输水隧洞注浆防渗加固施工技术研究

易怡鑫

(新疆水发水务集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 输水隧洞注浆防渗加固施工技术设计

1.1 布设注浆孔

在本文所设计的输水隧洞注浆防渗加固施工技术中，第一步也是关键的一步是在输水隧洞围岩上钻取注浆孔[1]，注浆孔的成孔质量直接关系到后续防渗加固效果，所以本文综合考虑输水隧洞围岩的实际特点与后续注浆施工需求，采用梅花形的布孔方式[2]，如图1。

图1 输水隧洞注浆孔布设

根据相关成功经验，本文所布设的注浆孔的孔径为60 mm，各注浆孔之间的距离为1.2 m。在实际施工中，首先将输水隧道施工现场清理干净，控制钻机就位，这里采用YSP45型号伸缩向上式气动凿岩机进行钻孔施工，将该凿岩机的气腿和主机控制在同一纵轴线上，为保证注浆孔的钻取精度，需要确保二者精准连成一个整体[3]。然后使用气动凿岩机从输水隧洞围岩的左右两边岩脚开始斜向钻进，钻进过程中严格控制注浆孔的平顺度，如果凿岩机钻进过程中发生偏移，需要及时停止钻孔，将凿岩机位置调整回来后继续钻进，直至钻进至设计孔深停止钻孔。在钻取输水隧洞注浆孔时，如果气动凿岩机钻进围岩5 m处仍未出水，需要根据围岩探查结果适当调整孔深。当按照上述方法将全部注浆孔钻取结束后，进行成孔质量的检查作业，主要针对注浆孔的尺寸、平顺度进行复查，如果存在不满足设计要求的注浆孔，需要及时采取有效措施，促使注浆孔满足后续注浆要求。在注浆孔检查完成后，将各个注浆孔内石块、沙砾等杂物清理干净，展开下一道工序。

1.2 制备注浆材料

制备合适的注浆材料是本次输水隧洞注浆防渗加固施工得以顺利进行的基本保障，在进行注浆施工时，需要根据输水隧洞施工段的涌水量及围岩地质条件，选择注浆原材料。由于输水隧洞围岩地层的动静水压力较大，且具有良好的析水性，导致注入的浆液在短时间内发生泌水现象显著性较差，很容易被地下水冲走，所以在选择注浆材料时，需要考虑注浆材料的流动性与扩散效应，避免浆液注入后发生跑浆问题，影响输水隧洞的防渗加固效果。与此同时，注入输水隧洞围岩中的浆液消耗量较大，所以注浆材料需要具有较高的经济性，还必须无公害、无污染。综合以上问题，本文以水泥、黏土、天然河砂、固化剂为原材料，制备一种新型黏土水泥砂膏浆作为输水隧洞的注浆材料。其中水泥本文采用的是P·O 42.5普通硅酸盐水泥，该水泥的主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，不仅具有良好的抗压与抗折强度，而且其初凝与终凝时间可调控，适用于本次输水隧洞注浆施工。关于黏土，通常来源于不同地质环境的黏土，其矿物成分各不相同，导致黏土的物理学性能也不一致，一般高岭石黏土的吸水性和膨胀性较差，所以采用高岭石黏土制备注浆材料时，其遇水不易膨胀，很难形成浆液，而蒙脱石黏土与高岭石黏土相反，该黏土具有优越的膨胀与吸水性能，将蒙脱石黏土作为原材料，很容易制成浆液，所以本文在制备新型黏土水泥砂膏浆时，以蒙脱石黏土为第二个主要原材料。与此同时，本文为提升注浆材料的黏聚力与内摩擦角，添加了一定量的砂子，砂子的加入可以促使注浆材料颗粒填充效应更加完善，从而形成一个以砂子为核心的团聚结构，这种结构具有较高的强度，综合考虑注浆材料的成本，本文采用天然河砂。最后，为提升注浆材料的稳定性与抗水流冲释性，本文在新型黏土水泥砂膏浆中添加了以偏铝酸钠为主要成分的固化剂。综上，本文所制备的注浆材料具体配制方案如表1所示。

表1 新型黏土水泥砂膏浆配比

按照表1所示配比，将各类原材料依次加入搅拌机中，开启搅拌机进行搅拌，20 min之后，当黏土水泥砂膏浆搅拌均匀，无冒泡等现象发生，停止搅拌机，等待注入施工。

1.3 高压喷射注浆

针对输水隧洞围岩的实际地质条件，地下水流动情况以及注浆材料的性能，本文采用高压喷射法进行注浆施工。在正式注浆施工之前，需要确定高压喷射注浆的相关参数，一是注浆量，本文根据体积法获取注浆量，如式(1)：

(1)

