固結(jié)灌漿技術(shù)在干渠輸水隧洞滲漏中的應(yīng)用

王繼堯

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度和工程量，加快輸水效率。但是輸水隧洞工程對(duì)設(shè)計(jì)、施工要求極高，而且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常遇到各種因地質(zhì)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(jié)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(zhǎng)217.2 km，是“YEJK”項(xiàng)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(shè)計(jì)年輸水總量6.8 億m3，設(shè)計(jì)流量30 m3/s～75 m3/s，于2018 年3 月正式開工。該干渠工程設(shè)計(jì)中共包含大小13 處輸水隧洞，其中6#隧洞設(shè)計(jì)總長(zhǎng)312 m，斷面面積4.2 m2，坡度2‰，由于該隧洞地質(zhì)條件較差，且埋深超過320 m，給施工帶來諸多難點(diǎn)，見圖1。由于篇幅有限，本文重點(diǎn)介紹固結(jié)灌漿技術(shù)在隧洞滲漏問題中的具體應(yīng)用。

圖1 6# 輸水隧洞施工難點(diǎn)

2 固結(jié)灌漿技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

6#輸水隧洞圍巖主要為石英片巖、千枚巖，微風(fēng)化狀態(tài)，隧洞圍巖節(jié)理發(fā)育較多，以Ⅲ～Ⅳ類圍巖為主。該輸水隧洞位于中等富水區(qū)，且圍巖裂隙貫通性較強(qiáng)[1]。經(jīng)估算：?jiǎn)稳髁靠蛇_(dá)32 m3/d～527 m3/d，地質(zhì)技術(shù)人員判斷在開挖過程中可能會(huì)遇到圍巖失穩(wěn)、嚴(yán)重涌水的情況發(fā)生，會(huì)對(duì)施工造成較多阻礙。經(jīng)討論，本項(xiàng)目最終決定采取灌漿堵水來保證工程順利進(jìn)行。

2.1 漿液材料配比設(shè)計(jì)

（1）漿液主要材料

1）水泥

水泥種類較多，本項(xiàng)目從材料來源、價(jià)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(biāo)號(hào)為42.5 R。

2）水玻璃

水玻璃本質(zhì)是由Na2SiO2構(gòu)成的易溶于水的濃稠液體，具有灌裝性好、價(jià)格便宜、凝結(jié)時(shí)間可控等特點(diǎn)，可作為灌漿添加劑（固化劑）使用[2]。

（2）最佳配比的確定

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jié)時(shí)間長(zhǎng)、注漿難以控制、動(dòng)水影響下結(jié)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(yīng)用。但不同配比也會(huì)對(duì)漿液性能產(chǎn)生重要影響，在此進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比來確定最佳配比。

1）試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

灌漿材料配合比共包括3 個(gè)參數(shù)：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(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)試驗(yàn)的配合比共16 組，見表1[3]。

表1 配合比參數(shù)設(shè)計(jì)（部分）

2）漿液物理性能對(duì)比測(cè)定

①凝結(jié)時(shí)間對(duì)比

試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見表2，又通過計(jì)算配合比3 個(gè)參數(shù)的極差值，確定了對(duì)漿液初凝和終凝時(shí)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(xiàn)場(chǎng)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水玻璃/水泥來控制漿液初凝時(shí)間，若凝結(jié)太早，則不利于漿液進(jìn)入較深位置，影響堵水效果[4]。

表2 不同配合比凝結(jié)時(shí)間對(duì)比（部分）

②固結(jié)體抗壓強(qiáng)度對(duì)比

試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見表3，配合比中3 個(gè)參數(shù)的極差與齡期曲線見圖2。由圖2 可知對(duì)漿液抗壓強(qiáng)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(yuǎn)大于其他項(xiàng)。因此在施工時(shí)，必須嚴(yán)格控制水灰比。

