輸水隧洞注漿防滲加固施工技術(shù)研究

易怡鑫

(新疆水發(fā)水務(wù)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 輸水隧洞注漿防滲加固施工技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 布設(shè)注漿孔

在本文所設(shè)計(jì)的輸水隧洞注漿防滲加固施工技術(shù)中，第一步也是關(guān)鍵的一步是在輸水隧洞圍巖上鉆取注漿孔[1]，注漿孔的成孔質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)防滲加固效果，所以本文綜合考慮輸水隧洞圍巖的實(shí)際特點(diǎn)與后續(xù)注漿施工需求，采用梅花形的布孔方式[2]，如圖1。

圖1 輸水隧洞注漿孔布設(shè)

根據(jù)相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，本文所布設(shè)的注漿孔的孔徑為60 mm，各注漿孔之間的距離為1.2 m。在實(shí)際施工中，首先將輸水隧道施工現(xiàn)場清理干凈，控制鉆機(jī)就位，這里采用YSP45型號伸縮向上式氣動鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，將該鑿巖機(jī)的氣腿和主機(jī)控制在同一縱軸線上，為保證注漿孔的鉆取精度，需要確保二者精準(zhǔn)連成一個整體[3]。然后使用氣動鑿巖機(jī)從輸水隧洞圍巖的左右兩邊巖腳開始斜向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格控制注漿孔的平順度，如果鑿巖機(jī)鉆進(jìn)過程中發(fā)生偏移，需要及時停止鉆孔，將鑿巖機(jī)位置調(diào)整回來后繼續(xù)鉆進(jìn)，直至鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深停止鉆孔。在鉆取輸水隧洞注漿孔時，如果氣動鑿巖機(jī)鉆進(jìn)圍巖5 m處仍未出水，需要根據(jù)圍巖探查結(jié)果適當(dāng)調(diào)整孔深。當(dāng)按照上述方法將全部注漿孔鉆取結(jié)束后，進(jìn)行成孔質(zhì)量的檢查作業(yè)，主要針對注漿孔的尺寸、平順度進(jìn)行復(fù)查，如果存在不滿足設(shè)計(jì)要求的注漿孔，需要及時采取有效措施，促使注漿孔滿足后續(xù)注漿要求。在注漿孔檢查完成后，將各個注漿孔內(nèi)石塊、沙礫等雜物清理干凈，展開下一道工序。

1.2 制備注漿材料

制備合適的注漿材料是本次輸水隧洞注漿防滲加固施工得以順利進(jìn)行的基本保障，在進(jìn)行注漿施工時，需要根據(jù)輸水隧洞施工段的涌水量及圍巖地質(zhì)條件，選擇注漿原材料。由于輸水隧洞圍巖地層的動靜水壓力較大，且具有良好的析水性，導(dǎo)致注入的漿液在短時間內(nèi)發(fā)生泌水現(xiàn)象顯著性較差，很容易被地下水沖走，所以在選擇注漿材料時，需要考慮注漿材料的流動性與擴(kuò)散效應(yīng)，避免漿液注入后發(fā)生跑漿問題，影響輸水隧洞的防滲加固效果。與此同時，注入輸水隧洞圍巖中的漿液消耗量較大，所以注漿材料需要具有較高的經(jīng)濟(jì)性，還必須無公害、無污染。綜合以上問題，本文以水泥、黏土、天然河砂、固化劑為原材料，制備一種新型黏土水泥砂膏漿作為輸水隧洞的注漿材料。其中水泥本文采用的是P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，該水泥的主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，不僅具有良好的抗壓與抗折強(qiáng)度，而且其初凝與終凝時間可調(diào)控，適用于本次輸水隧洞注漿施工。關(guān)于黏土，通常來源于不同地質(zhì)環(huán)境的黏土，其礦物成分各不相同，導(dǎo)致黏土的物理學(xué)性能也不一致，一般高嶺石黏土的吸水性和膨脹性較差，所以采用高嶺石黏土制備注漿材料時，其遇水不易膨脹，很難形成漿液，而蒙脫石黏土與高嶺石黏土相反，該黏土具有優(yōu)越的膨脹與吸水性能，將蒙脫石黏土作為原材料，很容易制成漿液，所以本文在制備新型黏土水泥砂膏漿時，以蒙脫石黏土為第二個主要原材料。與此同時，本文為提升注漿材料的黏聚力與內(nèi)摩擦角，添加了一定量的砂子，砂子的加入可以促使注漿材料顆粒填充效應(yīng)更加完善，從而形成一個以砂子為核心的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度，綜合考慮注漿材料的成本，本文采用天然河砂。最后，為提升注漿材料的穩(wěn)定性與抗水流沖釋性，本文在新型黏土水泥砂膏漿中添加了以偏鋁酸鈉為主要成分的固化劑。綜上，本文所制備的注漿材料具體配制方案如表1所示。

