输水隧洞固结灌浆工艺研究

杨军平，张庆平，訾 兵，雪彦宏，张新华

（宁夏地质工程院，宁夏银川750001）

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程中固结灌浆工程是为改善和提高输水隧洞围岩破碎、渗漏、整体稳定性差的状况，以达到减小隧洞围岩的变形与不均匀沉降、提高围岩抗渗性能的目的，保证输水隧洞安全使用。本次研究是通过实验确定施工参数和施工方案，以保证设计方案科学合理、经济可行。

1 工程概况

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程，是将泾河水截引、调蓄以后输送到固原市所辖的44个乡镇，解决这一区域110万城乡居民的饮水安全问题。该工程包括水库加固改造、隧道建设等工程，项目建成后年均引水量为3980×104m3。

本项目的大湾隧洞总长10567m，灌浆隧洞合计总长5240m；Ⅳ2类围岩灌浆段长4628m，Ⅴ类灌浆段长612m。Ⅳ2、Ⅴ类围岩，对应岩石类别为Ⅴ-Ⅶ级。隧洞截面上圆下平呈椭圆形，洞高2450mm，宽2300mm。隧洞内衬为300mm厚现浇钢筋混凝土结构，内衬施工完成后进行灌浆施工。围岩地质情况详见图1。

图1 隧洞围岩地质剖面图

2 实验方案

根据设计要求，在Ⅳ2类和Ⅴ类围岩各做2组试验共4组试验，各试验段均为9m长。孔位布置：Ⅳ2类第1组排距3m，每环4孔；第2组排距4.5m，每环4孔。Ⅴ类第1组排距3m，每环4孔；第2组排距4.5m，每环4孔。各段均按错排孔布置，孔位布置见图2、图3。

设计灌浆压力：Ⅳ2类及Ⅴ类Ⅰ序孔压力0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔压力0.65～0.70MPa。

3 实验完成情况

实验完成工作量统计见表1。

表1 工作量统计表

4 灌浆效果及质量评价分析

4.1 注灰量分析表（见表2）

分析：由表2可知，随孔序的加密，单位注入量递减明显，符合灌浆规律，灌浆效果显著。

4.2 压力分析

4.2.1 Ⅳ2类第1组

G8-3-Ⅰ-3此孔位于地板中心线，当灌浆压力达到0.76MPa时出现抬动，抬动值为0.08，降压到0.69MPa时，抬动值降到0；当压力再次升到0.75MPa时，抬动值达到0.06，再次降压到0.65MPa时，抬动值为0，故8单元第1组压力值为0.65～0.70MPa。

4.2.2 Ⅳ2类第2组

G8-5-Ⅰ-3此孔位于地板中心线，当灌浆压力达到0.74MPa时出现抬动，抬动值为0.06，降压到0.70MPa时，抬动值降到0.01；当压力再次升到0.78MPa时，抬动值达到0.07，再次降压到0.65MPa时，抬动值为0；再次升压到0.74MPa时，抬动值为0.05，降压到0.68MPa，抬动值为0，故8单元第2组压力值为0.65～0.70MPa。

表2 注灰量分析表

4.2.3 Ⅴ类第1组

G7-3-Ⅰ-3此孔位于地板中心线，当灌浆压力达到0.72MPa时出现抬动，抬动值为0.04，降压到0.68MPa时，抬动值降到0；当压力再次升到0.73MPa时，抬动值达到0.06，再次降压到0.65MPa时，抬动值为0，故7单元第1组压力值为0.65～0.70MPa。

4.2.4 Ⅴ类第二组

G7-5-Ⅰ-3此孔位于地板中心线，当灌浆压力达到0.75MPa时出现抬动，抬动值为0.06，降压到0.70MPa时，抬动值降到0.02；当压力再次升到0.78MPa时，抬动值达到0.08，再次降压到0.69MPa时，抬动值为0；再次升压到0.72MPa时，抬动值为0.01，降压到0.67MPa，抬动值为0，故7单元第2组压力值为0.65～0.70MPa。

4.2.5 灌浆压力值

Ⅳ2类及Ⅴ类围岩Ⅰ序孔压力0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔压力0.65～0.70MPa。

