隧洞固结灌浆试验及效果评价

李冠楠（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西 西安 710061）

隧洞固结灌浆试验及效果评价

李冠楠
（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西 西安 710061）

水工过水隧洞开挖完成之后，需进行混凝土衬砌及回填灌浆，再通过固结灌浆将被裂隙切割的岩石胶结起来，以提高围岩的整体性及强度。文章以敦化抽水蓄能电站导流洞（兼泄洪放空洞）为对象，通过两次现场试验，并对两次试验效果进行了分析评价，总结出适合该工程实际的施工工艺、灌浆压力等施工参数。

水工隧洞；固结灌浆；现场试验

1 工程概况

敦化抽水蓄能电站工程在右岸山体内布置导流洞（兼泄洪放空洞），洞室断面尺寸为3.5 m×5 m（宽×高），城门洞型。

全部有压段及部分无压段，采用C30W6F300混凝土进行衬砌，有压段泄0+020~泄0+154.5，衬砌混凝土厚度为50 cm，无压段自泄0+206.5进行衬砌，泄0+206.5~泄0+336.5衬砌混凝土厚度为50 cm，泄0+336.5~泄0+356.50衬砌凝土厚度为1 m。全部有压洞段及部分无压段（泄0+296.5~0+ 356.500）进行填及固结灌浆，固结灌浆在回填灌浆完成且检查合格之后进行，通过现场生产性试验最终确定隧洞固结灌浆参数。

2 试验区位置、目的及检查标准

2.1 试验区位置

按照灌浆试验的地点应具有代表性，地质条件复杂的工程应布置多个试区，进行多次试验的原则[1]。先期在隧洞出口段Ⅳ类围岩区进行试验，试验段桩号为泄0+326.5~泄0+336.5，排号为8~ 11，灌浆孔排距、孔距按设计要求布置，为避免钻孔对衬砌钢筋的破坏，隧洞衬砌混凝土浇筑时，根据测量资料，采用预埋管对灌浆孔进行了定位，排距为3 m，每排布置5个灌浆孔，梅花形布置，孔深入岩3 m。

初次试验灌后检查孔压水结果未满足设计小于0.03 l/(min.m.m)的标准，因此，再次选定泄0+ 296.5~泄0+326.5段继续进行生产性试验，排号为12~21，灌浆孔间排距、孔深、孔向、孔数等未发生变化，按原设计要求布置。

2.2 试验目的

主要为验证固结灌浆方式灌浆压力以及在拟定压力下衬砌混凝土是否会发生抬动变形，最终确定适宜的灌浆质量检查方法和检查标准，以期更好的指导现场施工。

2.3 质量评价标准

施工质量评价标准见表1。

表1 质量评价标准

1）岩体弹性波波速测试采用单孔声波法，灌前声波检测孔结合Ⅰ序灌浆孔进行布置，固结灌浆结束后，通过原孔扫孔进行灌后检测，在该部位灌浆结束14 d后进行。在围岩较好的洞段，若灌前声波值较高，提高率可做适当调整。

2）压水试验宜在该部位灌浆结束3 d后进行，检查孔的数量不宜少于该单元灌浆总孔数的5%。压水检查孔布置在灌前压水透水率异常的孔附近。

3 施工工艺

1）钻孔顺序：抬动观测孔 Ⅰ序孔Ⅱ序孔灌后检查孔。

2）抬动观测：试验区布置抬动观测孔，孔深入岩3.5 m，采用千（百）分表进行变形观测，所有孔段从裂隙冲洗至灌浆结束期间均连续进行抬动变形观测。

3）裂隙冲洗及压水试验：试验区所有孔段均进行裂隙冲洗，冲洗完成后进行正规单点法压水，裂隙冲洗压力、冲洗时间均满足规范要求。

4）灌浆方式：按环间加密、环内分序的施工原则，采用孔内预埋管循环法进行试验，全孔段一次性灌注。

5）灌浆压力：初定Ⅰ序孔压力为0.6 MP，Ⅱ序孔压力为1.0 MP。

6）灌浆水灰比比级：水灰比初定为2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1四个比级，以2∶1作为开灌水灰比。

