阻水灌漿技術在遼寧省觀音閣水庫輸水工程中的應用

孫 琪

(本溪泓源供水有限責任公司，遼寧 本溪 117000)

1 工程概況

遼寧省觀音閣水庫輸水工程3#支洞設計長度1088.56m,樁號為K0+000-K0+1088.56。設計斷面為馬蹄形，隧洞設計尺寸為：寬4m，墻高2m，拱高2m。噴射混C30混凝土支護。最大設計坡度10.59%。

隧洞開挖到樁號K0+717m處,工作面出現較大涌水。根據現場鉆孔取芯及由遼寧省水利水電勘測設計院做的《地質雷達超前地質預報報告》表明，工作面前方仍有裂隙水。為確保安全施工，經研究決定，對工作面前方進行阻水注漿。在工作面進行超前阻水注漿前，先對其后段進行固結及阻水注漿。

2 阻水灌漿目的和任務

論證阻水灌漿所采用的方法及技術參數在技術上的可行性，效果上的可行性以及經濟上的合理性；推薦合理的施工程序、良好的施工工藝、適宜的灌漿材料和最優的漿液配合比；提出灌漿施工的方法和灌漿機具設備意見等,為以后的阻水灌漿提供合理的技術參數。阻水灌漿完成后，洞身圍巖的整體性、穩定性得到改善，涌水情況明顯減小，滿足洞室的開挖的工要求。

3 阻水灌漿的施工

3.1 鉆孔

3.1.1 阻水灌漿孔的布孔和定位

灌漿鉆孔采用全站儀根據設計圖紙先測放出邊角的基本孔位，再由人工根據基本孔位采用皮尺或卷尺布設剩余的灌漿孔，并將孔位標記在混凝土蓋板面上，孔距1.3m，呈環狀布置，施工過程中實際孔位偏差與設計孔位偏差均≤10cm。

灌漿布孔示意圖如圖1所示。

圖1 灌漿布孔示意

Ⅰ——1序孔；

Ⅱ——2序孔。

灌漿孔外循環(1-10#孔)分2序施工，內循環(11-14#孔)按孔號順序施工，不分序。

3.1.2 鉆孔施工

采用100B風動潛孔鉆機進行人工鉆孔，鉆孔采取高壓風作為動力沖擊鉆孔。鉆孔過程中有局部掉渣、塌孔現象。

灌漿鉆孔深度經驗收均滿足入巖≥21m要求，孔深誤差在10cm以內；成孔孔徑均為Φ90mm。孔口埋設套管均為Φ100mm。

3.1.3 鉆孔沖洗

鉆孔全部采用敞開式壓力風進行沖洗，鉆孔沖洗滿足殘留巖粉<20cm要求。

3.1.4 鉆孔記錄

鉆孔過程中存在巖性變化、塌孔、卡鉆、鉆速變化及返渣等情況，鉆孔記錄均經監理工程師簽認。

3.2 灌漿材料

3.2.1 水泥

1)灌漿用水泥等材料自行采購，進場后的貯存、使用必須規范。

2)根據施工圖紙或監理工程師指示選用水泥的品種，阻水灌漿用普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級為42.5級。

3)灌漿用的水泥必須符合規定的質量標準，不使用受潮結塊的水泥，水泥不能存放過久，水泥出廠期不超過3個月。

4)所有用于灌漿的水泥、外加劑、摻合料等都采用報經監理工程師批準的合格材料。

5)所有灌漿材料的出廠(或生產)指標及檢驗資料均及時報送監理工程師審查批準。

3.2.2 水

1)鉆孔灌漿用水應符合拌制水工混凝土用水的水質要求。

2)制漿用水采用不含有害雜質的清潔水，且水溫在5℃-40℃之間。

3.3 鉆孔灌漿設備

鉆孔灌漿設備見表1。

表1 鉆孔灌漿設備

3.4 灌漿施工步驟和施工工藝流程

本次阻水灌漿，施工中灌漿孔嚴格的按照分序加密的原則進行灌漿，即先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔。

灌漿施工工藝流程圖見圖2。

圖2 灌漿施工工藝流程圖

3.5 灌漿

1)首先對掌子面進行噴錨封閉處理，噴射C30混凝土厚度30cm。采用風動潛孔鉆機成孔，灌漿采用預埋管法或栓塞法進行孔口封閉，預埋管法：埋設Φ108mm鋼管，長度2m，管尾安裝閥門，防止出現大量涌水時，既可做排水孔，也可做灌漿孔，注漿時關閉閥門，形成靜水壓力注漿。待強4d后，采用Φ90mm徑沖擊鉆頭分段成孔灌漿，采用對角灌漿的方法(如示意圖，先灌1#，再灌6#)。

