引水隧洞防進(jìn)水灌漿設(shè)計與施工

白崇賀

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

巖體通常是一個節(jié)理含水層，其中的水通過最具滲透性的不連續(xù)面或沿著這些不連續(xù)面通過明渠流動。一般來說，靠近地表的巖體節(jié)理化程度更高，節(jié)理的張開程度也比巖體更深。在許多未鋪設(shè)的隧道中進(jìn)行的觀察表明，大多數(shù)漏水通常發(fā)生在隧道最接近地表的部分，并局限在裂縫、斷層和風(fēng)化帶中。

無襯砌或噴射混凝土襯砌遂洞漏水問題已不是隧道施工中的新問題。在許多情況下，隧道面臨著嚴(yán)重的涌水和滲漏問題，不僅降低了隧道周圍巖體的穩(wěn)定性，而且損失了隧道中的水資源，給工程造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，隧道滲漏水的控制，不僅對改善巖體質(zhì)量，而且對節(jié)約滲漏造成的經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

對于隧道而言，采用注漿防滲處理巖體可能是一種非常經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的解決方案。為此，本文以遼寧省重點輸水工程“施工四標(biāo)”引水隧洞施工為例。著重討論了灌漿在控制滲漏中的重要作用。在本工程中，灌漿有助于降低滲透性，并滿足有關(guān)漏水的合同要求。本文的主要研究內(nèi)容是如何有效地利用預(yù)注漿和后注漿技術(shù)。

2 項目背景

本單位工程名稱為“施工四標(biāo)”，屬于遼寧省重點輸水工程（四段）施工四標(biāo)的一個單位工程。工程位于遼寧省錦州市義縣和朝陽市北票市境內(nèi)，隧洞樁號D176+382～D193+498，段長17116 m，其中灌漿長度為7923 m，為無壓隧洞，洞底高程為126.04 m～123.15 m。隧洞進(jìn)口位于錦州義縣九道嶺鎮(zhèn)大屯西溝的石頭堡子附近，經(jīng)頭臺鄉(xiāng)、朝陽北票常河營鄉(xiāng)，直至黃土坎子大溝北山坡隧洞出口，地形屬構(gòu)造剝蝕—緩隆起剝蝕尖頂狀和圓頂狀中低山區(qū)。

2.1 工程地質(zhì)

隧洞4-6 段工程地質(zhì)巖性：本隧洞段穿越的底層巖性主要有中元古界長城系高于莊組（Chg）、大紅峪組（Chd）、常州溝組（Chc）、薊縣系楊莊組（Jxy）、霧迷山組（Jxw）、中生界侏羅系中統(tǒng)髻山組（J2t）、白堊系下統(tǒng)義縣組（k1y）、新生界更新統(tǒng)～全新統(tǒng)（Q2～4）等，侵入巖有小牽馬嶺花崗質(zhì)片麻巖（Ar3Xgnc）、燕山晚期安山巖（52-3）等。

2.2 實際巖體條件

為了成功地進(jìn)行隧道施工，必須采用具有成本效益和靈活性的方法來適應(yīng)不斷變化的地面條件。此次施工，充分利用了這一概念，最大限度地利用巖體的自承能力。這是通過采用良好的漏水控制系統(tǒng)和根據(jù)預(yù)先確定的巖體類別和巖石支護(hù)程序確定現(xiàn)場巖石支護(hù)來實現(xiàn)的。在施工過程中發(fā)現(xiàn)隧道沿線巖體質(zhì)量存在較大偏差。只有不到5%的隧道段巖石質(zhì)量較好，剩下的95%在不同程度上都需要進(jìn)行灌漿，見表1。

表1 巖體等級劃分及相對含量

3 灌漿標(biāo)準(zhǔn)和程序

引水隧洞的最大漏水量規(guī)定為150 L/s，隧洞的具體漏水量為1.13 L/(min·m)，對于輸水隧洞來說，這是非常嚴(yán)格的。相比之下，傳統(tǒng)的隧道全混凝土襯砌方法將是一個非常昂貴和耗時的解決方案。此外，由于收縮裂縫，混凝土襯砌不是完全防水的結(jié)構(gòu)，需要接觸灌漿，以使隧道在全靜水壓力下不透水。

因此，決定采用現(xiàn)代支護(hù)手段利用巖體的自承能力，并在引水隧洞中主要采用注漿來減少漏水，見圖1，顯示靜水線和預(yù)注入和注入后灌漿區(qū)域。

圖1 引水隧洞剖面圖

控制隧道漏水的最佳方法是在開挖期間在隧道面前進(jìn)行預(yù)注漿。由于在滿足灌漿需要時，引水隧洞已經(jīng)開挖了近2.5 km，因此進(jìn)行了預(yù)灌漿和后灌漿。

3.1 預(yù)注漿

主要遵循兩個標(biāo)準(zhǔn)來決定是否需要注入灌漿：（a）如果在運行期間流入隧道的地下水壓力小于靜水壓力的1.5 倍，（b）如果通過巖體的滲漏超過一定限度（通過1.5 倍靜水壓力的勘探鉆孔抽水后的水損失）。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)（b）被認(rèn)為是更可靠的，因為標(biāo)準(zhǔn)（a）僅在隧道開挖期間可能出現(xiàn)地下水流入的路段有效，因此（b）被廣泛用于定義引水隧道的預(yù)注漿。