表1 新型黏土水泥砂膏漿配比

按照表1所示配比，將各類原材料依次加入攪拌機(jī)中，開啟攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，20 min之后，當(dāng)黏土水泥砂膏漿攪拌均勻，無冒泡等現(xiàn)象發(fā)生，停止攪拌機(jī)，等待注入施工。

1.3 高壓噴射注漿

針對輸水隧洞圍巖的實(shí)際地質(zhì)條件，地下水流動情況以及注漿材料的性能，本文采用高壓噴射法進(jìn)行注漿施工。在正式注漿施工之前，需要確定高壓噴射注漿的相關(guān)參數(shù)，一是注漿量，本文根據(jù)體積法獲取注漿量，如式(1)：

(1)

式中：L為輸水隧洞注漿用量，m3；R為防滲加固的固結(jié)體設(shè)計(jì)直徑，mm；ε為漿液的填充率，%；φ為漿液在輸水隧洞圍巖中的折減系數(shù)；l為旋噴長度，m；γ為漿液在輸水隧洞圍巖中的損失系數(shù)。二是注漿壓力，在輸水隧洞注漿防滲加固施工中，高壓噴射注漿的壓力越大，所噴射的漿液流量與流動速度就越大，對隧洞圍巖造成的破壞力也越大，本文綜合考慮高壓注漿液的噴射流與隧洞圍巖的防滲加固處理效果，將注漿材料的噴射壓力設(shè)置在1.2～1.8 MPa范圍內(nèi)。三是高壓噴嘴的移動速度，為提升高壓噴射注漿固結(jié)體的強(qiáng)度，本文將噴嘴的提升速度控制在0.1～0.2 m/min之間。在確定了高壓噴射注漿的相關(guān)施工參數(shù)后，正式開始注漿施工，一般來說，高壓噴射法包括單管注漿、雙管注漿及三管注漿法，本文綜合考慮輸水隧洞圍巖的實(shí)際情況，選擇單管注漿法，如圖2。

圖2 高壓噴射注漿示意圖

如圖2所示，在進(jìn)行高壓噴射注漿施工時，將注漿泵、注漿管等施工設(shè)備準(zhǔn)備就位，并把注漿管下放至設(shè)計(jì)孔位中，當(dāng)噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，開啟注漿泵開始噴射注漿。然后按照從下至上的順序，旋轉(zhuǎn)注漿噴嘴，并按照設(shè)計(jì)參數(shù)緩慢提升注漿管，直至提升到注漿孔的孔口處，停止注漿。按照上述步驟將所有注漿孔均注入漿液后，對各個注漿孔的注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，如果存在頂部凹陷等問題，需要進(jìn)行二次補(bǔ)漿，當(dāng)全部注漿孔檢驗(yàn)完畢無任何問題后，等待漿液冷凝成型，輸水隧洞注漿防滲加固施工結(jié)束。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

某無壓輸水隧洞總長度56.214 km，擴(kuò)建后設(shè)計(jì)流量為57 m3/s，隧洞采用馬蹄形斷面，底寬6 m，縱坡1/5000，隧洞直線段高度為4.53 m。由于該輸水隧洞開挖面位于地下水位之下，受地下水壓的影響，隧洞在輸水過程中發(fā)生了嚴(yán)重的滲漏問題，為避免隧洞滲漏引起滑坡、混凝土襯砌脫落等病害，保障隧洞輸水穩(wěn)定，需要進(jìn)行注漿防滲加固施工。