7）其他：浆液变换标准、灌浆结束标准、封孔等按规范要求执行。

4 初次试验效果分析

4.1 单位注入量分析

I序孔、II序孔单位注入量平均值分别为1406.2 kg/m、372.3 kg/m，在I序孔完成灌浆之后，II序孔注入量呈明显递减趋势，降低降幅达到73.5%；此外，II序孔水泥总注入量为11 170.2 kg，相较 I序孔的42 184.9 kg减少了31 014.7 kg，说明I序孔灌浆完成之后，地层空隙得到有效充填。

4.2 压水成果分析

I序孔、II序孔灌前压水透水率平均值分别为0.876 4 l/(min.m.m)、0.286 1 l/(min.m.m)，透水率数值减小幅度为67.4%；II序孔灌前单孔透水率数值较I序孔均明显减小，灌前透水率数值分布更加均匀、变化幅度更小。

灌后检查孔透水率分别为0.070 4 l/(min.m. m)、0.040 8 l/(min.m.m)，与灌前各序孔单孔透水率、透水率平均值比较，呈现出明显减小的特点，减小幅度亦较大。

从以上数据变化来看，灌后II序孔单位注入率、透水率均呈现明显降低的规律，说明灌浆取得了一定的成效。但检查孔压水成果均大于0.03 l/ (min.m.m)，不满足设计标准，试验未取得理想效果，试验结果不能用于指导正式生产施工。

5 灌后透水率大的原因及采取的措施

5.1 原因分析

1）围岩完整性好。采用公式Kv=（vp/vpτ）2对岩体完整性系数Kv进行计算[2]，vp~岩体纵波速度，m/s；vpτ~新鲜完整的岩体纵波波速，m/s。泄0+020~泄0+322段，围岩条件整体较好，围岩级别为I、II类，总长约为221 m，占到测试长度的73.1%，主要发育张开度小的微裂隙，仅在局部区域受地质条件及开挖爆破影响发育较宽大裂隙。若继续采用2:1的浆液作为开灌水灰比，浆液可能无法进入微裂隙，仅在裂隙表面沉淀，造成吃浆量较小、满足结束标准的假象，在压水检查时透水率可能会不合格。

2）围岩可灌性较差。地层中的空隙可分为片状空隙、脉状和洞穴状空隙以及蜂窝状空隙三种类型[3]，浆液在不同类型空隙中的流动存在差异，该工程进出口段岩体存在不同程度的风化现象，主要发育蜂窝状空隙，浆液在此类空隙中流动时速度及压力衰减更快，浆液会在较短距离内沉积，发育此类空隙的围岩可灌性较差。初次试验I序孔灌浆压力为0.6 MPa，灌浆压力可能较小，在此压力下，浆液的辐扩散半径受到限制，在灌浆孔间排距固定的情况下，各孔之间可能存在薄弱部位，导致压水结果不合格。

5.2 采取的措施

选泄0+296.5~泄0+326.5段再次试验，对相关参数进行了适当调整。

1）以更稀得浆液作为开罐水灰比。浆液比级由原来的四级调整为五级，即3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1，开灌水灰比调整为3∶1。

2）在不破坏衬砌混凝土的前提下，适当提高灌浆压力，增大浆液的有效扩散半径。I序孔灌浆压力增至0.8 MPa，II序孔压力不作调整仍为1 MPa。

3）单纯以透水率来判断固结灌浆效果，不能直观反映岩体力学强度的变化。因此，在新的试区增加灌前灌后弹性波波速检测来进一步验证灌浆质量。

6 参数调整前后灌浆效果的对比分析

6.1 单位注入量分析

调整后，I序孔单位注入量最大值、最小值、平均值分别为424.9 kg/m、7.1 kg/m、154.83 kg/m；II序孔单位注入量最大值、最小值、平均值分别为107.8 kg/m、3.9 kg/m、28.3 kg/m。II序孔单位注入量平均值较I序孔减少81.7%，单位注入量递减规律明显，各序孔的单位注入量平均值均小于初次试验数值。

