超大涌水地层压浆式膜袋封堵灌浆施工技术研究

2010-09-04蔡海燕刘贵军

铁道建筑 2010年6期

关键词：锦屏涌水量压浆

蔡海燕，刘贵军

(中国水利水电第七工程局成水公司，成都 611730)

超大涌水地层压浆式膜袋封堵灌浆施工技术研究

蔡海燕，刘贵军

(中国水利水电第七工程局成水公司，成都 611730)

以埋深1 500～2 525 m、最大主应力值54 MPa、超大流量和超高压地下涌水的锦屏二级电站隧洞工程为背景，对膜袋封堵灌浆施工技术进行研究。综合运用灌浆理论与隧洞工程技术并在借鉴以往经验的基础上，分析了锦屏隧洞初始压力约为1 MPa及约400 L/s涌水量的具体情况，提出了压浆式膜袋注浆原理、堵水方案及其施工方法和工艺。实践表明，采用压浆式膜袋封堵灌浆技术灌浆7 d后堵水率可达97.5%，且可大幅度降低相邻隧洞和其他洞段的涌水量，能有效解决超大流量超高压条件下堵水难题。

隧洞工程灌浆施工压浆式膜袋封堵超大流量

锦屏二级水电站共修建4条直径为13 m的引水隧洞、1条排水洞、2条辅助交通隧洞和多条检修及联络辅助性隧洞，其中还须开挖特大断面的地下厂房和TBM组装洞室，是规模庞大的地下洞群建筑。引水隧洞群为包括穿越锦屏山主峰山体、埋深达1 500～2 525 m，隧洞洞线高程的最大主应力值达54 MPa，条件非常恶劣。设计与施工中必须解决的难题众多，其中隧洞超大量涌水严重影响施工安全、质量与进度即为难题之一。依据锦屏二级水电站前期A、B辅助洞推测，4条引水隧洞最大涌水流量为20 m3/s，单点流量最大为5～7 m3/s，单条引水隧洞最大流量8 m3/s，最大单点涌水压力达7 MPa，涌水(含涌泥)点总数达2 000个。隧洞内地下水具有涌水量大、出水点多及压力大等特点，加上较为特殊的大埋深、高地应力等地质条件影响，如果出现涌水，很可能对人员、设备乃至整个隧洞群造成灾难性后果，最起码会严重影响施工质量和进度。如2007年8月5日凌晨1时许宜万铁路野三关隧道发生事故，30 t的装载机被冲走80 m，50 t的喷浆台车被冲走50 m。因此，锦屏工程施工中超大流量及高压条件下堵水技术研究已经刻不容缓。

为此，必须结合锦屏工程的实际，对地下水灌浆封堵技术进行一系列研究，为现场施工提供可靠依据，减少施工的盲目性，避免施工事故发生，从而保证工程安全、快速、顺利进行。

1 隧洞涌水实际情况分析

锦屏工程堵水灌浆包括所有隧洞，在此仅对2#引水隧洞进行分析，其他不作赘述。

2008年3月25日，2#引水隧洞上断面位于桩号引(2)15+194掌子面有7个较大地下涌水量排水孔，主要从掌子面的几条大裂隙交汇处涌出。另外，在掌子面底部，有一股由下而上且压力约为1 MPa喷出涌水。掌子面初始涌水流量约400 L/s，7 d后涌水流量减至84 L/s，其掌子面出水点分布见图1。

图1 引(2)15+194断面出水点分布

由东向西即由下游至上游方向，沿隧洞轴线方向按公里桩号所处位置的水位及水压进行对比，发现随着向上游方向掘进，水位及水压逐渐升高，到隧洞中部后达到最大，见图2。由此可见，尽管目前仅为施工前期，地下涌水就已经成为必须解决的问题，当隧洞掘进到里程一半或到埋深最大地段时，地下涌水量将更大，水压将更高，会严重影响施工安全与进度。

图2 2#引水隧洞轴线桩号与地下水位对比

2 封堵技术方案分析

依据灌浆理论和隧洞工程技术，结合锦屏二级水电站引水隧洞的地质与施工条件，目前涌水以及即将出现更大涌水且超高水压的实际情况，综合运用灌浆理论并在借鉴以往经验的基础上，提出膜袋封堵灌浆施工技术，以此解决涌水压力高、流速快且施工难度大的高难堵水灌浆施工难题。

