深埋引水隧洞長距離輸漿、高壓灌漿技術研究與應用

殷 國 權

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川 成都 611130）

深埋引水隧洞長距離輸漿、高壓灌漿技術研究與應用

殷 國 權

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川 成都 611130）

錦屏二級水電作為世界最大規模水工隧洞群，其設計、施工技術水平處于世界前列，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為超深埋長隧洞特大型地下水電工程。隧洞的開挖支護、襯砌、灌漿、混凝土消缺等多工序、多點、密集、交叉、高強作業，施工難度和施工強度世所罕見。如何按期完成長大12 km的輸漿和如此巨大、高強的高壓灌漿工程，具有極大的挑戰性和風險性。

深埋；引水隧洞；長距離輸漿；高壓灌漿

1 工程概況

錦屏二級水電站主要由4條長約16.7 km引水隧洞構成，隧洞之間的中心間距60 m，一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約2 525 m。鉆爆法施工洞段為馬蹄形斷面，混凝土襯砌后洞徑11.8 m。TBM開挖隧洞為圓形斷面，混凝土襯砌后洞徑為11.2 m。具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為超深埋長隧洞特大型地下水電工程。經查新，其設計、施工技術水平處于世界前列，為世界最大規模水工隧洞群。

由于錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞施工戰線長達23.2 km，其中TBM洞段5.8 km，采用有軌運輸。其中固結灌漿鉆灌110.2萬m，回填灌漿32萬m2、堵水灌漿鉆灌9.5萬m，最高灌漿壓力為12 MPa，水泥輸送量約36萬t，長距離輸漿技術難度大，對輸漿設備性能要求高。隧洞的開挖支護、襯砌、灌漿、混凝土消缺等多工序、多點、密集、交叉、高強作業，施工難度和施工強度世所罕見。如何按期完成如此巨大、高強的輸漿灌漿工程，具有極大的挑戰性和風險性。

研究引水隧洞群長距離輸漿方案，解決錦屏二級水電站引水隧洞高壓、長距離（獨頭掘進和輸漿最大距離將達14 km）灌漿技術；研究水泥漿液長距離運動規律和漿液穩定性，選擇合適的水泥漿管道材質和高壓灌漿設備、機具等，為確保灌漿質量和效果、保證引水隧洞施工期的順利建設和運營期的安全運行提供保證。

2 引水隧洞長距離輸漿技術

2.1 長距離輸漿現場試驗

2.1.1 輸漿試驗設計方案基本要素

水泥輸送工程中的關鍵參數包括：漿液濃度、漿液粘度、流量、流速以及壓力損失等。當輸送長度和需求量一定時，漿液濃度越大則需輸送的漿液總量越小，但一般漿液的粘度隨著濃度的提高而增加，從而壓力損失增加，輸漿管道承受的內壓增高，繼而會對施工的安全性產生不利影響。輸漿試驗目的也是獲取管道輸漿過程中的關鍵參數，為后續施工、改進措施提供參考。

現場試驗用漿液分為水灰比0.6∶1純水泥漿液和水灰比0.6∶1純水泥漿外加JG－2H聚羧酸系高性能減水劑（水泥重量的0.5%）兩種，管道長度有1 074 m、678 m、1 047 m和402 m四種。現場試驗采用TTB120／20型注漿泵進行送漿，試驗過程中測讀送漿過程中各個測點壓力、流量、漿液輸送前后比重、粘度、漿溫等，每種管路連接方式送漿次數為3次。采用3SNS泵返程輸送漿液，但由于流量傳感器和壓力傳感器不能測記逆向數據，故未監測返程輸送數據。漿液輸漿試驗設計思路見表1。

方案設計如表1所示：在輸漿長度上，第一次和第三次輸漿管路超1 km，第二次和第四次輸漿管路低1km；在輸漿材質上，第一次和第二次采用的是0.6∶1的純水泥漿液，第三次和第四次采用的是純水泥漿液加0.5%（水泥重量）的減水劑；在輸漿管路特征上，第一次輸漿管路有拐點，第二次輸漿管路有弧段，第三次和第四次輸漿管路均為直線。通過方案之間的對比，即可掌握管路長度、漿液配比、管線特征對長距離輸漿中壓力損失的影響。

