科卡科多水电站引水隧洞灌浆加固方法

2014-03-15

中国水能及电气化 2014年12期

(辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166)

1 概述

厄瓜多尔科卡科多水电站总装机容量1500MW，引水隧洞全长24.83km，设计引水流量222m3/s，设计内径8.2m，采用全衬砌结构形式，用2台双护盾掘进机(TBM)开挖，并辅以钻爆法施工。

科卡科多水电站工程区域内由于构造运动剧烈，断层较发育，岩性以坚硬性脆的火山岩和侵入岩为主，易产生地应力集中，发生变形、崩解、岩爆等破坏现象。2014年1月TBM1掘进至隧洞桩号2+201.57时发生卡机故障，从现场打开TBM伸缩盾后揭露的围岩情况来分析，卡机的原因主要是受一条宽20cm和一条宽10cm的断层影响，断层位于隧洞的右侧，与掘进方向交角约60°。断层影响带围岩为强风化型侏罗系—白垩系Misahualli地层(J-Km)的安山岩、玄武岩，夹泥，破碎，为Ⅳ～Ⅴ类围岩，极易塌方、掉块、卸荷。为了使TBM脱困和脱困后能顺利掘进并通过断层破碎带，必须对输水隧洞洞顶断层破碎带进行灌浆加固处理。

2 灌浆加固方法

2.1 辅助作业洞

因为双护盾TBM发生了卡机故障，从TBM护盾内部无法清理压在护盾上的岩石，因此要开挖辅助作业洞到TBM开挖掌子面前方进行护盾上方岩层加固，清理压在护盾上的岩石，同时对掌子面前方的断层影响带内的岩石进行灌浆加固处理，以便于TBM能顺利掘进通过断层影响带。具体方法是在掘进方向右侧盾尾后第10环管片上开挖排水洞M2(见图1)，从第10环管片向刀盘方向用钻爆法开挖，开挖断面2m×2.5m，开挖时先打3～6m深的超前孔，用于试探涌水点，在涌水点附近停止开挖。在涌水点附近采用地质钻机钻孔排水，共布置两个深20m的钻孔：一个钻孔垂直顶拱，用于排除上方围岩内的水，达到降低水压力的目的；另一个钻孔与输水洞轴线成60°交角，用于排除断层破碎带内的水，以方便M1辅助作业洞的开挖和围岩加固作业。

图1 灌浆加固区平面

在掘进方向左侧盾尾后第8环管片上开作业洞M1(见图1)，从第8环管片向刀盘方向用钻爆法开挖，开挖断面1.8m×2m，在刀盘附近分成M1-A 和M1-B两个支洞，用于处理刀盘到盾尾段塌方和断层破碎带加固灌浆作业。

2.2 灌浆加固区范围

由图1可知，TBM掌子面前方引水隧洞桩号2+170.929～2+197.68共26.7m长的洞段在断层影响带内(M1-B支洞上游面10m、下游面9m，M1-A支洞上游面约8m)，为保证TBM脱困后能顺利掘进通过断层破碎带，对引水隧洞桩号2+170.929～2+197.68之间的洞段上半部围岩进行灌浆加固。为使隧洞开挖后能形成稳定的拱圈支撑，灌浆加固区宽度要超过引水隧洞的开挖宽度(8.2m)，故洞轴线两侧灌浆加固区各宽7.55m，灌浆加固区总宽度为15.1m。

2.3 浆液的选择

目前常用的无机粉状浆液材料有黏土浆、水泥浆、水泥黏土浆、水泥粉煤灰浆等，化学浆液材料有硅酸钠、环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺及聚氨酯等。黏土浆、水泥黏土浆因为强度较低一般只用于地层防渗处理，水泥粉煤灰浆因强度发展慢一般用于帷幕灌浆和地基加固处理。普通水泥浆液价格低，市场供应充足，是优选的围岩加固用灌浆材料，但对于断层破碎带内的碎裂岩和断层泥而言其对微细裂缝的可灌性较差[1]，不能注入0.2mm以下的裂隙中；采用超细水泥浆可解决可灌性问题，其水泥颗粒粒径约为4～10μm，可渗入渗透系数为10-4cm/s的粉细砂岩中[2]，可灌性接近化学浆材。但水泥浆还存在易析水回浓、硬化时伴有析水而体积收缩的问题，从而使硬化结石与被灌基体的黏结强度降低，形成新的渗水通道，单独使用超细水泥灌浆达不到该工程要求的固结强度要求。化学灌浆对微细裂缝的可灌性良好，能可靠充填断层破碎带的微细裂隙[1]，但化学灌浆成本高，现场施工管理要求较高，单独使用化学灌浆将大幅度提高工程成本。YDS-40高渗透环氧化学灌浆材料相对于其他化学灌浆材料具有低黏度时间长、有利于渗入岩石缝隙内部、与火成岩结合性好，固结后力学强度高(抗压强度达70～90MPa、抗拉强度达8～14MPa、抗剪强度达35～56MPa)、排水性好、无毒不污染环境、灌浆渗透能力特强(可达10-8cm/s[2])、耐久性优良等优点。采用GU超细水泥浆和YDS-40型高渗透环氧化学灌浆材料进行复合灌浆，先把超细水泥浆压入断层破碎带中，通过充填和固结作用，形成承载骨架，再通过化学浆液的长时间浸润、渗透，进一步充填更小的缝隙，使结石体更加致密，极大地提高了断层破碎带内岩石的力学指标。

