轿顶子电站引水隧洞富水破碎围岩洞段超前帷幕注浆堵水施工技术研究

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

轿顶子电站位于辽宁丹东宽甸太平哨镇轿顶子村境内，是北股河干流上规划建设的一座以防洪和发电为主，兼有灌溉和养殖等诸多水利功能的综合性小型水利工程[1]。电站主要由混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统组成[2]。其中引水发电系统的引水隧洞设计于大坝左侧，全长1123m，为马蹄形断面。

2 涌水情况

由于引水隧洞规划线路附近地下水埋藏较浅，且线路本身需要穿越DS3断层破碎带，因此，开挖施工难度较大。施工过程中，掌子面部位一直存在少量涌水情况，当开挖至引2+23断面时，遭遇断层破碎带开始出现大量涌水。由于涌水量大且围岩的整体质量较差，如不采取一定的施工加固措施，必将对施工安全造成影响。基于此，工程项目部通过会商，拟对该洞段进行全断面超前帷幕注浆[3]。

3 施工方案总体设计

3.1 基本设计思路

针对研究洞段围岩地质现状以及突水涌水的实际情况，基于全寿命周期理论和过程化控制注浆止水加固技术，通过浆液的渗透扩散封堵以及浆脉的骨架支撑作用，实现对富水破碎围岩的挤密和加固[3]。在施工方案设计之前，经对施工洞段的进一步地质勘查，需要注浆加固的富水破碎围岩洞段的长度为24m，桩号为引2+23～引2+47。经过数值模拟分析，确定加固圈的厚度为6.0m。

3.2 止浆墙设计

在帷幕注浆加固施工过程中，为了保证注浆浆液的有效扩散和提升注浆压力，有效防止注浆工作面的漏浆，需要在施工掌子面的上台阶部位设置一定厚度的止浆墙，并为超前帷幕注浆的施工作业提供必要的工作平台[4]。

根据施工现场调查，施工掌子面存在较大量的涌水，不利于混凝土止浆墙的施工。因此，需要在混凝土止浆墙施工之前采取工程措施，对围岩深部的涌水进行引流排放。针对这一要求，在施工掌子面中台阶的左侧立面钻3个与隧道轴线平行的引流孔，边钻孔边下套管，直至揭露围岩内部涌水。

结合工程现场的实际情况和相关工程经验，选择单级平面型混凝土止浆墙结构设计方案[5]。止浆墙的设计厚度为3.0m，采用C40混凝土。其中，引2+20～引2+21段混凝土止浆墙的顶部和围岩初支结构相接，引2+21～引2+23段混凝土止浆墙的顶部和隧洞开挖的外轮廓线相接。为了提高混凝土止浆墙的稳定性，在周边增设直径32mm的径向锚杆与隧洞围岩相接锚固；对于软弱基础利用钢管桩进行加固。为了保证混凝土止浆墙后部围岩涌水的引排，在止浆墙的左下角和右下角分别埋设2个和1个直径170mm的排水管。

3.3 帷幕注浆孔的布置

此次围岩全断面帷幕注浆加固段的设计长度为24m，浆液的扩散半径为3.0m。其中，每个注浆循环设计长度为8.0m的三个加固区段，分别为0～8m、8～16m和16～24m。注浆段的长度设计为5.0m，注浆材料选用水泥-GT双浆液设计[6]。注浆施工中的开孔位置均设计于上台阶内(见图1)。

图1 帷幕注浆加固设计俯视(单位：mm)

帷幕注浆采用的是普通水泥-水玻璃双浆液，其中水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃的浓度为35Bé，模数为2.5。单孔注浆量的计算可以采用下式：

Q=πR2Ln∂η

(1)

式中Q——注浆量，m3；

R——扩散半径，这里取3.0m；

L——注浆长度，这里取5.0m；

n——孔隙率，这里取15%；

∂——浆液的孔隙填充系数，这里取0.5；

η——浆液消耗率，这里取1.1。

经计算，每延米的注浆量为11.7m3。

根据相关工程经验和研究洞段的实际情况，设计帷幕注浆设计参数(见表1)。

3.4 注浆工艺的选择

帷幕注浆的常用工艺有两种，分别为前进式和后退式[7]。为了确定合理的注浆方式，在工程现场的开挖掌子面钻取3个超前地质探孔，通过对围岩地质情况的进一步判断，以确定合理的注浆方式。如果在钻孔过程中遇到明显的涌水或泥夹层，造成钻孔坍塌严重则采用分段前进式注浆工艺；如果钻孔过程中容易卡杆且孔口的封闭比较困难，则易采取后退式注浆工艺。

