高水头薄衬砌压力管道高压固结灌浆试验研究

英鹏涛

摘 要：惠州抽水蓄能电站设计静水头615m，高压洞段最大内水压力7.20MPa。为了保证隧洞在高压水头的作用下能够安全运行，验证及优化设计所采用的各种灌浆参数，寻求在60cm厚衬砌砼高压固结灌浆合理可行的施工方法及施工工艺，进行的高压灌浆模拟试验，同时为类似工程高压固结灌浆积累了经验。

关键词：高水头 薄衬砌 高压固结灌浆

1.概况

惠州抽水蓄能电站位于广东省惠州市博罗县城郊，电站装机容量2400MW，分A、B两厂布置，枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群及地面开关站等建筑物组成。

高压固结灌浆试验洞段选在A厂尾水隧洞，桩号为AW1+000～AW1+080，全洞段均采用C25钢筋砼衬砌，混凝土衬砌设计厚度为60cm。在该部位有F1056断层：断层宽1.0m～1.2m，断层带为构造角砾岩、糜棱岩，夹较多石英脉，部分胶结好，大部分较差，断层有顺倾向擦痕，两侧影响带呈裂隙密集，裂隙多呈微张，断层带潮湿和滴水。

2.高压固结灌浆试验目的

①验证在薄衬砌（60cm砼）洞段进行全孔不分段高压固结灌浆的可行性；②验证灌浆压力与注入量变化的关系，确定合理的灌浆压力；③确定适宜的高压固结灌浆施工方法和工艺等。

3.灌浆设备

（1）钻孔和供风设备：声波测试孔，采用200型地质钻机。固结灌浆孔、检查孔和抬动变形观测孔则采用气腿式手风钻。供风设备采用4m3移动式压风机供风。

（2）灌浆设备：SGB9-12灌浆泵，最大设计压力为12MPa，排量为9m3/ h。TTB120-20灌浆泵：最大设计灌浆压力为20MPa，排量为7.2m3/h。两种设备都能满足7.5MPa灌浆要求，从灌注过程来看SGB9—12灌浆泵整体性能更为稳定。

（3）其他设备：压力表最大量程为16MPa，阀门采用耐蚀的高压灌浆阀门，高压灌浆管采用设计压力为27.6MPa的高压油管，灌浆塞采用有良好膨胀和耐压性能的高压机械塞。

4.灌浆试验施工

4.1灌浆试验区段划分及试验程序

高压固结灌浆试验段洞长为80m，分为六个区间进行灌浆试验。灌浆孔排距为3m，每排10孔分布，梅花型布置，孔深为入岩5.0m。灌浆试验分区进行，其中B1区、D区采用分段高压固结灌浆试验，A区、B2区、C区、E区进行全孔一次性高压固结灌浆试验。灌浆试验区段划分如下，分项名称和相应的试验区间：①5MPa，分序不分段灌浆试验，E区；②7.5MPa，不分序不分段灌浆试验，A区；③7.5MPa，分序不分段灌浆试验，B2、C区；④7.5MPa，分序分段灌浆试验；B1、D区。

灌浆试验段各个区间试验程序：灌前声波测试—测量放样—抬动观测安装—钻孔、冲洗、压水、灌浆—封孔—灌后声波测试—检查孔压水试验。

4.2 灌前声波测试及压水试验

每个灌浆试验区间内均布置灌前声波测试孔，在灌浆试验开始前、后进行声波测试，对比灌前、灌后岩体波速的变化，从而分析灌浆效果。

压水试验采用简易压水试验，压力为1MPa，在稳定的压力下每3min测读一次压入流量，连续读取四次相对稳定的读数后即可结束压水，其成果以透水率Lu表示。

4.3观测工作

①在高压灌浆前对试验洞段砼裂缝进行检测统计，在灌浆过程中随时监测裂缝变化情况，以及新增的砼裂缝；②在每个灌浆区内安装收敛计监测砼变形情况，最终检测每个试验区砼抬动情况；③在灌浆试验区安装自动报警装置，随时监测灌浆试验区抬动变形及砼变形情况，避免高压灌浆对衬砌混凝土造成破坏。

4.4 灌浆方式

灌浆方式采用孔口循环式（高压机械塞卡塞）进行灌注。A区采用逐排灌注方法进行施工，其余灌区采用环内分序进行施工，环内自底孔灌至顶孔。

4.5 灌浆压力及其控制

（1）分段（B1、D区）高压固结灌浆压力控制。第一段（接触段）采用4.5MPa。开灌后孔内注入率不超过15L/min的孔段采用一次升压法使灌浆压力尽快达到设计压力，注入率大于15L/min的孔段保持压力不变，或升压幅度根据实际注入率确定。在灌浆过程中当注入率大于15L/min时，尽量采取低压、浓浆、限流等方法进行灌注。第二段灌浆目标压力为7.5MPa。采用分级升压法灌注，严格控制升压速度，当注入率小于10L/min后，开始逐级逐步升压（4.5—5.5～6.5—7.5），升压速率控制在0.5MPa/min左右，最终达到目标压力，在注入率小于2.5L/ min后稳压20min，结束灌浆。在升压的同时应加强观测，当抬动变形观测值接近或超过0.2mm时（抬动变形自动报警装置值上限设为0.2mm），立即降压施灌。