4.3 透水率分析

按检查孔压水实验透水率分析见表3。

根据检查孔透水率分析,Ⅳ2类两组试验透水率均小于5Lu,符合设计要求；Ⅴ类第1组透水率小于5Lu，符合设计要求，第2组透水率大于5Lu，不符合设计要求。

5 实验结论

实验确定灌浆参数为：

（1）注浆孔布置：Ⅳ2类4.5m一环，每环4孔符合要求，Ⅴ类3m一环，每环4孔符合要求。

表3 透水率分析表

（2）钻孔设备：用水钻及风钻配合使用钻孔，可满足施工质量及工期进度要求。

（3）灌浆方式：采用纯压式或循环式灌浆方式均可满足要求。

（4）灌浆段长：入岩2.5m符合要求。

（5）水灰比：采用2、1、0.8、0.5四个比级符合要求。

（6）洗孔：底板以上的灌浆孔不宜洗孔，底板上的灌浆孔不宜多洗，时间为5～10min为宜。

（7）灌浆压力：Ⅳ2类及Ⅴ类Ⅰ序孔压力0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔压力0.65～0.70MPa。

6 施工方法

6.1 施工工艺

灌浆施工工艺流程：测放孔位→钻孔→洗孔→压水试验→灌浆→封孔→质量检查。

6.2 施工方法

6.2.1 测放孔位

按施工图测放孔位，并以红油漆做好标记、编号。Ⅰ序、Ⅱ序分类编号，避免混淆。

6.2.2 钻孔施工

（1）钻孔∶灌浆按环间分序、环内加密的原则进行。钻孔环间分两序施工，先施工Ⅰ序环孔，后施工Ⅱ序环孔；①孔径：∅50mm。②孔深：设计入岩深度2.5m。③孔向：按图施工。

（2)同一单元内的同一次序孔可全部或部分钻出后，再进行灌浆；也可单孔分序钻进和灌浆。

（3)钻孔采用TY-28气腿式风钻进行。

（4)钻孔注意事项：

①钻孔开孔对准孔位点，按照设计角度调校好钻机角度。

②钻孔班报准确记录衬砌砼厚度和钻孔深度等。

③钻孔时如遇结构钢筋可在10cm范围内移动，不得损伤钢筋。

④钻孔时注意钻进压力、钻进速度等变化，如果发现异常孔段，做好记录，并观测钻孔穿过的断层及破碎带的宽度、性状、结构面部位。

⑤钻孔过程中严格控制钻进压力和转速，确保孔底偏差达到设计标准。

6.2.3 洗孔

钻孔结束后进行孔壁和裂隙冲洗，洗孔采用压力水冲洗，压力为最大灌浆压力的80%，回水澄清洁净后延续10min结束。冲洗结束后，均妥善保护好孔口，以防孔内落入异物导致堵塞。

6.2.4 灌浆施工

6.2.4.1 灌浆设备

灌浆使用3SNS灌浆泵，制浆采用ZJ-400高速搅拌机，自动记录仪为GJY4型灌浆自动记录仪。

6.2.4.2 注意事项

（1）灌浆采用3SNS型高压灌浆泵进行，其允许工作压力大于最大灌浆压力的1.5倍。灌浆泵压力表摆动范围要求不大于灌浆压力的20%。使用耐蚀灌浆阀门、高压灌浆闸阀。

（2）根据灌浆需要配置高速和普通浆液搅拌机，保证均匀、连续地拌制浆液。高速拌浆机的转速不小于1200r/min。所有搅拌设备均须在现场进行试运行。

（3）灌浆管路保证浆液流动畅通，并能承受1.5倍的最大灌浆压力。

（4）灌浆泵、进浆管路和灌浆孔口处均安设压力表，压力表与管路之间设有隔浆装置。压力表在使用前均须进行标定，在使用过程中经常检查核对，不合格和已损坏的压力表严禁使用。

（5）止浆塞与所采用的灌浆方法、灌浆压力及地质条件相适应，有良好的膨胀性和耐压性能，在最大灌浆压力下能可靠地封闭灌浆段，并易于安装和拆除。

（6）各部位灌浆时密切监视衬砌混凝土的变形情况，并在灌浆工作开始前先安装千分表，防止产生变形及抬动，并定时进行监测作好记录。

6.2.4.3 制浆

（1）材料选用：水泥、水、掺合料、外加剂选用须符合规范和设计要求，各种材料用量须经现场试验确定，试验成果报送监理确认后执行。

（2）材料称量：制浆材料必须称量，称量误差小于5%。水泥等固相材料采用重量称量法。

（3）浆液制备：

①各类浆液必须搅拌均匀，测定浆液密度等参数，并做好记录。

②采用高速搅拌机搅拌纯水泥浆液，拌制时间不小于30s，所用浆液在使用前须过筛，自制备至用完的时间小于4h。

③拌制细水泥浆液和稳定浆液，须加入减水剂，搅拌时间通过试验确定。细水泥浆液的搅拌，从制备至用完的时间小于2h。

6.2.4.4 灌浆方法

孔口封闭采用机械式止浆塞（橡胶塞）进行封闭。全孔一次纯压式灌浆法灌浆，灌浆原则上一泵灌一孔。当发生相互窜浆时，可采用群孔并联灌注，但并联孔数不宜多于3个，并应控制压力，防止混凝土面或岩石面抬动。