2.1 膜袋注浆原理

由于涌水量超大且水压超高，按以往技术和经验进行灌浆会因水泥砂浆不能及时凝固被大流量、高水压涌水冲散，显然不能达到施工质量要求，甚至彻底失败。为此，针对引水隧洞涌水压力高，流速快，施工难度大等特点，选择压浆式膜袋封堵灌浆施工:首先，对地质条件较破碎且大涌水点部位采用多臂钻钻孔;其次，对膜袋外管浅层封堵灌浆，通过膜袋外管进浆并同时内管通水作业;最后，对膜袋内管深层封堵灌浆，即通过膜袋内管进浆和外管屏浆。由此，可有效地解决大涌点的水压高、流速快及封堵灌浆难等问题，压浆式膜袋结构及其封堵灌浆原理见图3。

图3 压浆式膜袋封堵灌浆原理

2.2 膜袋注浆作用

1)压浆式膜袋能代替高压涌水的孔口管安装，可成功解决高压大涌水的灌浆阻塞问题。

2)压浆式膜袋堵漏工艺为洞挖超前灌浆施工提供了技术支持空间，能大大减少超前灌浆工程量，为洞挖节约成本，比超前灌浆施工时间缩短60%左右。

3)压浆式膜袋可根据涌水孔孔径及漏失地层空腔大小，进行现场制作，从而有效对围岩漏失地层及围岩涌水孔进行封堵灌浆，可消除诸如采用化学灌浆对环境的有害影响。

4)按实际涌水孔及漏失地层的具体情况，膜袋可设置成内管和外管，以便有针对性地进行浅层封堵灌浆和深层封堵灌浆。

3 堵水施工及效果分析

按压浆式膜袋封堵灌浆施工原理，结合锦屏工程地下涌水实际情况，对施工工艺及施工效果进行分析。

3.1 施工工艺

鉴于引水隧洞埋深大、岩爆较为频繁以及地质条件较为复杂，施工中容易造成孔壁垮塌且涌水压高等情况，故采用常规钻孔灌浆堵漏施工难度较大。为此，采用多臂钻钻孔、压浆式膜袋封堵灌浆以及双液法灌浆等技术，其工艺流程见图4。

图4 压浆式膜袋封堵灌浆工艺流程

1)布孔方式当涌水点为裂隙时，按裂隙结构面的走向及产状布置封堵灌浆孔，使钻孔与裂隙在不同深度斜向相交。待裂隙面流水被钻孔分流后，沿裂隙面凿一些深槽，用快速堵漏剂和膜袋进行封堵。当出水点为涌水孔时，则以出水点为中心，半径分别为1 m和2 m进行圆形布孔，孔距和孔数按现场各出水点的情况确定。

2)造孔及其参数采用353E型三臂凿岩台车钻孔，堵水灌浆钻孔参数列于表1。

表1 堵水灌浆钻孔参数

3)膜袋埋设由于涌水孔及漏失孔孔径形状不规则，采用膜袋灌浆封堵时，充填灌液后的膜袋直径要远大于涌水孔孔径，采用土工布或化纤布材料缝制成直径不等的膜袋，以便适用不同孔径的涌水孔，膜袋埋设见图5。

4)灌浆材料用于堵水灌浆水泥强度等级采用PO.42.5普通硅酸盐水泥、化学控制液。灌浆水灰比拟采用 1∶1、0.8∶1、0.5∶1三个比级，开灌水灰比采用 1∶1，浆液浓度由稀到浓逐级变化，并形成可控灌浆。

5)堵水灌浆压力按比渗水压力大1.5 MPa的原则执行或为渗水压力的2～3倍。在堵水灌浆实施过程中，化学控制液泵最高压力10 MPa，灌浆记录仪最高压力9 MPa，顶拱及掌子面的岩层无抬动现象。

图5 压浆后的膜袋

表2 堵水灌浆相关参数统计 MPa

6)灌浆施工先封堵涌水量较小的孔，再封堵涌水量较大的孔;先进行浅层(孔深3～4 m)封堵灌浆，后进行深层(孔深＞4 m)封堵灌浆。灌浆相关参数见表2。

3.2 堵水效果分析

对于采用压浆式膜袋封堵灌浆施工的效果，主要从单条隧洞以及相邻隧洞整体涌水量处理前后对比进行分析。从单个隧洞看，初始涌水量400 L/s，灌浆7 d后减少到10 L/s，堵水率为97.5%，完全达到了预期的堵水效果，从而改善了隧洞开挖及支护施工作业条件，保证了整个施工的安全。另外一方面，2#引水隧洞灌浆堵水后，辅助洞和1#、3#、4#引水隧洞相应洞段的涌水量也大幅度减少，说明2#引水隧洞的灌浆能够截断富水带的部分裂隙通道。