表3 不同齡期固結(jié)體抗壓強(qiáng)度數(shù)值（部分）

圖2 固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化極差曲線

③注漿漿液抗?jié)B性對(duì)比

在試驗(yàn)室采用“變水頭裝置”（見圖3），結(jié)合理論計(jì)算來測(cè)定28 d 齡期固結(jié)體滲透系數(shù)K，公式見式（1）[5]。試驗(yàn)時(shí)每30 min加壓0.1 MPa，結(jié)果見表4。通過算極差，得出三個(gè)參數(shù)對(duì)抗?jié)B性影響程度：水灰比＞水玻璃濃度＞水玻璃/水泥，滲透系數(shù)越小越有利。

式中：a 為固結(jié)體截面面積，m2；l 為滲透注漿路徑長(zhǎng)度，m；A 為內(nèi)環(huán)面積，m2；t 為滲透時(shí)間，s；h1為注漿初始水頭高度，m；h2為注漿結(jié)束水頭高度，m。

圖3 變水頭試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

表4 灌漿固結(jié)體滲透系數(shù)測(cè)定結(jié)果（部分）

通過對(duì)不同配比漿液三個(gè)指標(biāo)的測(cè)定，確定最終配比參數(shù)：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(dòng)性好，抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性均較好，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也滿足堵水要求。

2.2 注漿孔布置參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）注漿孔間距及深度

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

圖4 固結(jié)灌漿形成帷幕結(jié)構(gòu)示意圖

本項(xiàng)目綜合“理論計(jì)算+工程試驗(yàn)”的結(jié)果來確定注漿孔參數(shù)，其中間距設(shè)計(jì)的參考Maag 球形滲透理論，公式見式（2）[7]，經(jīng)計(jì)算r≈3.18 m，保險(xiǎn)系數(shù)取值1.4，則計(jì)算確定r=2.27 m，因此設(shè)計(jì)孔間距d=2.2 m。按照該值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)堵水效果很好。

式中：r 為漿液擴(kuò)散半徑，m；K 為圍巖滲透系數(shù)，0.00001 m/s；H為注漿水頭高度，150 m；r0為注漿管內(nèi)徑，0.05m；t 為初凝時(shí)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(jīng)探測(cè)，該隧洞出水點(diǎn)深度在2.5 m～3.8 m 范圍內(nèi)，因此本項(xiàng)目規(guī)定一般徑向注漿孔深度設(shè)計(jì)5.0 m，頂水注漿孔深8.0 m，集中出水點(diǎn)0.5 m 范圍內(nèi)要加密打孔注漿。

（2）注漿孔布置形式

設(shè)計(jì)在局部出水點(diǎn)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(diǎn)注漿示意圖

3 固結(jié)灌漿技術(shù)施工要點(diǎn)

（1）注漿壓力

注漿壓力與孔位、圍巖情況、漿液濃度密切相關(guān)，因此在實(shí)際施工中確定。設(shè)計(jì)注漿壓力為1.0 MPa～1.5 MPa，壓力逐漸上升，在施工中需要對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。同時(shí)，漿液濃度逐漸增大，若出現(xiàn)較多冒漿、串漿問題，應(yīng)采取降壓、限流、間歇注漿手段，必要時(shí)可加入5%～15%的水玻璃。

（2）注漿結(jié)束及封孔

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以水滲漏量為參考：每25 m 長(zhǎng)隧洞段滲漏總量小于3.5 L/s，同時(shí)單集中出水點(diǎn)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(shí)要求壓力歸零時(shí)孔口無返漿。

4 結(jié)語

克拉瑪依干渠6#隧洞通過應(yīng)用固結(jié)灌漿技術(shù)，成功排除滲漏水對(duì)施工的影響，為后續(xù)支護(hù)工作創(chuàng)造了良好條件，取得了較好效果。漿液配比是該技術(shù)應(yīng)用成功與否的重要先決條件，總結(jié)多個(gè)失敗實(shí)例，其中60%與漿液質(zhì)量有關(guān)。因此，技術(shù)人員要緊密結(jié)合隧洞圍巖實(shí)際情況，在參照其他工程經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算基礎(chǔ)上再進(jìn)行調(diào)整，切不可直接照搬。