输水隧洞全风化围岩泄水诱导注浆技术研究

郭金文

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110000）

1 工程背景

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省东部宽甸满族自治县长甸镇境内，工程计划设置4台机组，属于东北地区新建大型水利工程项目[1]。工程建成后将担负东北电网的调峰、填谷任务，对保证东北电网的稳定运行具有重要作用。

蒲石河抽水蓄能电站为一等大（1）型工程，主要由上下游水库、混凝土面板堆石坝、上下水库进水口、泄洪排沙闸坝以及地下系统组成。其中，地下系统包括地下厂房、引水和尾水三大主要系统构成。引水隧洞采用二洞四机布置，引水主洞全长约770 m，尾水隧洞长约1 170 m。由于输水隧洞埋藏较深，开挖部位地质环境较差，开挖施工难度较大[2]。其中，桩号0＋432至桩号0＋467段围岩属于全风化花岗岩，节理和裂隙发育，为突水和突泥提供了天然导水通道。同时，蒲石河流域属于湿润地区，夏季降雨集中，雨量较大，为隧洞突水突泥提供了水源补给。上述各种因素的联合作用，导致施工段突水突泥强度高，施工难度很大。

2 泄水诱导注浆技术原理

输水隧洞全风化花岗岩施工段地层的水压高、水量大，前期施工中采取常规注浆方式，结果显示注浆起压迅速，浆液扩展形态被水流严重压缩，加固效果不理想[3]。同时，起压迅速也说明围岩区没有良好的排水通道。因此，为了提高注浆质量，保证输水隧洞施工的顺利进行，拟在注浆过程中人为设置排水通道，通过泄水降压，引导和增大浆液的扩散范围，以大幅提升注浆加固效果。

基于上述考虑，针对输水隧洞全风化地层的地质环境特点，提出了泄水诱导注浆技术。该技术以传统帷幕注浆治理方法为主，采取分段注浆工艺技术，同时辅以泄水孔配合注浆施工，在围岩中形成比较稳定的网状泄水通道，以降低围岩的含水率和水压，引导浆液扩散。

3 泄水诱导注浆方案的设计与实施

3.1 全断面帷幕注浆方案设计及实施

1）注浆分段长度。为了确保施工安全，在全风化花岗岩段施工掌子面退后5.0 m，进行混凝土止浆墙施工，分段注浆的长度设置为15 m，开挖10 m，衬砌10 m，按照上述参数和施工方式依次推进。为了保证注浆的效果和均匀性，在施工过程中拟采用如图1所示的前进式分段注浆方式。当钻孔过程中出现突泥和突水现象时，立即停止钻进，并采取固结工程措施，必要时可以对钻进分段程度进行调整，以保证注浆施工效果[4]。

2）止浆墙与止浆岩盘设计。由于全风化花岗岩段地质环境较差，存在高压含水层，为防止从未注浆段向作业面涌水以及注浆施工过程中的跑浆，在每个循环的注浆前设置C20混凝土止浆墙，厚度为100 cm[5]。此外，在每个循环的注浆结束并开始开挖后，预留出5 m作为下一阶段注浆施工的止浆岩盘。

图1 注浆施工模式图

3）注浆压力和扩散半径。由于注浆施工地段为全风化花岗岩破碎带，为保证注浆效果，需要以劈裂注浆为主，因此注浆压力不宜过高，应以中压为主，尽量避免对地层造成较大的扰动，从而产生次生地质灾害。根据上述分析，这次工程的注浆压力设定为2～6 MPa，初步确定注浆扩散半径为2 m。

4）注浆孔布置。在注浆施工中，每个循环设置86个注浆孔，其位置如图2所示。其中1-23号孔的孔深设定为10 m；24-43号孔的孔深设定为12 m；44-86号孔的孔深16.5 m；在注浆孔的前段设置长3.5 m的孔口管。孔口管钻孔要采用90 mm钻头钻成，后段使用80 mm钻头钻成。在孔口管安装时要确保牢固性和稳定性，特别是孔口管和孔壁之间必须要用环氧树脂进行填充，防止在注浆过程中在此部位发生漏浆。在孔口管的前端设置防突装置并与钻杆配套。