2)施工過程中采取循環式灌漿方法，即孔口封閉，孔內循環式灌漿，射漿管距孔底500mm，灌漿分兩序施工。用1.2寸高壓管進行灌漿，高壓管可承受最大灌漿壓力10 MPa。

3)灌漿壓力定為第一段0.3-0.5MPa，第二段1.0-1.5MPa，第三段及以后各段2.0MPa。

4)超前灌漿孔深21m，采取分五段進行循環式灌漿，第一段3m、第二段3m、第三段及以后各段5m。

5)灌漿水灰比采用3∶1、1∶1、0.5∶1三個比級灌注，灌漿采用純水泥漿液進行灌注，當注入量較大時，可以根據現場實際情況加入鋸末或采用水泥與水玻璃的混合漿液，水玻璃摻合量根據室內實驗和現場試驗確定。

6)加入鋸末時，要逐步增加鋸末量，并防止堵管或注漿壓力劇增現象，如發現注漿壓力劇增，要及時減少鋸末加入量，以防堵、爆注漿管。

7)漿液變換原則：開灌漿液采用3∶1，灌漿漿液由稀到濃逐級變換，當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率保持不變而壓力持續升高時，不得改變水灰比。當某一比級漿液注入量已達300L以上，或灌注時間已達30min，而灌漿壓力和注入率無顯著改變時應換濃一級水灰比灌注；當注入率>30L/min時，可根據具體情況越級變濃[1]。

8)特殊情況處理：①灌漿過程中遇斷層、巖脈、溶洞等異常區時，加強異常區可能連通部位的觀測，為節省水泥用量，當發現跑、冒、串、漏漿現象必須及時封堵處理后方可恢復灌漿。②灌漿工作必須連續進行，若因故中斷，必須馬上處理，盡早恢復灌漿。如果中斷超過30min，則進行鉆孔沖洗，若沖洗無效，則掃孔，再恢復灌漿。③灌漿漿液初步確定采用純水泥漿液，當吸漿量很小，灌后透水率大于設計標準時，報請監理人和有關單位共同研究處理措施。當遇較大型溶蝕空洞或其它注入量較大地層段時，用混合漿液進行灌漿[2]。④冒漿、漏漿、串漿孔段的處理。灌漿施工過程中發現冒漿、漏漿時，根據具體情況采用嵌縫、表面封堵、降低壓力、加濃漿液、限流、限量、間歇停灌等方法進行處理，若漏的是水或稀漿時可繼續灌注，若漏的是濃漿時降低壓力，直至漏漿停止，逐漸升壓至原來壓力繼續灌注，如降壓無效再變濃水灰比灌注，如降壓和變濃均無效，且漏漿量接近注入量，停止灌注進行待凝，待凝時間>4h。間歇灌漿時間超過30min的孔段，采取重新掃孔，重復灌注的方法。遇串漿情況，采用封堵被串孔進行處理。⑤灌漿段注入量大，灌漿難于結束時，可采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等。

9)灌漿結束標準：在規定壓力下，當注入率≤0.4L/min，繼續灌注20min，即可結束灌漿。

4 灌漿完成情況

4.1 K0+709-K0+717段阻水灌漿情況

此次共完成固結灌漿孔35個，鉆孔進尺118.61m，總注入量69063.3kg；單位注入量582.3kg/m。其中Ⅰ序孔19個，最大注入量6543.37kg；單位注入量2617.35 kg/m；最小注入量540.06kg；單位注入量216.02 kg/m；Ⅰ序孔平均單位注入量805.2 kg/m；累計注入量50685.9kg。Ⅱ序孔16個，最大注入量2509.9kg；單位注入量1007.64kg/m；最小注入量15.77 kg；單位注入量6.31 kg/m；Ⅱ序孔平均單位注入量330.2 kg/m；累計注入量18377.4kg；累計廢棄量121.6 kg，灌漿孔有出現串冒漿現象。

4.2 已開挖段阻水灌漿情況

本次阻水灌漿首先對掌子面的兩個超前探孔和已開挖段進行阻水灌漿處理，共計布置11個阻水灌漿孔，采用HSC注漿材料進行灌注，完成鉆孔7個，進尺71.8m，灌注HSC注漿材料25482.4kg，累計廢棄量375.1 kg。由于洞身圍巖相對較破碎，注入量較大，HSC注漿材料成本費用過高，為確保經濟的合理性，剩余4個阻水灌漿孔，采用水泥漿進行灌注，完成鉆孔進尺12m，灌注水泥19871.2kg。

