引水隧洞回填灌浆和固结灌浆施工技术

马忠松

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

1 工程实例

重庆郁江马岩洞水电站工程引水发电隧洞位于重庆市彭水县境内、郁江中游河段。引水隧洞全长5048.625 m，引水洞内径6.8 m，设计最大流量126.9 m3/s，隧洞纵坡为3.650‰，全断面钢筋混凝土圆形衬砌，衬砌厚（0.5～0.8）m。其中引0+000—引0+920 段为不良地质地段（挤压破碎带），围岩极其破碎松散，以黄黏土夹碎状块石为主，黏土含量占50%左右，地下水极为丰富，且处于饱和水状态，地下水位较高。

回填灌浆和固结灌浆的横剖面和纵剖面如图1 和图2 所示，具体设计参数见表1。

图1 回填灌浆和固结灌浆横剖面

2 回填灌浆和固结灌浆的作用

图2 回填灌浆和固结灌浆纵剖面

表1 回填灌浆和固结灌浆结构参数

由于围岩的地质、衬砌混凝土浇筑及混凝土终凝的收缩等原因，在衬砌混凝土和岩面之间难免会出现缝隙，拱顶甚至会出现脱空现象。回填灌浆的主要作用是通过灌浆作业使浆液充满缝隙和脱空部位，提高衬砌混凝土的整体性。固结灌浆的主要作用是通过灌浆作业提高衬砌一定范围内围岩的整体性与均质性，提高抗压强度与弹性模量，减少围岩的变形与不均匀沉陷。固结后的岩体形成一定厚度的止水帷幕，可有效阻断洞壁内外水渗透通道，同时降低衬砌上的外水水头以及围岩压力，从而加强衬砌的受力条件和防渗性能。

3 灌浆材料、设备和制浆

3.1 灌浆材料

灌浆材料宜采用普通硅酸盐水泥。水泥必须符合质量标准，受潮结块、超过保质期的水泥不得使用。砂的最大直径不宜超过2.5 mm，细度模数不宜大于2.0。在灌浆过程中如果遇溶洞、断层、裂隙密集，灌入大量浆液后仍不能达到设计压力或者吸浆量不见减少时，可灌注水泥砂浆或者在水泥浆中掺入粉煤灰，粉煤灰等级不低于Ⅱ级、不得粗于同时使用的水泥。灌浆用水应符合拌制混凝土用水的标准。

3.2 设备

3.2.1 钻孔设备

钻孔以采用YT-28 气腿式凿岩机为主，如遇地质不良地段采用MD100 潜孔钻机成孔。

3.2.2 灌浆设备

灌浆泵采用往复式单作用三柱塞式。集中制浆站的制浆能力应满足施工高峰期所有灌浆作业面的用浆需求。为保证良好的施工作业环境，制浆站应安装除尘设备。压力表应分别设置于灌浆泵及灌浆孔处，使用压力应控制在压力表最大量程的1/4至3/4，并且定期到有资质的检测机构进行标定。压力表和管路之间设隔浆装置，以防浆液进入压力表。

浆液搅拌机在灌浆过程中应能保证高速、均匀、连续的拌和，拌和能力应与所搅拌的浆液类型和灌浆机的排浆量相适应，浆液采用比重计校准其浓度是否与应配浓度相同。灌浆泵性能应与浆液类型、浓度相适应。制浆、输送、灌注等系统之间要有通畅的通信联络措施。压入灌浆孔的浆液和孔内返回拌和筒的浆液必须经过过滤。灌浆结束或者中断时，必须将灌浆设备内余留的沉积物彻底清洗干净。主要灌浆施工设备见表2。

表2 回填和固结灌浆施工设备

3.3 制浆

在施工条件允许时宜采用集中制浆方式，制浆站集中制备水灰比0.5/1 的纯水泥浆，水泥浆流速控制在（1.4～2.0）m/s，在每个灌浆点对水泥浆搅拌均匀并测定水泥浆密度后方可使用。制浆用水泥等固体材料采用称重法计量，计量误差控制在5%以下。使用普通搅拌机水泥浆搅拌时间≥3 min；使用高速搅拌机水泥浆搅拌时间≥30 s。水泥浆需过筛后使用，使用时间不宜超过4 h。

