水利工程隧洞固結(jié)灌漿施工技術(shù)研究

0 引言

水利工程作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平不斷提升。其中隧洞工程，尤其是輸水隧洞，因其在水資源調(diào)配、防洪排澇和灌溉等方面的顯著作用，已成為當(dāng)前水利工程建設(shè)領(lǐng)域的重點(diǎn)。然而，輸水隧洞工程往往面臨著極為復(fù)雜的施工環(huán)境和多變的地質(zhì)條件，對(duì)施工技術(shù)的要求極為嚴(yán)苛[。

固結(jié)灌漿技術(shù)通過(guò)在隧洞基巖中鉆設(shè)孔洞并灌注混凝土漿液，填充裂隙，增強(qiáng)巖體整體性，可有效阻隔地下水滲漏，提升隧洞穩(wěn)定性和防水性能，從而達(dá)到防滲加固的目的，是水利工程中廣泛采用的防滲技術(shù)[2]。本文圍繞隧洞固結(jié)灌漿技術(shù)展開研究，深入分析隧洞固結(jié)灌漿關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)實(shí)施中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，以提升隧洞工程的整體防滲能力，以確保水利隧洞工程的安全性、穩(wěn)定性和耐久性。

1工程概況

1.1工程基本情況

大型輸水系統(tǒng)位于小石英溝和大石英溝之間的山體內(nèi)，由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成。該輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為 3899m ，其中引水系統(tǒng)長(zhǎng)度為 2657m ，尾水系統(tǒng)長(zhǎng)度為 1242m. 。引水系統(tǒng)包括上水庫(kù)進(jìn)／出水口、引水事故閘門井、引水隧洞、引水調(diào)壓室、高壓管道（包括主管、岔管和支管）；尾水系統(tǒng)包括尾水支管、尾水事故閘門井、尾水混凝土岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水檢修閘門井和下水庫(kù)進(jìn)／出水口等。

1.2地質(zhì)情況

該大型輸水系統(tǒng)的基巖為花崗巖，地表發(fā)育3條斷層，引水隧洞、高壓管道、下水庫(kù)出口等部位均存在斷層，有的斷層規(guī)模較大，斷層走向主要有北－東－東、北-西－西、北-西等情況，以中傾角和陡傾角為主。鑒于以上復(fù)雜的地質(zhì)情況，需關(guān)注隧洞灌漿技術(shù)的選擇與應(yīng)用。

通過(guò)合理的灌漿材料選擇、灌漿孔布置以及灌漿工藝的優(yōu)化，可確保隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和防水性能，為工程的順利實(shí)施和長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供有力保障。

2 隧洞灌漿施工

2.1固結(jié)灌漿深度的要求

在水利工程隧洞施工中，固結(jié)灌漿的主要作用是通過(guò)灌漿材料填充圍巖中的裂隙和孔隙，增強(qiáng)圍巖的整體性和抗?jié)B性，從而維持隧洞內(nèi)的水壓平衡和防止水患。固結(jié)灌漿的深度是確保隧洞圍巖穩(wěn)定性和減少滲水量的關(guān)鍵因素。合理的深度設(shè)計(jì)能夠提升隧洞整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可有效防止圍巖因滲透作用而引發(fā)的失穩(wěn)問(wèn)題。

根據(jù)灌漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、隧洞地質(zhì)條件以及預(yù)期的工程效果，結(jié)合水力梯度和地下水作用水頭等因素，綜合確定固結(jié)灌漿最小有效深度。水力梯度反映了地下水在巖層中的滲透壓力梯度，是確定固結(jié)灌漿深度時(shí)需要考慮的重要因素之一。固結(jié)灌漿的設(shè)計(jì)深度應(yīng)保證在水力梯度不超過(guò)允許限值的情況下，圍巖不發(fā)生滲透破壞和過(guò)度變形。

2.2固結(jié)灌漿深度設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

固結(jié)灌漿深度的設(shè)計(jì)原則如下：依據(jù)灌漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、隧洞地質(zhì)條件以及預(yù)期的灌漿效果，綜合考慮隧洞圍巖的力學(xué)性質(zhì)、裂隙發(fā)育程度以及地下水情況等因素。

2.2.2固結(jié)灌漿深度計(jì)算

在隧洞開挖過(guò)程中，圍巖的完整性會(huì)受到一定程度的破壞，形成裂隙和破碎帶，這些區(qū)域是灌漿的重點(diǎn)[3]。因此在設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿深度時(shí)，需要充分考慮圍巖的破壞程度和灌漿材料的滲透性能。固結(jié)灌漿深度設(shè)計(jì)的表達(dá)式如下：

T=f（G，M，F(xiàn)，W，P）

式中： T 為固結(jié)灌漿的深度， G 為灌漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，M 為隧洞地質(zhì)， F 為預(yù)期的灌漿效果，W為地下水情況，P 為考慮圍巖破壞程度和灌漿材料滲透性能所需的附加深度。