2.4 施工方法

2.4.1 孔位布置

TBM掌子面前方断层影响带长达26.7m，考虑到工期要求较紧，TBM应尽快脱困并通过断层影响带，开挖M1-A和M1-B两个作业支洞可增加作业面，减少钻孔深度。灌浆孔布置在M1-B支洞上下游面边墙、M1-A支洞上游面边墙。灌浆孔孔距1.5m，排距1.0m，针对火成岩破碎且裂隙多的特点，水泥灌浆分两个次序施工，分序加密法工艺简单，对岩石条件适应性强，有包围和挤压作用，可获得良好的灌浆效果，使后继的化学灌浆可不分序施工。为节省化学灌浆成本，如果水泥灌浆的第二序孔灌浆时浆液单耗大于45kg/m，则在该孔两侧0.75m位置布置2个加密孔进行灌浆，直到浆液单耗小于45kg/m为止，然后进行化学灌浆，如果化学灌浆孔灌前压水试验时透水率大于2Lu，则该孔段应先进行水泥灌浆。灌浆施工后可在引水隧洞顶部形成一个稳定的岩拱，使TBM开挖时不会发生塌方等事故。水泥灌浆共布置9排96个灌浆孔，孔深8～10m，总长约854m。化学灌浆共布置6排60个灌浆孔，孔深8～10m，总长约534m。灌浆孔位布置如图2所示。

图2 灌浆孔位布置

2.4.2 钻孔

考虑到辅助作业洞内空间有限，而且TBM上电力供应充足，因此采用KHYD110A(或125A)型电动岩石钻钻孔，孔径42～50mm，开孔孔径50mm。钻孔后可采用大流量水进行冲洗，冲洗至回水清净为止。具体钻孔孔段应根据现场实际情况，选择水洗、风洗、风水联合冲洗等不同的冲洗方式以及不冲洗方式。

灌浆孔的裂隙冲洗结合压水试验进行，第一段(0～5m)压水压力取0.3MPa，其他孔段压水试验压力1.0MPa，每隔2min记录一次流量，压水时间不小于10min。

2.4.3 水泥灌浆

2.4.3.1 水泥灌浆压力、方法

灌浆孔浅时易跑浆、串浆，可采用较小的灌浆压力，灌浆孔深时为保证灌浆效果可采用较大的灌浆压力，具体的灌浆压力和方法应现场试验后确定。根据现场试验结果最终确定水泥灌浆，方法如下：

孔深0～5m灌浆压力为0.5～1.0MPa，孔深5～10m灌浆压力为0.8～1.5MPa，孔深10～15m灌浆压力为1.5～2.0MPa。灌浆压力控制与注入率的关系见下表，并根据现场施工压力和注入率变化情况适当调整。

水泥灌浆压力控制表

灌浆压力(MPa)1～22～3>3注入率(L/min)>3030～2010～20

水泥灌浆浆液水灰比根据水工建筑物水泥灌浆施工技术规范规定[3]，一般采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四个级别，灌浆起始水灰比为2∶1。为保证浆液能进入细小的岩石缝隙内部，浆液浓度应由稀变浓，逐级变换。浆液变换按以下标准执行：当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比；当某一比级浆液的注入量已达300L以上或灌注时间已达1h而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级；当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。

2.4.3.2 水泥灌浆结束标准

根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》的规定[3]，水泥灌浆段在最大设计压力下，当注入率不大于1L/(min·m)时，继续灌注30min，即可结束。

2.4.4 化学灌浆

2.4.4.1 化学灌浆压力、方法

化学灌浆压力一般小于水泥灌浆压力，为0.5～0.8MPa，灌浆压力应根据压力与注浆量的变化作适当调整，化学灌浆浆液配制应有专用配浆、冷却、称量设备。并有专职配浆人员在现场，根据所选材料规定的比例(甲、乙两组分)配制。事先在称、计量容器内画好刻度。按标签指定的比例分别用各自的量具量取两个组分，置甲组分于混合容器内，用水浴对其冷却，在缓缓搅动甲组分时，将乙组分徐徐倾入，直至加毕。过程中不时测量混合物的温度，以加入乙组分的速度快慢来控制混合物温度，使其不超过35℃。为减少浪费每次配浆不超过15L。量取甲、乙组分的量具应区别专用，严禁混用；为减少甲、乙组分的量度误差，甲组分的量具最大容积应是乙组分量具最大容积的4～10倍。量乙组分的量具可用清水洗净、晾干备用；其他容器、工具可用棉纱团蘸丙酮(易燃物)擦拭，也可用其他溶剂擦拭。

根据《水工建筑物化学灌浆施工技术规范》的规定[4]，在正常灌浆过程中由化学灌浆泵自动逐步升压，直到灌至设计压力及灌注结束标准。在升压过程中若q>0.2L/(min·m)，则降压保持q=0.2L/(min·m)灌注；若注入率q递减较快，q<0.1L/(min·m)时，则以最大控制压力灌注，持续到灌注结束。在升压过程中，若注入率有突增现象时应立即降低灌浆压力。

2.4.4.2 化学灌浆的结束标准

根据《水工建筑物化学灌浆施工技术规范》的规定[4]，在最大设计压力下，灌浆孔段不吸浆或吸浆量小于0.01～0.05L/(min·m)时，继续灌注30min后结束。