1#、4#、6#、9#孔注漿各段結束后，每個孔待凝時間5天,累計待凝時間20d。

4.3 深部超前阻水灌漿情況

對K0+717-K0+738段為含水層的超前阻水灌漿，共布置超前灌漿孔14個，超前探孔7個，完成鉆孔進尺352m，灌注水泥237392kg。

5 灌漿質量檢查

阻水灌漿檢查在該部位灌漿結束7d后進行，灌漿結束后，確定探孔的孔位，探孔的數量定為6孔。各個探孔檢查結果如表2所示。

表2 探孔檢查結果

6 灌漿成果分析

6.1 灌漿前各孔段涌水情況分析

在灌漿前對各孔段涌水水量和水壓力進行了量測，各孔段涌水量在50-420L/min之間，水壓力在0.4-1.3MPa之間，說明開挖方向存在含水層構造，且水壓力較大，可灌性較好。

6.2 以鉆孔灌漿來統計

此次掌子面阻水灌漿主要完成Ⅰ序孔4個，Ⅱ序孔6個，共計10個阻水孔。總注入量223439kg；單位注入量1064kg/m。各孔注入量均較大，且在鉆孔過程中存在掉塊、卡鉆等情況，說明巖石較破碎，可灌性較好。阻水灌漿具體工作量統計見附表：灌漿成果一覽表。

6.3 探孔出水量、水壓力及壓水試驗分析

灌漿區布置6個探孔壓水試驗結果見表3。

表3 探孔壓水試驗表

由上表可見在灌漿后進行的壓水試驗，壓水結果為透水率2.04-3.09lu；灌后涌水情況比灌漿前減小明顯,20m孔出水量在3-9L/min之間，說明灌漿效果明顯，阻水灌漿后能夠滿足隧洞開挖的施工要求。

ZS+外1與ZS+外6為相鄰孔，鉆孔方向為斜向外45°角，ZS+外1在孔深6m處出現大量涌水，說明此次阻水灌漿的有效擴散半徑≤4.2m，開挖面4.2m以外仍為破碎帶含水層，該孔鉆至8m后，出水量沒有明顯變化，按技術要求對該孔進行阻水灌漿處理，灌注水泥2426.57kg,在ZS+外1灌漿結束后6d，在該孔側鉆ZS+外6號孔，鉆孔15m，8m左右出水，測試出水量為11L/min，出水量明顯減小，說明灌漿效果明顯，開挖面4.2m以內沒有出水現象，說明灌漿效果良好，灌漿擴散半徑能夠滿足開挖要求。

7 結 論

通過檢查孔的數據以及現場施工的情況對設計提供的基礎數據作如下評述：

1)灌漿孔施工程序設計提供的施工程序，即從造孔、沖洗、壓水、灌漿到最后封孔較為合理。

2)灌漿施工工藝。本次灌漿采用的工藝能夠達到預期的灌漿效果，設計合理、工藝可行。

3)灌漿基礎數據。孔間距1.3m，灌漿能夠達到施工要求的滲透半徑，且作業空間充足，易于集中作業[3]。

4)灌漿材料的選擇。本次灌漿材料采用的普通硅酸鹽水泥對于裂隙的填充較為有效，阻水效果明顯。

5)灌漿規律性。灌漿前后透水率以及灌漿單位注入量隨灌漿次序遞減明顯，符合一般灌漿規律[4]。

6)鉆孔、灌漿機械設備。本次灌漿鉆孔采用100B潛孔鉆鉆孔能夠達到預期的灌漿效果，鉆孔、灌漿設備能夠滿足灌漿要求。

7)灌漿壓力和漿液配比。阻水灌漿灌漿壓力定為第一段0.3-0.5MPa，第二段1.0-1.5MPa，第三段及以后各段2.0MPa。水灰比為3∶1、1∶1、0.5∶1的水泥漿；采用此水灰比、灌漿壓力灌漿后效果較好，能夠滿足滲透半徑要求，說明灌漿壓力值和漿液配比的選擇較合適。

綜上所述鉆孔、灌漿機具、灌漿材料及灌漿的各項基礎數據均能滿足該支洞灌漿需要，各項數據均較為合理。灌漿結束后，通過探孔情況說明阻水灌漿能夠滿足繼續開挖的施工要求。