固結(jié)灌漿深度的確定還需要考慮隧洞運(yùn)行期間的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。由于地下水的作用，圍巖會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的侵蝕和軟化，因此設(shè)計(jì)的固結(jié)灌漿深度應(yīng)具有一定的安全裕量，以應(yīng)對(duì)不確定因素[4]。

2.2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在實(shí)際工程中，固結(jié)灌漿深度的計(jì)算依據(jù)以下步驟進(jìn)行：一是收集隧洞地質(zhì)勘察資料，了解圍巖的巖性、裂隙發(fā)育情況、地下水水位等信息；二是根據(jù)灌漿試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定灌漿材料的滲透性能、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)；三是結(jié)合隧洞開挖的實(shí)際情況，評(píng)估圍巖的破壞程度和灌漿需求。

固結(jié)灌漿深度的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合考慮多種因素。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以確保灌漿效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制灌漿質(zhì)量，監(jiān)測(cè)圍巖變化情況，及時(shí)調(diào)整施工方案，確保隧洞施工安全。

2.3固結(jié)灌漿材料選擇

在隧洞固結(jié)灌漿施工中，灌漿材料的選擇至關(guān)重要。水泥單液漿是灌漿中最常用的灌漿材料之一，其具有成本低、強(qiáng)度高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。為提高灌漿的耐久性，本工程主要采用灌注水泥單液漿的方式。同時(shí)在水泥漿液中加入適量的水玻璃作為促凝劑，以加速水泥漿液的凝結(jié)速度、提高灌漿效率、增強(qiáng)抗?jié)B性能[5]。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，水泥－水玻璃單液漿的水玻璃摻量一般為水泥質(zhì)量的 4% 。對(duì)于特殊地質(zhì)條件或施工要求，可使用雙液漿等高性能灌漿材料，其凝結(jié)速度快、抗?jié)B性能強(qiáng)，能夠迅速封堵涌水通道。本工程確定的灌漿材料性能參如表1所示。

根據(jù)隧洞圍巖的巖性、裂隙發(fā)育程度、涌水量等地質(zhì)條件，選擇合適的灌漿材料。對(duì)于裂隙發(fā)育、涌水量大的地層，應(yīng)優(yōu)先考慮使用水泥-水玻璃雙液漿。根據(jù)灌漿的設(shè)計(jì)要求，如深度、防滲性能等，選擇合適的灌漿材料。對(duì)于要求較高的灌漿，應(yīng)優(yōu)先考慮使用性能更優(yōu)的灌漿材料。根據(jù)施工條件，如施工設(shè)備、施工環(huán)境等，選擇合適的灌漿材料。對(duì)于施工條件較差的隧洞，應(yīng)優(yōu)先考慮使用施工方便、性能穩(wěn)定的灌漿材料。

2.4灌漿孔參數(shù)確定與布置

2.4.1 確定參數(shù)

漿液擴(kuò)散半徑是確定灌漿孔間距的重要依據(jù)。灌漿孔的布置受灌漿壓力、灌漿材料性能、圍巖裂隙寬度及分布狀態(tài)等多種因素的影響。在本工程中，灌漿的主要目的是防止二期擴(kuò)挖過(guò)程中出現(xiàn)突然涌水，確保施工安全和進(jìn)度，因此對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的確定采取較為保守的策略。

結(jié)合該工程的地質(zhì)條件和施工要求，將漿液擴(kuò)散半徑定為 4.0m 。灌槳孔間距的確定，參考灌漿孔的孔距與漿液擴(kuò)散半徑的經(jīng)驗(yàn)公式，該表達(dá)式如下：

H=（1.3-1.5）R

式中： H 為灌漿孔間距， R 為漿液擴(kuò)散半徑。根據(jù) 該工程漿液擴(kuò)散半徑為 4.0m ，將其代入計(jì)算，得出灌漿 孔間距為 5.2～6.0m 0

2.4.2布置方式

鉆孔采用相鄰排交錯(cuò)布置的方式，以確保漿液能夠充分?jǐn)U散并覆蓋整個(gè)灌漿區(qū)域[6。同時(shí)，這種布置方式還有利于提高灌漿效率，減少施工時(shí)間和成本。灌漿孔布置示意如圖1所示。

圖1灌漿孔布置示意

由圖1可知，每個(gè)灌漿單元鉆孔按兩排布置，每排6個(gè)鉆孔。相鄰排的鉆孔交錯(cuò)布置，即上一排的鉆孔位置與下一排的鉆孔位置相互錯(cuò)開。鉆孔的傾角和方向，需根據(jù)圍巖裂隙的發(fā)育情況和灌漿要求進(jìn)行調(diào)整，以確保漿液能夠沿著裂隙方向充分?jǐn)U散。