首先，在隧道工作面河谷側(cè)壁上鉆一個21 m 長的勘探鉆孔，鉆孔角度與隧道軸線成8°角，略向上，角度約為5°。在鉆井期間，定期觀察記錄可能的涌水量和沖洗水損失，以及此類事故的大致深度。其次，鉆孔結(jié)束后，用封隔器和流量計測量隧道的涌水量。之后，以1.5 倍的靜水壓力將水泵入鉆孔（通過封隔器）進(jìn)行漏水試驗。最后，如果每米長度的漏水量超過1 L/min，建議進(jìn)行預(yù)注漿。對于預(yù)注漿，在隧道周邊鉆取12 個21 m 長的鉆孔，與隧道軸線成8°角，以形成注漿錐，見圖2。

圖2 采用預(yù)注漿和后注漿的方式

采用水泥進(jìn)行預(yù)注漿，并加入促進(jìn)劑。使用三種不同的混合料，從水灰比為2∶1 的混合料。如果混合料達(dá)到隧道內(nèi)工作靜水壓力的1.5 倍，或每個孔的灌漿量超過200 L，則停止灌漿。但是，如果200 L 后的灌漿壓力仍然低于靜水壓力的1.5倍，則使用水灰比為1.5 的二號拌合物作為一號拌合物的標(biāo)準(zhǔn)。若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則采用3∶1 水灰比，最后，加入鋸末以防壓力達(dá)不到要求。

3.2 灌注后灌漿

在隧道開挖早期未進(jìn)行預(yù)注漿的隧道段，需要進(jìn)行后注漿。然而，為了能夠?qū)⒆⑷牒蠊酀{操作集中到隧道所需的部分，確定預(yù)計最大泄漏的區(qū)域非常重要。為了驗證這一點，在引水隧洞中進(jìn)行了早期試驗充水。由于壓力井和廠房的施工仍未完成，因此在樁號D185+452 引水隧洞下游端修建了臨時堵頭。2012 年7 月進(jìn)行的充水試驗表明，隧道有相當(dāng)大的滲漏（約700 L/s），見表2。

表2 試驗充水后測得的漏水量。

3 號、4 號施工支洞滲漏不明顯，說明預(yù)注漿是有效的。另一方面，2 號施工支洞的滲漏速度約為200 L/s，表明2 號施工支洞附近的引水隧洞出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的滲漏，該區(qū)域未進(jìn)行預(yù)注漿。

根據(jù)試驗充水結(jié)果和地質(zhì)隧道日志的查閱，制定了實施注漿后綜合注漿的方案。灌漿期間的主要焦點是2 號施工支洞引水隧洞上游910 m 和下游330 m 的未灌漿段，在該段中，節(jié)理張開度較大，巖體高度風(fēng)化。此外，在懷疑有水泄漏的1 號施工支洞附近的引水隧洞部分長度也進(jìn)行了灌漿，由于這些隧道段的接縫較開闊，灌漿采用普通水泥。另外，在灌漿料中加入5%的膨潤土，以提高灌漿效果。

4 灌漿結(jié)果

在壓水引水隧洞的滲漏控制中，注漿前后注漿是一種非常有效、經(jīng)濟(jì)的方法。與預(yù)注漿相比，注射后注漿有一定難度和挑戰(zhàn)性，因為隧道壁有灌漿流出的趨勢，而且由于接縫非常開放，通常難以達(dá)到所需壓力。因此，灌漿消耗比預(yù)注漿高很多，而且灌漿操作成本更高。然而，灌漿成本卻遠(yuǎn)低于混凝土襯砌。引水隧洞灌漿材料的總消耗量見表3。

表3 灌漿結(jié)果和最終漏水量測量

2012 年8 月，隧道最終充水，并根據(jù)工程合同中規(guī)定進(jìn)行滲漏測量，7923 m 長的引水隧道每秒滲漏120 L。漏水量為0.91 L/(min·m)，見表3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合同規(guī)定的滲漏限值。

還對預(yù)注漿和后注漿隧道段巖體質(zhì)量的比耗漿量進(jìn)行分析。分析結(jié)果見圖3。

圖3 耗漿量與巖體類別的關(guān)系

圖3 清楚地表明，二級和三級巖石的預(yù)注入和注入后灌漿的灌漿消耗量最高。這是因為這些巖石類別中的巖體通常是開放節(jié)理的。較差的巖體質(zhì)量通常有粘土填充的節(jié)理、變形的巖體和褶皺，從而降低了滲透性，圖3 還表明，注入后灌漿的消耗量比預(yù)灌漿高很多。

5 結(jié)語

通過對遼寧省重點輸水工程“施工四標(biāo)”引水隧洞進(jìn)行系統(tǒng)的預(yù)注漿和后注漿，不僅可以將滲漏水量控制在合同規(guī)定的范圍內(nèi)，還可以降低工程造價和工期。本工程實施的灌漿清楚地表明，系統(tǒng)預(yù)注漿和后注漿在減少無襯砌/噴射混凝土襯砌輸水引水隧洞漏水方面發(fā)揮了非常重要的作用。此外，注漿在改善巖體質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用，它用注漿材料加固裂縫和節(jié)理，減少了對過多巖石支護(hù)的需要。案例也說明了灌漿操作并非易事，尤其是在注入后灌漿時，其成本可能達(dá)到注入前灌漿的許多倍，因此，應(yīng)盡量采用系統(tǒng)預(yù)注漿。最后，為了在保證灌漿效果的同時減少投資，需要充分了解地面條件。