式中：L为输水隧洞注浆用量，m3；R为防渗加固的固结体设计直径，mm；ε为浆液的填充率，%；φ为浆液在输水隧洞围岩中的折减系数；l为旋喷长度，m；γ为浆液在输水隧洞围岩中的损失系数。二是注浆压力，在输水隧洞注浆防渗加固施工中，高压喷射注浆的压力越大，所喷射的浆液流量与流动速度就越大，对隧洞围岩造成的破坏力也越大，本文综合考虑高压注浆液的喷射流与隧洞围岩的防渗加固处理效果，将注浆材料的喷射压力设置在1.2～1.8 MPa范围内。三是高压喷嘴的移动速度，为提升高压喷射注浆固结体的强度，本文将喷嘴的提升速度控制在0.1～0.2 m/min之间。在确定了高压喷射注浆的相关施工参数后，正式开始注浆施工，一般来说，高压喷射法包括单管注浆、双管注浆及三管注浆法，本文综合考虑输水隧洞围岩的实际情况，选择单管注浆法，如图2。

图2 高压喷射注浆示意图

如图2所示，在进行高压喷射注浆施工时，将注浆泵、注浆管等施工设备准备就位，并把注浆管下放至设计孔位中，当喷嘴达到设计标高后，开启注浆泵开始喷射注浆。然后按照从下至上的顺序，旋转注浆喷嘴，并按照设计参数缓慢提升注浆管，直至提升到注浆孔的孔口处，停止注浆。按照上述步骤将所有注浆孔均注入浆液后，对各个注浆孔的注浆效果进行检验，如果存在顶部凹陷等问题，需要进行二次补浆，当全部注浆孔检验完毕无任何问题后，等待浆液冷凝成型，输水隧洞注浆防渗加固施工结束。

2 实例分析

2.1 工程概况

某无压输水隧洞总长度56.214 km，扩建后设计流量为57 m3/s，隧洞采用马蹄形断面，底宽6 m，纵坡1/5000，隧洞直线段高度为4.53 m。由于该输水隧洞开挖面位于地下水位之下，受地下水压的影响，隧洞在输水过程中发生了严重的渗漏问题，为避免隧洞渗漏引起滑坡、混凝土衬砌脱落等病害，保障隧洞输水稳定，需要进行注浆防渗加固施工。

2.2 注浆效果检测

一般来说，输水隧洞注浆防渗加固施工质量难以直观地检查出来，所以本文采用压水试验对本次注浆效果进行检测。压水试验就是在输水隧洞注浆施工结束1个月之后，在隧洞岩体中心线上钻取检查孔，进行静水头压水试验，从而检测输水隧洞岩体的渗透性。进行压水试验时，需要按照输水隧洞注浆孔数量的3%左右进行检查孔的布置，结合本工程实际情况，本次共钻取7个检查孔，其中隧洞顶部岩体1个，左帮与右帮岩体各3个，如图3。

图3 检查围井结构平面示意图

在此基础上，分段进行静水头压水试验，每一个检查孔分为2段，各段长8.0 m左右。同时，在本次压水试验过程中，采用单管顶压式栓塞作为止水栓塞，通过水表计量水量，表2为各检查孔的水量压入数据。

表2 输水隧洞压水试验数据

在本次压水试验结束后，为判断输水隧洞的防渗效果，以式(2)所求渗透系数为试验指标

(2)

式中：η为输水隧洞的渗透系数，m/d；Q为检查孔的注水量，m3；W为输水隧洞岩体厚度，m；D为输水隧洞岩体中心线周长，m；C为检查孔内外水头差，m；H1、H2分别为检查孔内注水面与输水隧洞地下水到检查孔底部的高度，m。

在输水隧洞压水试验中，式(2)所求渗透系数越大，隧洞岩体透水率越好，表明防渗效果越差；反之渗透系数越小，隧洞岩体透水率越差，则防渗效果越好，同时根据我国相关注浆防渗加固工程实例可知，该输水隧洞施工的渗透系数规定值为≤1.33×10-6cm/s。那么，根据以上内容，计算并整理本次输水隧洞注浆防渗加固施工的渗透系数，如表3所示。

表3 输水隧洞渗透系数 cm·s-1

由表3中数据可以看出，采用本文设计技术施工后的输水隧洞，其渗透系数在1.95×10-7～6.92×10-7cm/s之间，平均渗透系数为4.15×10-7cm/s，≪1.33×10-6cm/s的规定值所以本次输水隧洞注浆防渗加固工程可以评定为合格。该工程设计的输水隧洞注浆防渗加固施工技术合理、有效，可以保障输水隧洞的防渗效果。

3 结 语

本文结合输水隧洞的实际特点，设计一种高压喷射注浆防渗加固施工技术。首先在输水隧洞岩体钻取注浆孔，以高压喷射的方式向注浆孔内注入新型水泥浆液，通过浆液的扩散效应形成防渗体，达到输水隧洞防渗加固的目的。本文将设计施工技术应用于某实际工程中，根据施工结束后输水隧洞的渗透系数计算值验证了高压喷射注浆的防渗加固质量。该技术不仅可以提升输水隧洞围岩的强度与整体稳定性，还可以显著提升围岩的防渗性，可为类似水利工程建设项目提供参考。