2.1.2 試驗成果分析

第一次輸漿試驗管道長度為1 074 m，輸送漿液水灰比為0.6∶1的純水泥漿，流量為80.92 L／min，平均流速為2.4 m／s。各測點的位置和壓力見表2。

表1 輸漿試驗設計方案基本要素

表2 第一次輸漿試驗測點布置及壓力損失

由表2可知：第一次輸漿試驗起始壓力為5.93 MPa，測點二位于測點一下游486 m，壓力為3.28 MPa，兩者之間下降了2.65 MPa，壓力損失為0.545 2 MPa／100 m；測點三位于測點二下游210 m，壓力為2.3 MPa，兩者之間下降了0.98 MPa，壓力損失為0.466 7 MPa／100 m；測點四位于測點三下游378 m，壓力為0.14 MPa，兩者之間下降了2.16 MPa，壓力損失為0.571 4 MPa／100 m；綜上可得水泥輸漿的平均壓力損失為0.552 MPa／100 m。

第三次輸漿試驗管道長度為1 047 m，輸送漿液水灰比為0.6∶1的純水泥漿外加JG－2H聚羧酸系高性能減水劑（水泥重量的0.5%），流量為77.50 L／min，平均流速為2.3 m／s。各測點的位置和壓力見表3。

表3 第三次輸漿試驗測點布置及壓力損失

由表3可知，第三次輸漿試驗起始壓力為5.76 MPa，測點二位于測點一下游362 m，壓力為3.76 MPa，兩者之間下降了2.0 MPa，壓力損失為0.552 4 MPa／100 m；測點三位于測點二下游183 m，壓力為2.78 MPa，兩者之間下降了0.98 MPa，壓力損失為0.535 5 MPa／100 m；測點四位于測點三下游167 m，壓力為1.89 MPa，兩者之間下降了0.89 MPa，壓力損失為0.532 9 MPa／100m；測點五位于測點四下游335 m，壓力為0.12 MPa，兩者之間下降了1.77 MPa，壓力損失為0.528 3 MPa／100 m。綜上可得水泥輸漿的平均壓力損失為0.538 7 MPa／100 m。

通過上述對輸漿管路及沿程壓力損失的分析來看，在假想輸漿管路成直線形分布的情況下，同一種介質在相同管徑中成紊流狀態流動，則輸漿管路長度對應的所需合理輸出泵壓見表4。

2.1.3 小 結

在錦屏二級水電站引水隧洞現場進行了4次管道輸漿試驗。試驗用長為432～1 074 m的管道分別測試了：直線輸漿、彎道管路、有無減水劑等工況下的起始泵壓大小、沿程阻力損失、流量變化情況、流速大小、漿液溫度及粘度變化情況。實驗結果顯示：水泥漿液在管道輸送中的壓力損失介于：0.46～0.552 MPa／100 m，由于檢測儀器的誤差，實驗數據離散性較大，在施工中可以考慮0.55～0.6 MPa／100 m。在輸漿起點和末點對漿液的比重和黏度進行測試，發現漿液的黏度和比重在上述兩種輸漿方式中沒有發生明顯的改變。

表4 輸漿管路長度與所需合理輸出泵壓關系

2.2 長距離引水隧洞輸漿方案設計與實施

鑒于錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞灌漿工程規模巨大，隧洞軸線長、洞內交通緊張、施工干擾大、場外專用公路在雨季交通無保障及洞內布置條件的局限性、開挖進度、灌漿工程總進度及用漿需求量等情況，如何及時將洞外的水泥和水泥漿輸送至工作面。經研究，對于長隧洞工程，還是在洞外集中制漿的方案較為穩妥，把握性較大。

集中制漿系統包括兩部分：一是儲灰罐；二是自動制漿系統。根據總體施工進度安排及每日用漿需求量初步計算，按三天的儲灰量考慮，約需1 500 t的水泥儲量。自動集中制漿系統占地面積約需260 m3，而EL 1 560 m平臺站場的總布置規劃中，將儲灰罐暫時布置在小水溝隧洞與1號施工支洞口之間的梯形面積區域。通過多方面綜合考慮，擬在EL 1 560 m平臺鋼框架辦公樓至東引1號施工支洞洞口靠山側（樁號范圍：AK4＋601～AK4＋580）布置散裝水泥罐和自動化集中制漿系統供給本工程2條引水隧洞的灌漿施工漿液。