4 回填灌浆

二期支护混凝土强度达到设计强度70%以上时要尽快开展回填灌浆作业，灌浆作业分两次序施工，两次序施工间隔时间宜为48 h。

4.1 造孔

钻孔采用YT-28 气腿式凿岩机，钻孔终孔孔径≥38 mm。同一灌区内先进行Ⅰ序孔的造孔工作，并在距灌区两端头1.5 m处各设一排封堵孔，Ⅱ序孔造孔待部位Ⅰ序孔灌完两天后进行。采用Φ50 mm 风钻对预留PVC 孔进行扫孔，并清除预留PVC 管材。开孔位置按设计孔位成孔（原预留孔位），若因其他原因无法成孔的，应在原孔位10 cm 范围之内重新开孔。Ⅰ序孔钻孔遇较大空腔时钻穿混凝土为止，否则要继续钻进围岩10 cm。Ⅱ序孔要钻进围岩10 cm。检查孔孔深以不大于附近灌浆孔的孔深为准，且不小于设计入岩深度。

4.2 灌浆

4.2.1 灌浆压力

Ⅰ序孔与Ⅱ序孔的灌浆压力分别控制在（0.2～0.4）MPa 和（0.4～0.6）MPa。灌浆过程中如遇到短时间内注入量较大时，可采用分级升压法灌注。在灌浆孔注入率很小时，灌浆压力应控制在设计灌浆压力上限值的±0.03 MPa 之内。灌浆压力以回浆管压力表峰值读数为准，以压力表接灌浆自动记录仪进行控制，压力表尽可能靠近孔口设置。

4.2.2 浆液配比

Ⅰ序孔采用0.5/1 的水灰比，Ⅱ序孔采用0.8∶1、0.5∶1 两个比级的水灰比。灌注过程中如遇大空腔以及大耗量等情况，应立即改注水泥砂浆，掺砂量不大于水泥用量的2 倍。

4.2.3 回填灌浆方式及结束标准

灌浆方式采取等高程双孔并联灌注。灌浆作业从较低的一处开始，向较高的一端推进。当高处孔排出浓浆后，可将低处孔堵塞，改从高处孔灌浆，依此类推，直至结束。同一单元内的同一次序孔可以全部或者部分钻出后，再进行灌浆；也可以单孔分序钻进灌浆。

灌浆压力达到设计值后，灌浆孔不再吸浆，此时应持续灌注5 min 方可结束。在回填灌浆过程中若Ⅰ序孔出现窜浆时，应在窜浆孔流出同浓度浆液后及时封孔，结束该孔灌浆作业，该孔视为灌浆结束。若Ⅱ序孔出现窜浆时，应立即将被窜孔封堵，并对被窜孔进行扫孔作业，扫孔后进行正常灌浆作业直至结束。

4.3 特殊情况处理

（1）灌浆作业过程中若发现冒浆、漏浆现象时，可采用封堵表面、嵌缝、降低灌浆压力、提高灌浆浓度等方式进行处理。

（2）灌浆作业应确保连续进行，因故中断灌浆作业时，要尽快恢复灌浆作业，复灌后，注入率较复灌前降低幅度较大，且停止耗浆时间很短时，该孔必须进行扫孔，并重新进行灌注。