2.2 注漿效果檢測

一般來說，輸水隧洞注漿防滲加固施工質(zhì)量難以直觀地檢查出來，所以本文采用壓水試驗(yàn)對本次注漿效果進(jìn)行檢測。壓水試驗(yàn)就是在輸水隧洞注漿施工結(jié)束1個月之后，在隧洞巖體中心線上鉆取檢查孔，進(jìn)行靜水頭壓水試驗(yàn)，從而檢測輸水隧洞巖體的滲透性。進(jìn)行壓水試驗(yàn)時，需要按照輸水隧洞注漿孔數(shù)量的3%左右進(jìn)行檢查孔的布置，結(jié)合本工程實(shí)際情況，本次共鉆取7個檢查孔，其中隧洞頂部巖體1個，左幫與右?guī)蛶r體各3個，如圖3。

圖3 檢查圍井結(jié)構(gòu)平面示意圖

在此基礎(chǔ)上，分段進(jìn)行靜水頭壓水試驗(yàn)，每一個檢查孔分為2段，各段長8.0 m左右。同時，在本次壓水試驗(yàn)過程中，采用單管頂壓式栓塞作為止水栓塞，通過水表計(jì)量水量，表2為各檢查孔的水量壓入數(shù)據(jù)。

表2 輸水隧洞壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在本次壓水試驗(yàn)結(jié)束后，為判斷輸水隧洞的防滲效果，以式(2)所求滲透系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)

(2)

式中：η為輸水隧洞的滲透系數(shù)，m/d；Q為檢查孔的注水量，m3；W為輸水隧洞巖體厚度，m；D為輸水隧洞巖體中心線周長，m；C為檢查孔內(nèi)外水頭差，m；H1、H2分別為檢查孔內(nèi)注水面與輸水隧洞地下水到檢查孔底部的高度，m。

在輸水隧洞壓水試驗(yàn)中，式(2)所求滲透系數(shù)越大，隧洞巖體透水率越好，表明防滲效果越差；反之滲透系數(shù)越小，隧洞巖體透水率越差，則防滲效果越好，同時根據(jù)我國相關(guān)注漿防滲加固工程實(shí)例可知，該輸水隧洞施工的滲透系數(shù)規(guī)定值為≤1.33×10-6cm/s。那么，根據(jù)以上內(nèi)容，計(jì)算并整理本次輸水隧洞注漿防滲加固施工的滲透系數(shù)，如表3所示。

表3 輸水隧洞滲透系數(shù) cm·s-1

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，采用本文設(shè)計(jì)技術(shù)施工后的輸水隧洞，其滲透系數(shù)在1.95×10-7～6.92×10-7cm/s之間，平均滲透系數(shù)為4.15×10-7cm/s，?1.33×10-6cm/s的規(guī)定值所以本次輸水隧洞注漿防滲加固工程可以評定為合格。該工程設(shè)計(jì)的輸水隧洞注漿防滲加固施工技術(shù)合理、有效，可以保障輸水隧洞的防滲效果。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合輸水隧洞的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種高壓噴射注漿防滲加固施工技術(shù)。首先在輸水隧洞巖體鉆取注漿孔，以高壓噴射的方式向注漿孔內(nèi)注入新型水泥漿液，通過漿液的擴(kuò)散效應(yīng)形成防滲體，達(dá)到輸水隧洞防滲加固的目的。本文將設(shè)計(jì)施工技術(shù)應(yīng)用于某實(shí)際工程中，根據(jù)施工結(jié)束后輸水隧洞的滲透系數(shù)計(jì)算值驗(yàn)證了高壓噴射注漿的防滲加固質(zhì)量。該技術(shù)不僅可以提升輸水隧洞圍巖的強(qiáng)度與整體穩(wěn)定性，還可以顯著提升圍巖的防滲性，可為類似水利工程建設(shè)項(xiàng)目提供參考。