高水頭薄襯砌壓力管道高壓固結灌漿試驗研究

英鵬濤

摘 要：惠州抽水蓄能電站設計靜水頭615m，高壓洞段最大內水壓力7.20MPa。為了保證隧洞在高壓水頭的作用下能夠安全運行，驗證及優化設計所采用的各種灌漿參數，尋求在60cm厚襯砌砼高壓固結灌漿合理可行的施工方法及施工工藝，進行的高壓灌漿模擬試驗，同時為類似工程高壓固結灌漿積累了經驗。

關鍵詞：高水頭 薄襯砌 高壓固結灌漿

1.概況

惠州抽水蓄能電站位于廣東省惠州市博羅縣城郊，電站裝機容量2400MW，分A、B兩廠布置，樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房洞室群及地面開關站等建筑物組成。

高壓固結灌漿試驗洞段選在A廠尾水隧洞，樁號為AW1+000～AW1+080，全洞段均采用C25鋼筋砼襯砌，混凝土襯砌設計厚度為60cm。在該部位有F1056斷層：斷層寬1.0m～1.2m，斷層帶為構造角礫巖、糜棱巖，夾較多石英脈，部分膠結好，大部分較差，斷層有順傾向擦痕，兩側影響帶呈裂隙密集，裂隙多呈微張，斷層帶潮濕和滴水。

2.高壓固結灌漿試驗目的

①驗證在薄襯砌（60cm砼）洞段進行全孔不分段高壓固結灌漿的可行性；②驗證灌漿壓力與注入量變化的關系，確定合理的灌漿壓力；③確定適宜的高壓固結灌漿施工方法和工藝等。

3.灌漿設備

（1）鉆孔和供風設備：聲波測試孔，采用200型地質鉆機。固結灌漿孔、檢查孔和抬動變形觀測孔則采用氣腿式手風鉆。供風設備采用4m3移動式壓風機供風。

（2）灌漿設備：SGB9-12灌漿泵，最大設計壓力為12MPa，排量為9m3/ h。TTB120-20灌漿泵：最大設計灌漿壓力為20MPa，排量為7.2m3/h。兩種設備都能滿足7.5MPa灌漿要求，從灌注過程來看SGB9—12灌漿泵整體性能更為穩定。

（3）其他設備：壓力表最大量程為16MPa，閥門采用耐蝕的高壓灌漿閥門，高壓灌漿管采用設計壓力為27.6MPa的高壓油管，灌漿塞采用有良好膨脹和耐壓性能的高壓機械塞。

4.灌漿試驗施工

4.1灌漿試驗區段劃分及試驗程序

高壓固結灌漿試驗段洞長為80m，分為六個區間進行灌漿試驗。灌漿孔排距為3m，每排10孔分布，梅花型布置，孔深為入巖5.0m。灌漿試驗分區進行，其中B1區、D區采用分段高壓固結灌漿試驗，A區、B2區、C區、E區進行全孔一次性高壓固結灌漿試驗。灌漿試驗區段劃分如下，分項名稱和相應的試驗區間：①5MPa，分序不分段灌漿試驗，E區；②7.5MPa，不分序不分段灌漿試驗，A區；③7.5MPa，分序不分段灌漿試驗，B2、C區；④7.5MPa，分序分段灌漿試驗；B1、D區。

灌漿試驗段各個區間試驗程序：灌前聲波測試—測量放樣—抬動觀測安裝—鉆孔、沖洗、壓水、灌漿—封孔—灌后聲波測試—檢查孔壓水試驗。

4.2 灌前聲波測試及壓水試驗

每個灌漿試驗區間內均布置灌前聲波測試孔，在灌漿試驗開始前、后進行聲波測試，對比灌前、灌后巖體波速的變化，從而分析灌漿效果。

壓水試驗采用簡易壓水試驗，壓力為1MPa，在穩定的壓力下每3min測讀一次壓入流量，連續讀取四次相對穩定的讀數后即可結束壓水，其成果以透水率Lu表示。

4.3觀測工作

①在高壓灌漿前對試驗洞段砼裂縫進行檢測統計，在灌漿過程中隨時監測裂縫變化情況，以及新增的砼裂縫；②在每個灌漿區內安裝收斂計監測砼變形情況，最終檢測每個試驗區砼抬動情況；③在灌漿試驗區安裝自動報警裝置，隨時監測灌漿試驗區抬動變形及砼變形情況，避免高壓灌漿對襯砌混凝土造成破壞。

4.4 灌漿方式

灌漿方式采用孔口循環式（高壓機械塞卡塞）進行灌注。A區采用逐排灌注方法進行施工，其余灌區采用環內分序進行施工，環內自底孔灌至頂孔。

4.5 灌漿壓力及其控制

（1）分段（B1、D區）高壓固結灌漿壓力控制。第一段（接觸段）采用4.5MPa。開灌后孔內注入率不超過15L/min的孔段采用一次升壓法使灌漿壓力盡快達到設計壓力，注入率大于15L/min的孔段保持壓力不變，或升壓幅度根據實際注入率確定。在灌漿過程中當注入率大于15L/min時，盡量采取低壓、濃漿、限流等方法進行灌注。第二段灌漿目標壓力為7.5MPa。采用分級升壓法灌注，嚴格控制升壓速度，當注入率小于10L/min后，開始逐級逐步升壓（4.5—5.5～6.5—7.5），升壓速率控制在0.5MPa/min左右，最終達到目標壓力，在注入率小于2.5L/ min后穩壓20min，結束灌漿。在升壓的同時應加強觀測，當抬動變形觀測值接近或超過0.2mm時（抬動變形自動報警裝置值上限設為0.2mm），立即降壓施灌。