4.4 灌浆检查标准

（1）灌浆检查应在单元段灌浆结束后72 h 进行。

（2）在设计压力下灌注2∶1 的水泥净浆，10 min 内注入量不超过10 L 视为合格。

（3）检查孔孔数不应少于总孔数的5%，检查孔深入围岩5 cm。

4.5 封孔

灌浆孔灌浆结束后，关闭孔口球阀封孔，并采用干硬性水泥砂浆封孔，孔口处压抹平齐。

5 固结灌浆

固结灌浆在二期支护混凝土强度达到设计强度的70%，且该灌浆单元回填灌浆结束7 d 后进行。

5.1 造孔

钻孔采用YT-28 气腿式凿岩机，钻孔终孔孔径≥38 mm。钻孔位置与设计孔位偏差≤10 cm，其角度偏差≤5°，孔深误差≤20 cm。每单元段应进行一次孔深、倾斜度、方位角的检查，合格后方可进行下道工序施工，如发现孔斜超过要求时应及时纠正。钻孔顺序应与灌浆顺序保持一致，相同灌浆单元内不相邻的同序孔可同时施工，上一次序孔灌浆作业完成后方可进行下一次序孔的钻孔。钻孔过程中遇到洞穴、塌孔，孔内漏水、涌水等情况时要做好详细的记录，及时分析周边围岩及钻孔情况，采取相应措施后方可继续进行钻孔作业。钻孔结束后，将孔口用木塞塞住，防止污物进入。

5.2 洗孔和裂隙冲洗

（1）灌浆作业前对钻孔进行敞开式冲洗，冲洗时长不宜少于10 min。对裂隙进行冲洗时，水压控制在灌浆压力上限值的80%左右，并且不宜大于1 MPa。孔口出现清水后持续清洗10 min 后方可结束，冲洗时长不宜少于0.5 h。对于遇水后性能可能恶化的围岩，须采用高压风进行清孔，可不进行裂隙冲洗和压水试验。清孔风压采用设计灌浆压力上限的50%，且风压不宜超过0.5 MPa。

（2）固结灌浆施工应在裂隙冲洗后24 h 内进行，超过24 h后仍未能进行固结灌浆施工的应重新进行洗孔。

（3）当出现窜孔或遇到围岩节理裂隙发育等部位时，应降低冲洗压力。洗孔时间超过1 h 且孔口返水仍然浑浊时，应停止洗孔，并分析原因，采取相应措施后方可进行施工。

（4）邻近孔灌浆结束不足24 h 或邻近孔正在进行灌浆作业的，不应进行洗孔和裂隙冲洗。

5.3 压水试验

固结灌浆前应选取代表性孔进行单点法压水试验。压水试验孔数不应少于总孔数的5%，每两排孔至少做一组压水试验。水压采用设计灌浆压力上限的50%，且不宜超过1 MPa。水压上升到规定压力后稳定持压，间隔5 min 读取一次流量值。

当试验成果符合以下标准时，试验工作方可结束，以最终流量数值作为计算流量。

（1）流量之一大于5 L/min 时，连续4 次读数的最大值与最小值之差小于最终值的10%。

（2）流量均小于5 L/min 时，连续4 次读数的最大值与最小值之差小于最终值的20%。

（3）连续3 次流量值读数均小于0.5 L/min。

压水试验成果采用透水率q 表示，其计算公式为：

式中，q 为透水率，单位Lu。Q 为压入流量，单位L/min。P 为作用在试段内的全压力，单位MPa。L 为试验段长度，单位m。

5.4 灌浆

5.4.1 灌浆压力

引水隧洞的灌浆设计压力原则上按进水口渐变段0.5 MPa，其余隧洞段按Ⅲ类围岩1.0 MPa，Ⅳ类围岩（1.0～1.5）MPa 进行。挤压破碎带（Ⅴ类围岩）灌浆设计压力原则上为（0.5～1）MPa，分段灌浆压力按照表3 进行控制。

灌浆压力应通过现场的灌浆试验最终确定，将围岩最大抬动0.2 mm 时的灌浆压力作为最大灌浆压力；围岩抬动值超过0.2 mm，但灌浆压力仍未达到设计值时，不应继续加大灌浆压力值。

5.4.2 浆液配比

灌浆浆液的浓度应由小到大，依次变换。挤压破碎带水泥浆水灰比采用1/1、0.8/1、0.5/1 等级，非挤压破碎带水泥浆水灰比采用2/1、1/1、0.8/1、0.5/1 等级。

5.4.3 浆液变浆原则

（1）当注入率持续减少压力值不变或注入率保持不变压力值却持续变大时，不改变水灰比。

（2）当某一级水灰比的注入量已达到300 L 以上，或灌注时长已达0.5 h，而注入率及灌浆压力均无显著变化时，可换浓一级水灰比浆液灌注；当注入率>30 L/min 时，可根据现场情况适当越级变浓灌注。