6.2 压水成果分析

1）灌前压水成果：对两次试验灌前透水率数值分布区间进行了统计分析，初次试验中，I序孔透水率数值分布区间较为集中，大于0.3 l/(min.m. m)的孔段，其累计分布频率达到90%；I序孔灌浆完成后，II序孔透水率数值大小有所改观，大于0.3 l/(min.m.m)的孔段累计分布频率虽有所降低，但仍达到30%，而小于0.1 l/(min.m.m)的孔段其累计分布频率更是为0；调整后，在新试验区I序孔、II序孔透水率数值小于0.15 l/(min.m.m)的孔段，其累计分布频率分别为40%、88%，说明微小裂缝得到有效充填。

另一方面，参数调整后I序孔灌前透水率平均值由之前的0.876 4 l/(min.m.m)减小到0.275 3 l/ (min.m.m)，II序孔透水率平均值由之前的0.286 1减小到0.071 7 l/(min.m.m)，II序孔灌前透水率平均值较I序孔降幅达74.0%，降幅明显。

2）灌后检查孔压水：在试验区共布置四个灌后检查孔，透水率最大值、最小值、平均值分别为0.022 7 l/(min.m.m)、0.008 9 l/(min.m.m)、0.016 l/ (min.m.m)，检查孔压水结果均满足设计标准。

综上，调整开灌水灰比、增大I序孔灌浆压力之后，在更大的压力及更稀的水泥浆液条件下，浆液的有效渗透半径愈大，并且浆液能够进入更细微的裂隙，对提高灌浆质量更有利。

6.3 声波检测成果分析

在试区共布置三个孔，进行原孔灌前灌后声波测试，声波测试采用单孔法。从检测结果来看，灌前14-1-5及15-1-4号孔的波速变化范围较大，在不同深度上，各孔段灌前波速几乎均未达到4 000 m/s，且存在明显的低速段；20-1-3号孔灌前波速相对较高。灌浆完成后，各孔段波速在不同深度上较灌前均有了明显提高，说明灌浆效果良好，灌浆对低速段改善效果明显，围岩整体性及强度均提高，加固效果理想。

检查孔灌后，声波平均值分别为4 465 m/s、4 314 m/s、4 339 m/s，相对提高率分别达到11.1%、17.8%、20.9%，灌后波速平均值及相对提高率均满足了设计标准。

6.4 抬动变形观测

抬动变形允许值为200 μm，两次试验过程中，所有孔从裂隙冲洗、压水直至灌浆结束均进行抬动变形观测，记录时间为间隔10 min，在提高I序孔灌浆压力及最大压力下，均未发生抬动变形破坏。

7 结语

1）当围岩完整性较好（以I、II类围岩）、微小裂隙发育时，通过提高灌浆压力、以3∶1的水灰比开灌，能使微裂隙得到有效的充填，更有利于提高灌浆质量。

2）当顶拱衬砌混凝土厚度在50 cm时，I序孔压力，采用0.8 MPa，II序孔采用1 MPa，不会使衬砌混凝土发生抬动变形破坏，并能保证浆液的辐射范围。

3）采用新试区灌浆参数，的灌后弹性波检测、单点法压水检查灌浆质量都是可行的，在上述围岩条件、灌浆压力、孔间距及开罐水灰比的条件下，能满足灌后声波不小于4 000 m/s的标准，同时，相对提高率能达到5%以上；灌后检查孔压水结果亦能达到 小于 0.03 l/(min.m.m)的要求，表明此次灌浆试验效果是显著的。

［1］（DL/T 5148-2012）水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2012.

［2］（DL/T 5010-2005）水电水利工程物探规程［S］.北京：中国电力出版社，2005.

［3］张景秀.坝基防渗与灌浆技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.

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2016-10-21