表1本工程灌漿材料性能參數(shù)

2.5 清洗與灌漿

2.5.1 清洗

為了確保灌漿作業(yè)的質(zhì)量，灌漿前必須對(duì)灌槳孔進(jìn)行嚴(yán)格的清洗。清洗時(shí)無(wú)需安裝灌漿塞封閉孔口，而是直接將大流量壓力水通過(guò)導(dǎo)管注入孔底，利用水流從孔底向孔口的沖刷作用，有效清除孔內(nèi)及裂縫中的雜質(zhì)。

為確保清洗效果，設(shè)定1MPa的清洗壓力。清洗以孔口返水清澈為標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)孔的沖洗時(shí)長(zhǎng)需控制在15min以內(nèi)。清洗完畢后，應(yīng)立即安裝孔口管，并在24h內(nèi)完成灌漿作業(yè)，以防孔壁坍塌和雜質(zhì)再次進(jìn)入。

2.5.2 灌漿

為提升灌漿質(zhì)量，灌漿所用的漿液均在洞口外的制漿站進(jìn)行統(tǒng)一制備。采用 32mm 高壓膠管，并借助SNS130/20型灌漿泵，將泥漿輸送至洞內(nèi)的灌漿點(diǎn)。灌漿設(shè)備選用JK-800型高壓灌漿機(jī)或SNS130/20型柱塞式灌漿泵。為確保灌漿結(jié)果的準(zhǔn)確性和可追溯性，采用先進(jìn)的灌漿記錄儀進(jìn)行記錄。

在灌漿過(guò)程中，需根據(jù)孔口安裝的壓力表實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)灌漿壓力。灌漿壓力應(yīng)根據(jù)地表層和深部的水頭壓力進(jìn)行調(diào)整，地表層的灌漿壓力不宜小于1.0～1.5倍水頭，深部則為2.0～3.0倍水頭。通過(guò)精確控制灌漿壓力，可以確保漿液在裂隙中的充分?jǐn)U散和固化，形成致密的結(jié)構(gòu)。灌漿壓力的大小直接影響到灌漿效果和的防水性能。灌漿壓力的計(jì)算公式如下：

P=kh

式中： P 為灌槳壓力， k 為壓力系數(shù)，h為水頭高度。

在實(shí)際施工中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、水頭和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的壓力系數(shù)，并計(jì)算出合理的灌漿壓力。同時(shí)，還需根據(jù)施工過(guò)程中的實(shí)際情況，對(duì)灌漿壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確保固結(jié)灌漿的施工質(zhì)量。

3涌水處理

在隧洞固結(jié)灌漿鉆孔作業(yè)中，涌水事件時(shí)有發(fā)生。針對(duì)不同類型的涌水情況，采取不同的處理方法。對(duì)于大規(guī)模涌水事件，若涌水總量大于 100m³"，需使用氣壓式止水塞等進(jìn)行緊急封堵，以避免發(fā)生事故。同時(shí)，根據(jù)涌水情況選擇合適的灌漿材料和灌漿方法，如采用濃漿、雙液漿等高性能灌漿材料進(jìn)行灌漿，通過(guò)間歇灌漿等方式控制涌水。

通過(guò)采取有效的涌水處理措施，控制所有涌水事件，可確保隧洞固結(jié)灌漿施工的順利進(jìn)行。該工程對(duì)大規(guī)模涌水的處理方案如表2所示。對(duì)涌水量不大的鉆孔，以單注水泥漿為主，可根據(jù)灌漿速度靈活調(diào)整漿液濃度和加入適量的促凝劑。通過(guò)采取上述靈活的灌漿施工方法和有效的涌水處理措施，確保了隧洞固結(jié)灌漿施工的質(zhì)量和安全。

表2大規(guī)模涌水處理方案

4結(jié)束語(yǔ)

固結(jié)灌漿技術(shù)憑借其獨(dú)特的原理及顯著的優(yōu)點(diǎn)，在隧洞加固工程中占據(jù)了重要地位。通過(guò)優(yōu)化鉆孔作業(yè)、水泥漿制備、灌漿工藝以及質(zhì)量檢測(cè)等核心技術(shù)，可有效提升隧洞工程的整體穩(wěn)定性和承載能力，為水利工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。

固結(jié)灌漿技術(shù)需緊密結(jié)合具體的施工環(huán)境和地質(zhì)條件科學(xué)、合理的實(shí)施。在面對(duì)斷層、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，需特別關(guān)注灌漿材料的選擇與灌漿工藝的優(yōu)化，以確保施工質(zhì)量和施工安全。隨著科技的不斷進(jìn)步和工程實(shí)踐的持續(xù)積累，固結(jié)灌槳技術(shù)將不斷得到完善與創(chuàng)新，為水利工程領(lǐng)域提供更加先進(jìn)、可靠的施工方案。

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