（3）当采用最大浓度浆液灌注，注入率很大却没有明显减小时，采用间歇灌浆法。

（4）浆液等级改变后压力值突然变大或注入率突然变小，应查清原因据实调整。

5.4.4 固结灌浆方式及结束标准

灌浆必须严格按环间分序，环内加密的原则进行，先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔。Ⅰ序孔为设计压力的70%，Ⅱ序孔为设计压力。相同灌注单元内Ⅱ序孔必须在周围Ⅰ序孔完成后进行。固结灌浆采用单孔灌浆方式，非挤压破碎带洞段采用全孔段一次灌浆工艺，挤压破碎带采用序间循环分段灌浆工艺，第一段段长2 m，第二段段长4 m，并采用单孔纯压的方法。

灌浆过程中，应注意混凝土衬砌抬动变位监测，灌浆过程中应经常观测和记录，当混凝土衬砌径向变位>0.2 mm 或发生裂缝时，应立即降低灌注压力。

在最大设计压力下，注入率<1 L/min 时，应持续灌注0.5 h后结束。

5.5 特殊情况处理

（1）灌浆若因故中断，应尽快处理，尽早恢复施工。如果中断超过30 min，则应采用浓度大于水灰比2∶1 稀水泥浆进行冲孔；冲洗后没有明显效果的则应进行扫孔处理。如恢复灌浆后注入率大幅降低，短时间内不再吸收浆液，则该段灌浆应视为不合格，查明原因后采取相应措施补救。

（2）灌浆作业过程中若发现冒浆、漏浆现象时，可采用封堵表面、嵌缝、降低灌浆压力、提高灌浆浓度等方式进行处理。

（3）发生窜浆的处理措施：立即停止被窜孔的钻进作业；当窜浆量不大时，在被窜孔内注入浓度高于水灰比2∶1 的稀水泥浆，使浆液不至于充填钻孔；当窜浆量大时，可与被窜孔同时间进行压注，否则窜孔采用木塞封堵严密，灌浆作业结束后重新对窜浆孔再扫孔、冲孔，钻进、灌浆。

（4）灌浆时应定时对水泥浆比重进行测定，灌浆结束时也应测定浆液比重，作好灌浆记录。

表3 挤压破碎带灌浆压力值

（5）对于涌水地段的灌浆，应提前做好涌水压力和涌水量的测量，减小灌浆单元段的长度。灌浆结束后屏浆时间≥2 h，待凝时间≥48 h，如若有需要可在水泥浆中加入速凝剂。

5.6 灌浆检查标准

（1）单元灌浆结束72 h 后进行固结灌浆检查孔施钻。

（2）采用单点法压水试验进行检查。

（3）检查孔总数量不应少于灌浆孔总数量的5%。

（4）固结灌浆检查合格标准为透水率≤3 Lu，孔段合格率≥80%，不合格孔段的透水率应≤4.5 Lu，且孔段不集中，可以视为合格。

（5）固结灌浆检查压水稳定标准同5.3 压水试验的标准。

5.7 封孔

灌浆结束后，对孔口朝下和有涌水的钻孔必须采用全孔灌浆封孔法封孔，其余孔采用导管注浆封孔法封孔。孔口使用干硬性水泥砂浆将钻孔封填密实，压抹齐平。

导管注浆封孔法：全孔灌浆完毕后，将导管插入到钻孔底部，用灌浆泵向导管内注入水灰比为0.5∶1 的水泥浆将浮浆和污水挤出孔外。注浆的过程中浆液面上升的同时将导管慢慢上提，但要保证导管底口始终保持在液面以下。

全孔灌浆封孔法：全孔灌浆完毕后，采用导管注浆法将孔内剩余的浆液置换为水灰比0.5∶1 的浆液，而后将灌浆塞塞在孔口，采用最大灌浆压力进行纯压式灌浆封孔。

6 结束语

回填灌浆和固结灌浆是水工隧洞施工中常见的灌浆方法，通过合理、有序的施工组织，选用合理的灌浆参数，即可节省投资，又可以提高衬砌的整体受力强度，从而保证水工隧洞正式运营后的安全。