固結灌漿技術在干渠輸水隧洞滲漏中的應用

王繼堯

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

輸水隧洞是水利工程的常見形式之一，可以大大減少輸水工程長度和工程量，加快輸水效率。但是輸水隧洞工程對設計、施工要求極高，而且作業環境復雜，經常遇到各種因地質條件較差而帶來的困難，其中地下水滲漏便是最常見問題之一，而固結灌漿則是堵漏的常用方法之一。

1 工程概況

新疆克拉瑪依干渠工程全長217.2 km，是“YEJK”項目（引EH 水至克拉瑪依河）的重要組成部分，為大（2）型Ⅱ等工程，設計年輸水總量6.8 億m3，設計流量30 m3/s～75 m3/s，于2018 年3 月正式開工。該干渠工程設計中共包含大小13 處輸水隧洞，其中6#隧洞設計總長312 m，斷面面積4.2 m2，坡度2‰，由于該隧洞地質條件較差，且埋深超過320 m，給施工帶來諸多難點，見圖1。由于篇幅有限，本文重點介紹固結灌漿技術在隧洞滲漏問題中的具體應用。

圖1 6# 輸水隧洞施工難點

2 固結灌漿技術參數設計分析

6#輸水隧洞圍巖主要為石英片巖、千枚巖，微風化狀態，隧洞圍巖節理發育較多，以Ⅲ～Ⅳ類圍巖為主。該輸水隧洞位于中等富水區，且圍巖裂隙貫通性較強[1]。經估算：單泉流量可達32 m3/d～527 m3/d，地質技術人員判斷在開挖過程中可能會遇到圍巖失穩、嚴重涌水的情況發生，會對施工造成較多阻礙。經討論，本項目最終決定采取灌漿堵水來保證工程順利進行。

2.1 漿液材料配比設計

（1）漿液主要材料

1）水泥

水泥種類較多，本項目從材料來源、價格成本、注漿效果等方面綜合考慮，最終確定使用普通硅酸鹽水泥，具體標號為42.5 R。

2）水玻璃

水玻璃本質是由Na2SiO2構成的易溶于水的濃稠液體，具有灌裝性好、價格便宜、凝結時間可控等特點，可作為灌漿添加劑（固化劑）使用[2]。

（2）最佳配比的確定

本項目設計采用“水泥+水玻璃”的雙料漿液，可有效避免單一水泥漿液凝結時間長、注漿難以控制、動水影響下結石率低等問題，有效提高了堵水效果，在隧道、井巷等工程涌水問題中得到了廣泛應用。但不同配比也會對漿液性能產生重要影響，在此進行試驗對比來確定最佳配比。

1）試驗配合比設計

灌漿材料配合比共包括3 個參數：水灰比（分別為0.5∶1、0.8∶1、1∶1、1.5∶1）、水玻璃濃度（分別為10%、20%、30%、40%）、水玻璃和水泥含量比（分別為0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1、1∶1）。參照其他工程經驗，本項目設計試驗的配合比共16 組，見表1[3]。

表1 配合比參數設計（部分）

2）漿液物理性能對比測定

①凝結時間對比

試驗對比數據見表2，又通過計算配合比3 個參數的極差值，確定了對漿液初凝和終凝時間影響程度：水灰比＞水玻璃/水泥＞水玻璃濃度。其中水灰比不能輕易更改，因此在現場可實時調節水玻璃/水泥來控制漿液初凝時間，若凝結太早，則不利于漿液進入較深位置，影響堵水效果[4]。

表2 不同配合比凝結時間對比（部分）

②固結體抗壓強度對比

試驗對比數據見表3，配合比中3 個參數的極差與齡期曲線見圖2。由圖2 可知對漿液抗壓強度的影響程度：水灰比＞水玻璃濃度＞水玻璃/水泥，且水灰比影響程度遠大于其他項。因此在施工時，必須嚴格控制水灰比。

