而改善了隧洞開挖及支護施工作業條件，保證了整個施工的安全。另外一方面，2#引水隧洞灌漿堵水后，輔助洞和1#、3#、4#引水隧洞相應洞段的涌水量也大幅度減少，說明2#引水隧洞的灌漿能夠截斷富水帶的部分裂隙通道。

4 結論

1)由隧洞施工及堵水結果表明，依據地質條件、施工特點、灌漿技術理論并充分結合錦屏工程實際提出的壓漿式膜袋封堵灌漿技術，能夠達到大埋深及超大流量、超高壓條件下的堵水效果，灌漿7 d后堵水率可達97.5%。且可大幅度降低相鄰隧洞和其他洞段的涌水量，可大大減少灌漿工程量，縮短施工工期，降低施工成本。

2)因錦屏二級水電站引水隧洞工程地質及施工條件較為復雜，壓漿式膜袋封堵灌漿技術中的鉆孔、材料、施工方法，特別是膜袋安裝以及不同水壓、水量條件下膜袋的強度要求等均須進一步研究。

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U445.49

B

1003-1995(2010)06-0074-03

2010-01-18;

2010-03-26

蔡海燕(1977— )，男，四川巴中人，工程師。

(責任審編 趙其文)