（1）灌浆顺序。灌浆按环间分序、环内加密的原则进行。环间先灌Ⅰ序孔，后灌Ⅱ序孔；同一环内先灌Ⅰ序孔，后灌加密孔。

（2）灌浆压力。不同孔序采用不同的压力，Ⅰ序孔0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔0.65～0.70MPa。

（3）灌浆结束条件。在该灌浆段规定压力下，当耗浆量不大于1L/min后，灌注30min后可结束灌浆。若灌浆量大，灌浆难于结束时，可采取低压、浓浆、限量、间歇、浆液中掺入速凝剂、加砂、加水玻璃双浆液等方法处理。但处理方法必须由监理人批准后方可采用。

6.2.4.5 水灰比及浆液变换

浆液水灰比为2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1四个比级，浆液变换按由稀到浓逐级变换。浆液变换原则：

（1）当压力保持不变，耗浆量持续减小时，或当耗浆量不变而压力持续升高时，则水灰比保持不变；

（2）当耗浆量已达300L以上，或灌注时间已达30min，而压力和耗浆量均无改变或改变不显著时，改浓一级水灰比；

（3）当耗浆量大于30L/min时，可视具体情况越级变浓。

（4）灌浆过程中，压力或耗浆量突然改变较大时，应查明原因，立即采取相应的措施处理。

（5）当采用最大浓度浆液施灌，耗浆量很大而不见减少时，可采用间歇灌浆法，或加砂加水玻璃等方法处理，如因加入掺合料而使注入量突减，则应停止使用掺合料。

6.2.5 特殊情况处理

（1）灌浆过程中，发现冒浆、漏浆，应根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压控制流量、加浓浆液和间歇灌浆等方法进行处理。

（2）施工发生窜浆时，可视情况将窜浆孔同时进行灌浆，或立即将窜浆孔封堵，待灌浆孔灌浆结束后，再施工窜浆孔。

（3）灌浆过程中如回浆变浓，应换用相同水灰比的新浆进行灌注，若效果不明显，继续灌注30min，即可结束灌浆。

（4）灌浆工作必须连续进行，若因故中断，须按如下原则进行处理：

①尽可能缩短中断时间，尽早恢复灌浆；

②中断时间超过30min，应立即进行洗孔，如冲洗无效，应重新扫孔后施灌；

③恢复灌浆时，应采用开灌比级的浆液进行。如耗浆量与中断前相当，即采用该水灰比。如耗浆量较中断前减少，则浆液应逐渐加浓；

④恢复灌浆后，如吸浆量较中断前减少很多，且在极短时间内停止吸浆，则视该段不合格。

6.2.6 封孔

灌浆结束后，排出钻孔内的积水和污物，压力灌浆封孔。

（1）采用置换和压力灌浆封孔，全孔灌浆完毕后，使用水灰比0.5∶1浓浆进行纯压式灌浆封孔，压力用该孔最大灌浆压力。

（2）待孔内水泥浆液凝固后，对钻孔空余部位使用干硬性水泥砂浆封填密实，孔口压抹齐平。

6.3 灌浆质量检查

（1）灌浆质量检查应在灌浆结束3～7d后进行。

（2）质量检查孔采用压水试验，即采用单点法试验。检查孔数量为灌浆孔总数的5%，合格标准为85%以上试验段的透水率不大于设计规定，其余试段的透水率不超过设计规定值的150%，且分布不集中，即为合格。

（3）检查孔完成检查任务后，全孔压力灌浆封孔。

7 压水试验

（1）压水试验在洗孔结束后进行。灌浆压水试验孔不少于总孔数的5%，压水试验采用单点法压水。

（2）压水试验按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T5148-2001）附录A（灌浆工程压水试验）执行。

（3）压水试验压力值：Ⅰ序孔压力0.48～0.52MPa，Ⅱ序孔压力0.52～0.56MPa。

（4）压入流量稳定标准：在稳定的压力下，每3～5min测读一次压入流量。连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本段试验即可结束，取最终值作为计算值。

（5）压水试验成果以透水率q表示。其计算公式见公式（1）：

式中：q——试段透水率，Lu；

Q——压入流量，L/min；

P——作用在试段内的全压力，MPa；

L——试段长度，m。

（6）简易压水试验压力为灌浆压力的80%，并不大于1MPa，压水20min，每5min测读一次压入流量。取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率q表示，按公式（1）进行计算。