水工隧洞涌水灌漿材料比選試驗

武立強

（遼寧省水利廳，沈陽 110003）

1 工程實例

遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程包括取水頭部、隧洞、連接段、輸水管線、穩壓塔及配水站等。其中輸水隧洞長25.4km，為有壓洞，最大壓力0.55MPa，成洞洞徑6m，混凝土襯砌，局部采用預應力混凝土襯砌。隧洞段位于遼寧省撫順市南郊，區內地形起伏較大，地勢呈北高南低，溝谷發育，且多數常年有水。隧洞段洞室一般埋深在30～70m之間，洞頂埋深小于30m的淺埋段占整個洞線長度的29%，淺埋段分布于洞線上的14處河谷，最淺處僅7～11m。隧洞開挖過程中大部分洞段以面狀滴水或線流為主，洞線穿越溝谷位置極易發生涌水。

以遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程隧洞段開挖過程中某部位發生的涌水處理為實例，簡述處理方案的試驗過程。

2 試驗方案

2.1 灌漿工藝

為了防止漿液從掌子面涌出，并保證漿液在較高的注漿壓力作用下沿涌水通道有效擴散，注漿前在緊貼掌子面澆筑一定厚度的混凝土止漿墻（厚度、強度視灌漿壓力而定），對涌水區進行封閉。在混凝土止漿墻區域布孔，按鉆一孔灌一孔的方法進行，鉆孔以穿透混凝土止漿墻并出現涌水為首次灌漿孔深，第一個孔灌漿結束后，按相同的方法進行第二孔灌漿，直至涌水區域全部封堵。

2.2 施工技術要點

2.2.1 鉆孔

用地質鉆機鉆孔、掃鉆，孔徑準50~60mm，孔深以穿透混凝土止漿墻并出現涌水為原則。

2.2.2 埋管

埋一根進漿管至孔底，進漿管可采用準30mm鋼管，靠近孔底約2m范圍加工為花管，靠近孔口采用專用灌漿塞與進漿管連接，保證孔口密封不漏漿。

2.2.3 灌漿

2臺大流量齒輪泵 （100L/min，2.5MPa，1用1備）并聯到進漿管，當1臺工作泵出現故障時，閥門快速轉換至另1臺泵，保證灌漿不間斷。大流量灌注，直至壓力陡增，管路固化堵塞即結束。

2.3 不同灌漿材料試驗效果及原因分析

2.3.1 特種水泥

2.3.1.1 性能特點

普通硅酸鹽水泥P.O 42.5注漿材料的優點是原材料來源廣泛、成本低、無毒性，施工工藝簡單方便。缺點是水泥漿液穩定性較差、易沉淀析水、凝結時間較長，并且由于水泥粒徑較大，注入能力對微細裂隙往往受到限制。在流速較大的條件下注漿時，水泥漿液易受水的沖刷和稀釋而難以固結［1］。因此本工程選擇一種特種水泥（HSC超細水泥）進行試驗分析。

HSC特種水泥主要由特制硫鋁酸鹽水泥、專用外加劑組成，經過粉磨，混拌工藝加工而成。由HSC特種水泥加水混合制成的漿液具有可灌注性好、凝結時間比普通水泥快、黏度和壓力泌水比普通水泥小、結石率高等特點。按規定配合比及制漿工藝制成的漿液最快20min即可固化，且時間可調節，這一特點使HSC特種水泥比普通水泥更適于阻水灌漿工程。

2.3.1.2 試驗效果及原因分析

HSC特種水泥漿灌注后，布設的導水孔流量較灌漿之前沒有明顯減少；檢查灌漿孔的芯樣中水泥結石成分很少。

未達到阻水效果的主要原因是漿液和基巖之間水泥結石很少，大量水泥膠結成分流失。試驗證明灌漿前按規定水灰比配置的水泥漿液一旦再次被大量水稀釋，將無法發揮其快速固化的特性。

2.3.2 水玻璃（水泥—水玻璃）

2.3.2.1 性能特點

水玻璃即硅酸鈉，是一種水溶性硅酸鹽，其水溶液俗稱水玻璃。水玻璃因其原材料來源廣泛、價格低廉而被廣泛用于堵水加固灌漿領域。大多數工程在使用水玻璃灌漿材料時，多采用無機材料（如CaCl2、NaCl）做固化劑或與硅酸鹽水泥漿混合使用，利用水泥中的成分激發固化。