（2）不分段（A、B2、C和E區）高壓固結灌漿施工。目標壓力為5.0～7.5MPa，亦采用分級升壓法灌注，壓力控制依照上述B1、D區第二段灌漿壓力控制原則。

4.6水灰比

灌漿水灰比選用3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1（重量比）五個比級水灰比灌注，開灌水灰比根據灌前壓水情況確定。當灌前壓水試驗透水率q≤30Lu時，采用水灰比3：1的漿液開灌；當灌前壓水試驗透水率q>30Lu時，采用水灰比1：1的漿液灌注。

4.7漿液變換原則

①在灌漿過程中，當灌漿壓力保持不變，吸漿量均勻減少時，或當吸漿量不變，壓力均勻升高時，不得改變水灰比。②當某一級水灰比漿液的灌入量已達到300L以上，或灌注時間已達1h，而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時，改濃一級灌注。

4.8封孔

灌漿孔達到設計壓力，注入率不大于2.5L/min，穩壓20min后，將灌注漿液置換為0.6：1的濃漿，采用目標壓力繼續灌注（10min）進行壓力灌漿封孔。endprint

5.試驗成果分析5.1壓水成果分析

（1）在相同圍巖類別（Ⅱ類圍巖），相同灌漿壓力（7.5MPa），不同灌漿方法（A區逐排灌注與C區環內分序），逐排灌注A區的平均透水率為1.70Lu，環內分序C區的平均透水率為1.22Lu，說明環內分序的灌漿效果比逐排灌注的效果稍好。

（2）在相同圍巖類別（Ⅱ類圍巖），相同灌漿方法（環內分序），不同灌漿壓力（E區5MPa與C區7.5MPa），E區平均透水率為1.71Lu，C區平均透水率為1.22Lu，灌漿壓力較大的C區的灌漿效果比E區的灌漿效果要稍好。

5.2 灌漿試驗成果分析

本次高壓固結灌漿試驗共計310個灌漿孔，灌漿工程量為1251m，平均單耗為25.28kg/m。灌漿共365段，其中單耗小于5kg/m有199段，單耗在5～20kg/m有115段，單耗在20～50kg/m有22段，大于50kg/m有39段，通過資料分析得出如下結論：

①每個區間隨著灌漿次序的增加，平均注入量隨著灌漿次序的增加而減少，平均單耗下降41.5%，最大下降85%（B區），灌漿效果較好。②在相同圍巖類別，相同灌漿方法情況下，中低壓灌漿試驗中2.5MPa試驗區的平均耗灰量為11.6kg/m，3.5MPa試驗區的平均耗灰量為12.07kg/m，5MPa試驗區的平均耗灰量為12.66kg/m，7.5MPa試驗區的平均耗灰量為15.28kg/m。在相同圍巖類別，相同灌漿方法情況下，試驗段的巖體中，灌入量隨著壓力的增大而增加。③在相同圍巖類別（Ⅱ類圍巖）相同灌漿壓力（7.5MPa）不同灌漿方法（A區逐排灌注與C區環內分序），逐排灌注A區的平均耗灰量為15.28kg/m，環內分序C區的平均耗灰量為20.04kg/m，環內分序的灌漿效果比逐排灌注的效果稍好，另外逐排灌注的試驗段在灌漿過程中發生串漿現象比環內分序多。

5.3 灌前灌后聲波測試成果

在每個試驗區都布置了1組聲波測試孔，進行組內跨孔聲波測試。

跨孔聲波測試結果：每組灌后聲波波速均有不同程度的提高，灌前各個試驗區巖體平均波速為4773.5m/s（除去砼段），灌后各個試驗區平均波速為4877.7m/s，平均提高2.18%，其中灌前波速較低的測點灌后波速有一定的提高。波速提高主要集中在砼與巖石接觸段（爆破松動圈）和遇裂隙、以及D區斷層處，表明灌漿效果較好。

5.4 檢查孔壓水成果及分析

高壓固結灌漿壓水試驗布置了18個檢查孔，透水率全部小于1Lu，灌漿效果較好。

6.結論與建議

①灌漿試驗所采用的施工設備和材料能滿足7.5MPa高壓灌漿的要求，高壓固結灌漿試驗的整套施工工藝是可行的。②不同灌漿壓力的灌漿規律，隨著壓力的升高，吸漿量也有所增加，但是增加的速率不大。③60cm的襯砌厚度采用合理的施工工藝能承受7.5MPa的水泥灌漿壓力。④通過高壓力的灌注，開始閉漿后，閉漿時間長短對于灌注的效果沒有明顯的影響，建議高壓灌漿的閉漿時間為5～10min。endprint