3个探孔的钻探情况显示，注浆段围岩的破碎现象比较明显，浆液不易均匀扩散。如果采用一次成孔工艺，不仅容易造成塌孔，浆液的扩散也难以达到预期效果。因此，选用前进式分段注浆工艺模式，也就是在帷幕注浆过程中采用钻孔和灌注交替进行的施工方式，利用孔口管进行止浆，工艺见图2。

图2 前进式分段注浆工艺示意图

4 帷幕灌浆施工

4.1 施工步骤

在施工掌子面部位首先进行混凝土止水墙的施工作业，并在掌子面和混凝土止水墙之间填充片石或干喷料[8]。在混凝土止水墙内埋设导水管，然后再进行帷幕注浆作业，注浆加固圈的范围为隧洞开挖外轮廓线范围以外5.0m，注浆材料为快凝水泥-水玻璃双浆液注浆材料。

为了满足注浆施工过程中钻机施工作业的实际需求，需要在混凝土止水墙后方预留出长度为10m左右的钻机作业平台。对于施工平台，首先需要垫平并压实，然后填筑厚度为20cm的闸石，平台与隧洞拱顶初支高度之间的距离为4.5m左右，以利于钻机位置的定位和施工作业。

在混凝土止浆墙上按照设计方案进行注浆孔孔位的确定，钻机手首先要准确确定孔位和外插角，然后利用直径130mm的钻头在低速条件下钻进1.5m，然后安装好孔口管。孔口管采用直径108mm、厚度5mm的无缝钢管，管长1.5m。在孔口管的管壁部位缠绕长度80cm的麻丝成为纺锤形，采用钻机冲击的方式进行安装，然后利用水泥基锚固剂进行锚固，以有效保障孔口管能够安装牢固，在注浆施工中不漏浆。

在研究洞段的施工掌子面钻取3个超前地质勘查孔，对注浆止水加固段的围岩地质情况进行有效的辨识。

注浆施工按照自上而下、自外而内、间隔跳孔的原则进行，以达到控域注浆、封堵围岩内部裂隙，实现止水加固的施工目标。

4.2 注浆结束标准

在注浆施工作业中，不仅要保证注浆止水加固的工程效果，还应该尽量节省施工成本。因此，对注浆施工结束标准的选择，需要采用定量和定压相结合的方式进行。在注浆施工前期，由于注浆压力相对较小，因此需要尽量扩大浆液的扩散范围，因此可以适当增加注浆量。在注浆加固范围接近注浆结束要求的情况下，应该主要控制注浆压力，故需要进行定量和定压注浆。结合工程的施工成本，在注浆中浆液的扩散范围已经超过设计标准或注浆压力基本稳定的情况下，需要对浆液的配比进行适当调整，以缩短胶凝时间，同时采用间歇注浆的方式，以实现对注浆浆液扩散范围的有效控制。当注浆压力达到设计终压同时注浆量已经达到设计标准的80%以上时，即可结束注浆。根据此次工程的实际情况，第1段和第2段的注浆终压设置为3MPa，第3段的注浆终压设置为4MPa。

5 注浆效果评价

注浆效果的评价是后期进行开挖施工方案设计的重要依据。针对此次施工具体情况，主要通过钻孔检查进行评价。检查过程中按照注浆孔总数的5%～10%设置检查孔，检查孔的布置应该采用均布的方式，检查孔内应该没有涌沙、涌泥现象，不塌孔，渗水量不大于0.2L/(min·m)，否则需要进行补充注浆处理。

从工程的涌水情况来看，注浆前的涌水量为2000m3/d，随着注浆的顺利进行，涌水量逐渐减小，显示出良好的注浆止水效果。从后续开挖施工的实际情况来看，在进行帷幕注浆加固之后，开挖过程中围岩掌子面比较湿润，裂隙部位可见良好的浆液填充，仅有局部存在渗漏滴水现象。

6 结 语

帷幕注浆可以实现随围岩裂隙中的裂隙有效固结，阻断裂隙通道，将围岩有效连成一个有机整体。帷幕注浆加固之后，注浆止水的效果良好。当然，随着注浆新材料的不断出现和注浆技术的不断创新，各种施工参数还可以进一步优化。因此，在具体的工程设计和施工方面，还需要积极进行技术创新，结合具体工程实际，在保证施工质量情况下，尽量降低施工成本。