2.3.2.2 試驗效果及原因

水玻璃雖然使用簡單，試驗證明阻水效果不明顯且浪費大量水玻璃材料。分析其主要原因：①水玻璃使用CaCl2、NaCl等無機材料作固化劑可縮短凝固時間，但用改變固化劑用量來調節凝固時間會顯著影響漿液固結體強度；②水泥—水玻璃（C-S）混合漿液黏度大、滲透性差，該混凝漿液凝固時間更加難以控制，凝固時間要受到水泥品種（混凝漿液對水泥中的硅酸三鈣敏感）、水泥漿水灰比、水玻璃漿液和水泥漿液體積比、水玻璃溶液濃度等多種因素影響［2］；③為控制水泥—水玻璃混合漿液凝固時間，灌漿工藝可采用水玻璃、水泥交替灌漿方式，即水泥→水玻璃→水泥多次交替注入，不僅工序繁雜，而且由于隧洞圍巖的非均質性，兩種漿液不易以預定比例注入預定部位，導致出現分層現象。

2.3.3 水（油）溶性聚氨酯

2.3.3.1 性能特點

水溶性聚氨酯（WPU）和油溶性聚氨酯（OPU）屬于新型防水堵漏灌注材料，有極強的止水性能。其漿液膨漲性好，包水量大，具有良好的親水性和可灌性，同時漿液的黏度、固化速度可以根據需要進行調節。

2.3.3.2 試驗效果及原因分析

采用組合灌漿方法，首次灌注采用水溶性聚氨酯漿液，采用孔口封閉純壓式灌注，灌漿壓力應大于涌水壓力，灌漿過程中可根據吸入量與灌漿壓力等情況灌注少量油溶性聚氨酯漿液，以便快速堵塞大通道，減少水溶性聚氨酯用量，每次灌至漿液自然固化管路堵塞時為結束。然后沿原孔掃孔，2次掃孔深度大于首次孔深，孔內再次出現涌水時開始第二輪灌漿，2次灌漿材料根據涌水量大小選擇，若涌水量顯著變小，即可改用水泥漿灌注，若涌水量仍然較大，繼續用聚氨酯漿液灌注，直至再次掃孔涌水量符合水泥灌漿條件，如此循環，逐步遞進加深。

試驗證明水（油）溶性聚氨酯結合上述工藝阻水效果良好。

（1）水溶性聚氨酯（WPU）漿液遇水后自行分散、乳化、發泡，立即進行化學反應，形成不透水的彈性膠狀固結體，可以封堵強烈的涌水。同時釋放CO2氣體，借助氣體壓力，漿液可進一步壓進結構的空隙，使多孔性結構或地層能完全充填密實。具有2次滲透的特點。

（2）油溶性聚氨酯（OPU）和水溶性（WPU）聚氨酯相比，其遇水反應速度更快、膨脹倍數更大。漿液遇水后可在數秒鐘之內開始發泡、固化，反應時間可通過催化劑的用量進行調節，一般可控制在數十秒至數分鐘內固化。且漿液不溶于水，不存在漿液被水大量稀釋的問題。

3 試驗結果分析

隧洞發生較大涌水時，直接灌注水泥漿液會造成大量水泥漿流失；直接灌注水玻璃（水泥—水玻璃混合）漿液，參數、工藝難以控制，不僅難以達到阻水目的，而且會造成資源浪費。由于水（油）溶性聚氨酯化學灌漿材料造價高，全部采用其進行阻水灌漿，會造成費用大幅增加，從阻水目的考慮也無必要。因此在灌注水泥漿之前，先采用水（油）溶性聚氨酯化學漿液灌注，對涌水進行初步封堵，為后續灌注水泥漿創造條件，既可實現阻水目的，又節省了投資。

各種灌漿材料的基本性能指標如表1。

表1 常用灌漿材料性能指標對比

4 結語

參考類似工程成果及傳統施工經驗，灌漿工法結合管棚支護、排水管導水、澆筑混凝土止漿墻等措施是最常用的隧洞涌水處理手段。但是隧洞發生較大涌水時，水泥、水泥—水玻璃等常用灌漿材料由于凝結時間長、粒徑大等因素難以達到阻水效果。因此選擇合適的灌漿材料對實現隧洞阻水目的至關重要。

［1］許茜，王彥明，等.注漿材料的固化機理與抗水溶蝕性能研究［J］.21世紀建筑材料，2010，2（2）.

［2］劉玉祥，柳慧鵬.水泥—水玻璃雙液注漿中的最優參數選擇［J］.礦冶，2005，14（4）.

［3］韓志遠，張曉偉，李文富.關于引水隧洞止水灌漿的施工方案探討［J］.水利建設與管理，2007，27（5）.

［4］GB175—2007，通用硅酸鹽水泥［S］.

［5］DL/T 5406—2010，水工建筑物化學灌漿施工規范［S］.