表3 不同齡期固結體抗壓強度數值（部分）

圖2 固結體抗壓強度隨齡期變化極差曲線

③注漿漿液抗滲性對比

在試驗室采用“變水頭裝置”（見圖3），結合理論計算來測定28 d 齡期固結體滲透系數K，公式見式（1）[5]。試驗時每30 min加壓0.1 MPa，結果見表4。通過算極差，得出三個參數對抗滲性影響程度：水灰比＞水玻璃濃度＞水玻璃/水泥，滲透系數越小越有利。

式中：a 為固結體截面面積，m2；l 為滲透注漿路徑長度，m；A 為內環面積，m2；t 為滲透時間，s；h1為注漿初始水頭高度，m；h2為注漿結束水頭高度，m。

圖3 變水頭試驗裝置簡圖

表4 灌漿固結體滲透系數測定結果（部分）

通過對不同配比漿液三個指標的測定，確定最終配比參數：水灰比=0.8∶1，水玻璃濃度40%，水玻璃/水泥=0.5∶1。在該配比下，漿液粘度低、流動性好，抗壓強度及抗滲性均較好，經過現場試驗也滿足堵水要求。

2.2 注漿孔布置參數設計

（1）注漿孔間距及深度

固結灌漿技術需要形成一個封閉帷幕，防止水滲漏到隧洞。因此各孔注入的漿液必須擴散連接一片，不得存在間隙，理想情況見圖4[6]。

圖4 固結灌漿形成帷幕結構示意圖

本項目綜合“理論計算+工程試驗”的結果來確定注漿孔參數，其中間距設計的參考Maag 球形滲透理論，公式見式（2）[7]，經計算r≈3.18 m，保險系數取值1.4，則計算確定r=2.27 m，因此設計孔間距d=2.2 m。按照該值進行現場試驗，發現堵水效果很好。

式中：r 為漿液擴散半徑，m；K 為圍巖滲透系數，0.00001 m/s；H為注漿水頭高度，150 m；r0為注漿管內徑，0.05m；t 為初凝時間，43200 s；β 為漿液粘度與水粘度比值，1.5；n 為圍巖孔隙比，20%。

經探測，該隧洞出水點深度在2.5 m～3.8 m 范圍內，因此本項目規定一般徑向注漿孔深度設計5.0 m，頂水注漿孔深8.0 m，集中出水點0.5 m 范圍內要加密打孔注漿。

（2）注漿孔布置形式

設計在局部出水點的部位，布孔間排距為2.2 m×1.5 m，在滲水量較大部位間排距1.0 m×1.0 m，呈梅花形布置，孔向呈放射狀（見圖5）。

圖5 局部出水點注漿示意圖

3 固結灌漿技術施工要點

（1）注漿壓力

注漿壓力與孔位、圍巖情況、漿液濃度密切相關，因此在實際施工中確定。設計注漿壓力為1.0 MPa～1.5 MPa，壓力逐漸上升，在施工中需要對壓力進行實時調節。同時，漿液濃度逐漸增大，若出現較多冒漿、串漿問題，應采取降壓、限流、間歇注漿手段，必要時可加入5%～15%的水玻璃。

（2）注漿結束及封孔

注漿結束標準以水滲漏量為參考：每25 m 長隧洞段滲漏總量小于3.5 L/s，同時單集中出水點滲漏量小于0.5 L/s。采用“全孔灌漿封孔法”，選用水泥砂漿封孔，封孔時要求壓力歸零時孔口無返漿。

4 結語

克拉瑪依干渠6#隧洞通過應用固結灌漿技術，成功排除滲漏水對施工的影響，為后續支護工作創造了良好條件，取得了較好效果。漿液配比是該技術應用成功與否的重要先決條件，總結多個失敗實例，其中60%與漿液質量有關。因此，技術人員要緊密結合隧洞圍巖實際情況，在參照其他工程經驗及理論計算基礎上再進行調整，切不可直接照搬。