實施效果：采用了750 t自動化集中制漿方案，在制漿輸漿方面，解放了勞動力資源，實現了制漿的自動化；在環保方面，在儲灰罐頂設置吸塵器，避免上灰時產生塵埃，防止了揚塵污染。但是750 t自動化集中制漿方案在洞內鋪設管路過長，同時需要布置多級中轉泵站，漿液性能受到一定程度的影響，進而直接影響了灌漿質量。

2.2.2 洞內集中制漿站輸漿方案

（1）布置思路。結合灌漿工程總進度、漿液需求和現場布置條件分析，大面積施工后全部采用自動化洞內集中制漿系統制漿，以滿足沿途各用漿單位的施工供漿需求。同時避免輸漿管路過長而造成漿液損耗過大，提高保障性；充分利用洞內施工橫通道等已有條件進行布置，另外可通過擴挖建立集中制漿站，解決洞內場地缺乏問題；通過經濟性及合理性等的綜合分析，確定集中制漿站的布置位置和輸送范圍、中轉站設置、建站規模和使用時段等，實現最優配置。單座集中制漿站覆蓋范圍為1 000～1 500 m，兩端供漿。

（2）擴挖制漿站。擴挖腔體尺寸大小為10 m（長）×10 m（寬）×7 m（高），開挖典型斷面尺寸如圖1所示。

2.思辨能力。思辨能力就是思考辨析能力。思辨能力包括邏輯思維能力、辯證邏輯思維能力和創新思維能力三方面。在言語交際中，交際者傳遞的思想內容依賴于其思辨能力。一般而言，思辨能力相對強的學生在英語口語課堂教學活動中表現得比較活躍，即跨文化交際口語能力較強。

圖1 擴挖部位典型斷面示意

開挖部位邊頂拱布置系統錨桿進行支護，表面噴射混凝土。系統支護采用φ32 mm漲殼式預應力中空錨桿，L＝4.5 m＠1×1 m，噴射C30納米仿鋼纖維混凝土，噴射厚度15 cm，局部隨機施作φ33 mm水脹式錨桿，L＝4 m。

（3）自動制漿系統運行。自動化集中制漿系統工藝流程：加灰漏斗→螺旋輸送機送灰→稱量系統限量→加水及投灰入高速制漿機→拌制漿液→放漿至儲漿桶→送漿泵輸運至工作面。具體見圖2。

實施效果：在隧洞內，設計了洞內自動化集中制漿站，實現了袋裝水泥制漿的自動化。單座集中制漿站覆蓋范圍為1 000～1 500 m，可以滿足兩端供漿。洞內高峰期共布置23個制漿站，有力保障了主體工程的灌漿施工。

圖2 集中制漿流程示意

（4）灌漿列車輸漿方案。獨立的灌漿系統應用于2個范圍，即TBM前部的水泥注漿（目標1）和大量巖爆時的混凝土噴射（目標2）。針對每一個目標，灌漿服務列車可細分為3個部分（見圖3）：第一部分包括一輛裝有水泥制漿攪拌和注漿泵的平板車（目標1）和第二部分包括二個裝有相同泵的平板車（目標2），此外，第三部分是電力供應的平板車。

實施效果：在有軌運輸階段，引進了灌漿列車，實現了制漿灌漿的集成，達到了模塊化管理，避免了長距離輸漿管道的投入。

圖3 獨立灌漿列車系統

3 引水隧洞高壓固結灌漿技術

3.1 高壓（12 MPa）固結灌漿試驗

12 MPa的超高壓固結灌漿是國內外隧洞工程中史無先例的固結灌漿壓力，對高壓大流量突涌水圍巖采用超高壓固結灌漿的方式處理也是史無先例的，目前國內外還未有隧洞超高壓固結灌漿規范，對當前錦屏二級水電站引水隧洞施工采用超高壓固結灌漿的方式進行高地應力、高壓大流量突（涌）水、高地溫、多地震、多斷層圍巖的處理的可能性進行探索，可為今后類似的超高壓固結灌漿工程提供重要的設計和施工參考價值和指導意義。