（2）不分段（A、B2、C和E区）高压固结灌浆施工。目标压力为5.0～7.5MPa，亦采用分级升压法灌注，压力控制依照上述B1、D区第二段灌浆压力控制原则。

4.6水灰比

灌浆水灰比选用3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1（重量比）五个比级水灰比灌注，开灌水灰比根据灌前压水情况确定。当灌前压水试验透水率q≤30Lu时，采用水灰比3：1的浆液开灌；当灌前压水试验透水率q>30Lu时，采用水灰比1：1的浆液灌注。

4.7浆液变换原则

①在灌浆过程中，当灌浆压力保持不变，吸浆量均匀减少时，或当吸浆量不变，压力均匀升高时，不得改变水灰比。②当某一级水灰比浆液的灌入量已达到300L以上，或灌注时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，改浓一级灌注。

4.8封孔

灌浆孔达到设计压力，注入率不大于2.5L/min，稳压20min后，将灌注浆液置换为0.6：1的浓浆，采用目标压力继续灌注（10min）进行压力灌浆封孔。endprint

5.试验成果分析5.1压水成果分析

（1）在相同围岩类别（Ⅱ类围岩），相同灌浆压力（7.5MPa），不同灌浆方法（A区逐排灌注与C区环内分序），逐排灌注A区的平均透水率为1.70Lu，环内分序C区的平均透水率为1.22Lu，说明环内分序的灌浆效果比逐排灌注的效果稍好。

（2）在相同围岩类别（Ⅱ类围岩），相同灌浆方法（环内分序），不同灌浆压力（E区5MPa与C区7.5MPa），E区平均透水率为1.71Lu，C区平均透水率为1.22Lu，灌浆压力较大的C区的灌浆效果比E区的灌浆效果要稍好。

5.2 灌浆试验成果分析

本次高压固结灌浆试验共计310个灌浆孔，灌浆工程量为1251m，平均单耗为25.28kg/m。灌浆共365段，其中单耗小于5kg/m有199段，单耗在5～20kg/m有115段，单耗在20～50kg/m有22段，大于50kg/m有39段，通过资料分析得出如下结论：

①每个区间随着灌浆次序的增加，平均注入量随着灌浆次序的增加而减少，平均单耗下降41.5%，最大下降85%（B区），灌浆效果较好。②在相同围岩类别，相同灌浆方法情况下，中低压灌浆试验中2.5MPa试验区的平均耗灰量为11.6kg/m，3.5MPa试验区的平均耗灰量为12.07kg/m，5MPa试验区的平均耗灰量为12.66kg/m，7.5MPa试验区的平均耗灰量为15.28kg/m。在相同围岩类别，相同灌浆方法情况下，试验段的岩体中，灌入量随着压力的增大而增加。③在相同围岩类别（Ⅱ类围岩）相同灌浆压力（7.5MPa）不同灌浆方法（A区逐排灌注与C区环内分序），逐排灌注A区的平均耗灰量为15.28kg/m，环内分序C区的平均耗灰量为20.04kg/m，环内分序的灌浆效果比逐排灌注的效果稍好，另外逐排灌注的试验段在灌浆过程中发生串浆现象比环内分序多。

5.3 灌前灌后声波测试成果

在每个试验区都布置了1组声波测试孔，进行组内跨孔声波测试。

跨孔声波测试结果：每组灌后声波波速均有不同程度的提高，灌前各个试验区岩体平均波速为4773.5m/s（除去砼段），灌后各个试验区平均波速为4877.7m/s，平均提高2.18%，其中灌前波速较低的测点灌后波速有一定的提高。波速提高主要集中在砼与岩石接触段（爆破松动圈）和遇裂隙、以及D区断层处，表明灌浆效果较好。

5.4 检查孔压水成果及分析

高压固结灌浆压水试验布置了18个检查孔，透水率全部小于1Lu，灌浆效果较好。

6.结论与建议

①灌浆试验所采用的施工设备和材料能满足7.5MPa高压灌浆的要求，高压固结灌浆试验的整套施工工艺是可行的。②不同灌浆压力的灌浆规律，随着压力的升高，吸浆量也有所增加，但是增加的速率不大。③60cm的衬砌厚度采用合理的施工工艺能承受7.5MPa的水泥灌浆压力。④通过高压力的灌注，开始闭浆后，闭浆时间长短对于灌注的效果没有明显的影响，建议高压灌浆的闭浆时间为5～10min。endprint