图2 注浆孔孔位布置示意图

5）注浆材料选择。在注浆施工过程中，根据施工段的涌水量和地下水储存情况选用注浆浆液，一般情况下应选用单浆液，如果遇到破碎带内存在大量涌水的情况，可以选用双浆液控制注浆过程中的浆液扩散范围[6]。其中，单浆液以水泥为主，并适当添加8064速凝剂，如果施工中遇到水量较大的情况，则需要选用水泥-水玻璃类浆液，则需要添加适量的磷酸氢二钠。在浆液配置中水灰比掌握在1∶1～1∶0.5，具体的配合比应该根据工程实际进行调整。

3.2 泄水孔方案设计与实施

在帷幕注浆过程中，通过泄水孔排水可以将顶水注浆变为引导注浆，对提高浆液扩散范围，强化注浆效果具有重要作用。在具体施工过程中，要在注浆段帷幕注浆孔施工完毕后开始泄水孔施工，具体的施工方案与实施如下：

1）泄水孔参数确定。在这次施工中，泄水孔钻孔最小断面直径为75 mm，但考虑由于围岩的松散性造成的塌孔，最小断面按照40 mm计算，由于泄水孔处的水头高度约为70 m，根据相关文献成果[7]，可以计算得到单孔泄水量为65 m3/h，按照隧洞前期施工中的最大突水量600 m3/h计算，泄水孔的总泄水量应在400 m3/h以内，因此需要泄水孔6眼。

2）泄水孔钻孔布置。通过前期地质调查对第二循环富水区的划分，将开挖轮廓线外的区域作为泄水孔的终孔位置区间。在泄水孔钻孔设计时要掌握富水区整体均匀布设，主要涌水点加密的设计原则[8]。同时，为了减小对注浆加固区的弱化作用，泄水孔的终孔位置尽量设在加固圈外则，为注浆工作的开展和下一步的开挖创造有利条件。根据对前期水文地质资料的分析，在止浆墙前方富水区设置1号和2号泄水孔的实际泄水量，并不能达到实际施工要求，同时为了实现泄水孔的均匀分布，在上述位移补充设计3号和8号泄水孔，各泄水孔的参数如表1所示。

3）泄水孔施工。在常规全断面注浆的前两个注浆段在起到对浅部围岩进行加固外，还起到对施工掌子面前方的探查作用，可以为下一步施工中的泄水孔方案调整提供必要依据。泄水孔施工开始于第二注浆段加固完毕之后，并一次性施工至两个注浆段长的位置，然后随着注浆分段施工而同步向前推进，以保证对注浆孔前富水的有效疏导。在帷幕注浆施工至最后一个循环段之前，直接施工至终孔位置。此外，根据输水隧洞的水文地质条件，泄水孔的总泄水量应该满足400 m3/h的要求，在具体施工过程中要结合具体的泄水量，对泄水孔的数量和方位进行不断调整。

表1 泄水孔参数设计表

3.3 诱导注浆效果分析

在注浆施工完成之后，通过检查孔的方式对注浆效果进行分析。在检查孔设置上采取“整体覆盖，重点突出”的原则设置了15个检查孔，最大控制范围设定到开挖外轮廓线外6 m。通过对检查孔涌水情况的分析显示，隧洞的顶部和两侧上方治理效果良好，而拱底和两侧底部由于地质环境复杂且为强富水区，虽然涌水量已经显著降低，但是仍存在突水风险。因此，增设10个补强注浆孔，对上述区域进行再次强化注浆。在强化注浆完工后，对补强孔的涌水量进行复钻检验，90%的钻孔达标，具备开挖条件。在检验过程中将5号和14号钻孔兼作取芯孔，对钻取的岩芯进行观测可知，围岩浆液充填率较高，说明注浆加固效果良好。

4 结语

针对蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞全风化围岩和富水性特点，采用泄水诱导注浆技术进行围岩固结灌浆。在灌浆加固结束之后，随即进行输水隧洞开挖，通过开挖施工显示，掌子面突水突泥问题得到了有效控制，不仅干燥、密实，而且具有较强的自稳能力。在注浆部位的岩土中，能够清晰看出大量具有良好延展性的浆脉分支，并以劈裂的形式延伸扩展。通过这些浆脉的支撑和压实作用，围岩的强度和整体性显著提升。经过注浆治理，输水隧洞施工顺利通过全风化围岩段，未发生重大工程事故。