2010年2月，采用清水作為循環介質，進行了高壓灌漿塞及高壓灌漿泵、穩壓裝置等洞內工藝性模擬試驗，初步確定了天通TTB100／20型灌漿泵進行局部改進能夠滿足錦屏12 MPa超高壓灌漿要求；ZSQ系列水壓灌漿塞能滿足最高壓力為14 MPa的承壓要求。2010年5月～2010年8月，基本完成3 m排距試驗區12 MPa灌漿試驗，試驗成果如下：

（1）針對灌漿塞在試驗中易出現堵塞、膠囊易脫離、摩擦阻力不夠等現象，與廠家進行咨詢，并聯合開發了滿足12 MPa灌漿壓力的ZSQ系列灌漿塞。

（2）產生脈沖壓力較大，約為灌漿壓力的1.5倍，導致空氣蓄能器及灌漿泵安全閥片易爆破、高壓灌漿管路易發熱老化，存在極大安全隱患。

（3）12 MPa灌漿壓力條件下漿液溫度不滿足DL／T5148－2001技術規范、漿液粘度不具備可灌性、壓力不穩定（產生脈沖壓力較大，約為灌漿壓力的1.5倍）、灌漿塞損壞嚴重、局部巖層發生劈裂等現象，確定了12 MPa灌漿壓力不適合錦屏工程的地質特點和在規范內配置的灌漿設備和機具，最佳灌漿壓力宜為8～9 MPa，極限灌漿壓力可達到9.5 MPa。為研究極限灌漿壓力條件下的灌漿工藝，將12 MPa灌漿壓力固結灌漿試驗區灌漿壓力調整為9.5 MPa。

（4）通過對孔段進行劈裂壓水試驗，發現巖層在壓水壓力不斷增大的情況下會出現裂隙張開度增大或局部產生劈裂現象，但在壓力逐步減小的過程中巖層均不能回復至初始狀態。

3.2 高壓固結灌漿施工工藝分析

3.2.1 自行式液壓坑道鉆孔臺車鉆孔施工工藝

（1）工藝原理。坑道鉆孔臺車主要由鉆機固定機構、軌道支撐、行走機構、支架、平臺、操作平臺、橫梁、護欄、扶梯，供水系統、電控系統、防水照明、液壓油缸等部分組成。

八臺液壓鉆機分別布置在坑道鉆孔臺車的前后端，距離為6 000 mm，前后端各安裝四臺鉆機，每臺鉆機通過油缸操作能圍繞坑道中心旋轉0～34°，采用絲杠滑塊機構能使鉆機前后移動各120 mm，在調節鉆機的位置時，各鎖緊裝置要全部松開，在鉆孔時必須將鉆機鎖緊在需要的位置。

換位時行走機構的電機及減速器驅動坑道鉆孔臺車在軌道上行走到下一個工作位置，調整行走架和工作平臺兩邊的千斤頂將坑道鉆孔臺車固定在工作位置。

還需微量調節鉆孔位置時，可以直接調整鉆機的橫向和縱向位置，在開鉆前必須鎖緊鉆機。

（2）施工工藝流程。引水隧洞防滲固結灌漿鉆孔施工工藝流程見圖4。

圖4 引水隧洞防滲固結灌漿鉆孔施工工藝流程

3.2.2 自行式液壓棧橋臺車作業原理

棧橋臺車是專門為大型全液壓鑿巖機提供的特殊設備。該設備為Atlas ROC D7以及湯姆洛克700－2型全液壓鑿巖機提供了一個80余平米的工作平臺，鉆機可以在該平臺上施工洞室腰線以上的灌漿孔，解決了鉆孔臺車無法施工的部位，還可以讓兩種鉆機在圓形洞室內調頭，減少鉆機來回行走的時間以及避免不必要的磨損，提高設備工作效率。

作業與行走：鉆機平臺就位后，舉升油缸收起，將平臺放于底部，引橋油缸放下引橋，進行鉆孔作業，行走時引橋油缸舉起引橋，舉升油缸頂起平臺，啟動行走電機行走。

臺車上鉆機作業：滿足Atlas Roc D7、湯姆洛克700－2全液壓露天鉆機在臺車上鉆孔、調頭，滿足鋼筋、混凝土車輛的通過，達到鉆機與其他設備錯車的目的。

3.2.3 自行式灌漿臺車灌漿工藝

（1）工藝原理。灌漿臺車主要包含行走機構、支架、工作臺、護欄、扶梯和上部灌漿站、記錄儀操作室等部分。行走電機驅動灌漿臺車在軌道上行走，到工作位置時，調整行走架和上下工作平臺兩邊的手動千斤頂將灌漿平臺固定在工作位置。

臺車上灌漿設備布置：布置2臺600型儲漿攪拌機，4臺雙層低速攪拌機、4臺3SNS高壓灌漿泵，1個灌漿記錄室。

（2）施工工藝流程。引水隧洞防滲固結灌漿施工工藝流程見圖5。

3.2.4 引水隧洞鉆孔灌漿施工機械配合施工工藝

在澆筑過橫通道之前，灌漿無法安排施工。襯砌臺車過橫通道之后，安裝配套的臺車，同時輔以D7或多臂鉆進行施工。灌漿臺車按照月強度1 500 m／臺，在襯砌完成后兩個月可以完成灌漿施工。不同的工作面根據具體的交通，襯砌、工程量進行安排（見圖6）。

臺車的布置充分考慮襯砌工作面的長度，剩余工程量，施工干擾、施工工期等因素。回填臺車緊跟每個襯砌臺車，同步進行施工；鉆孔臺車和灌漿臺車按照1∶1或者1∶2的比例進行協調配置；棧橋臺車布置在圓形洞室洞段，為其它施工提供交通，保證灌漿的進行。

3.2.5 實施效果

錦屏二級水電站1號、2號引水隧洞灌漿工程，隧洞襯砌后洞徑11.8 m，1號引水隧洞施工洞段長11.9 km，固結灌漿53.5萬m，2號引水隧洞施工洞段長11.3 km，固結灌漿56.7萬m。針對工程洞線長、斷面大、施工干擾大、強度高等特點，研制了“自行式液壓坑道鉆孔臺車”、“自行式液壓棧橋臺車”、“自行式灌漿臺車”等施工機械并集成應用，實現了工程的優質高效機械化施工，保證了引水隧洞按期充水發電。

3.3 高壓灌漿塞研究與應用

圖5 引水隧洞防滲固結灌漿施工工藝流程

圖6 典型斷面灌漿布置示意

在工程施工過程中，經過大量試驗，完成了循環式機械塞改進設計，經過在錦屏二級1號、2號引水隧洞的全面推廣和使用循環式機械塞，在滿足質量要求的同時，降低了施工成本，節省了輔助時間，提高了施工效率，加快了施工進度，得到了監理、業主及設計單位的一致好評。

改進型循環式機械塞（見圖7）設計所使用材料均為常規材料，易采購，單套塞包括圓管形膠球塞5個、傳力支架3個、擠壓平衡板9塊、推力軸承1個、加力螺帽1個、固定螺帽1個、三通1個、進回漿管轉換器1個，進漿管1根、回漿管1根。

圖7 改進型循環式機械塞

改進型循環式機械塞與常規氣、液壓塞的封閉原理基本相同，水或漿液在高壓泵的作用下，經灌漿管路由灌漿塞進漿管向中心通道到射漿管，再到孔底，漿液或水由孔底上返，經灌漿塞中心通道與外管之間的間隙至三通管部位，從返漿管至灌漿槽，完成一個灌漿或壓水循環。

灌漿或壓水試驗時，將灌漿塞放于孔口，位于基巖與混凝土的接觸帶上，通過扭進加力螺帽將由推力軸承將力作用于傳力鋼管，再由鋼管作用于擠壓平衡板上，將力平衡的作用于四個圓管形膠球塞，圓管形膠球塞在力的作用下，在中心軸方向進行壓縮，且在擠壓平衡板的平衡限制下發生軸方向的壓縮變小，徑向上的均勻放大，使膠球塞與孔壁緊密接觸起到封閉孔的作用。

改進方面主要增加了傳力支架，由于兩端平齊，受力及傳力均勻，強制平衡板始終與孔的中心方向垂直，使膠球塞向周圍360°方向均勻變化，封閉孔。

實施效果：由于采用了改進型循環式機械塞的灌漿工藝，無需加工預埋鋼管和孔口封閉的鋼材，減少了氣囊塞的購買數量，大大節省了人力財力，節省施工成本200萬元，同時避免了孔口封閉灌漿法工藝的待凝等工序，節約了工期時間，提高了鉆灌工效，提前完成了錦屏二級東端1號、2號引水隧洞的施工任務。

4 主要結論及實施效果

在長距離輸漿技術方面，采用750 t自動化集中制漿方案，解放了勞動力資源，實現了制漿的自動化；在環保方面，在儲灰罐頂設置吸塵器，避免上灰時產生塵埃，防止了揚塵污染。但是經過在錦屏二級的施工表明，750 t自動化集中制漿方案在長距離隧洞使用方面有較多的局限性，從1560平臺向洞內輸漿屬于逆坡輸漿，對輸漿設備要求較高，在施工中難以滿足整個工程的輸漿需要。灌漿列車實現了制漿灌漿的集成，達到了模塊化管理，避免了長距離輸漿管道的投入。但是灌漿列車僅限于在有軌運輸的條件下使用。洞內自動化集中制漿站，實現了袋裝水泥制漿的自動化，拆裝方便，可以靈活的布置工程量相對集中的洞段，利于工程的高強度輸漿需要，對長隧洞中輸漿有較強的實用性。

在高壓灌漿技術方面，通過對國內外行業領域發展方向和水平的研究分析，針對依托工程難點和特點展開研究，課題研究緊緊圍繞東端1號、2號引水隧洞在施工過程中，開挖支護、襯砌、灌漿混凝土消缺等多工序、多點、密集、交叉、高強作業，施工難度和施工強度世所罕見的巨大難題：①研制的自行式液壓坑道鉆孔臺車，通過液壓油缸可移動懸臂和調節環距模塊，實現鉆機孔位和環距的自由變換，進行洞室上部全部鉆孔作業。②研制的自行式液壓棧橋臺車，利用大型液壓鉆機解決圓形洞室下部鉆孔作業。輔以研制的自行式液壓鉆孔平臺，可解決異形洞室鉆孔作業。③研制的自行式灌漿臺車，集儲漿、灌注、操作、控制于一體，實現了灌漿作業機械化施工。通過研制設備的集成應用，確保了洞內交通暢通，減少了施工干擾，降低了施工成本，實現了高效機械化施工。

5 結 語

錦屏二級水電站引水隧洞長距離輸漿、高壓灌漿技術研究，對當前錦屏二級水電站引水隧洞施工具有實用性。在長距離輸漿技術方面，總結了不同條件下的輸漿技術。在高壓灌漿方面，三種臺車配合現有鉆孔灌漿設備集成應用，保障了各個鉆孔灌漿工序快速、高效、經濟的實施，確保了東端1號、2號引水隧洞按期充水發電。本工程完工后，臺車被國內類似的三個工程引進，其中包括長河壩水電站10臺，黃金坪水電站4臺，錦屏二級水電站C5標4臺。該研究成果將推動我國深埋長大隧洞長距離輸漿技術和高壓灌漿技術水平邁向新高度。

［1］陳豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［2］覃仁輝，王成.隧道工程（第三版）［M］.重慶：重慶大學出版社，2011（8）.

［3］汪雪英，蔡仲銀，熊建清.長大深埋隧洞工程施工技術研究［M］.黃河水利出版社，2009（12）.

［4］房敦敏，褚衛江，吳旭敏，張洋.深埋隧洞高外水壓力洞段灌漿效果評估［A］.中國力學學會2009學術大會論文集，2009.

［5］張繼勛，任旭華，姜弘道，黃麗偉.高外水壓力下隧道工程滲控措施研究［J］.水文地質工程地質，2006.

［6］盛金昌，趙堅，速寶玉.高水頭作用下水工壓力隧洞的水力劈裂分析［J］.巖石力學與工程學報，2005.

TV543.3

B

1003－9805（2015）01－0055－07

2014－12－11

殷國權（1978－），男，四川成都人，工程師，從事水力水電工程管理工作。