紫坪铺导流洞下段标灌浆工法

　　【摘 要】 紫坪铺水利枢纽两条导流洞围岩集F3断层带、L9剪切破碎带、煤洞采空区、地质探硐及塌方松散体于一身，地质条件错综复杂，岩层的差异性十分突出，加之隧洞临时支护过程中采用了众多的钢结构作为强支撑，这都加大了灌浆施工的难度。通过科学决策、有效组织，在灌浆管预埋、灌浆台车制造应用、灌浆参数的探求、钻孔与灌浆机具及施工方式选择与应用上采用合理的施工工艺、可靠的施工方法，克服了施工中地质条件极差、强度高、工期紧、交叉作业干扰大的重重困难，优质、安全、高效地完成了灌浆施工，为大江如期截流奠定了坚实的基础。 　　【关键词】 初探 施工工艺与方法 紫坪铺导流洞工程下段标 恶劣地质条件 固结与回填灌浆 　　1 工程概况 　　紫坪铺水利枢纽工程位于岷江上游映秀至都江堰市沙金坝河段，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护及旅游等综合利用为目的的大型水利枢纽工程。电站总装机容量为4×190MW，布置有两条导流隧洞，其形状为马蹄形，开挖尺寸：13.7m×13.7m（宽×高），分两层开挖，先上层（13.7m×7m）后下层。充水发电后这两条导流洞将改造成泄洪排砂隧洞（龙抬头）。大江截流于2002年11月进行，施工时间短、工期紧、难度大。 　　2 导流洞工程地质条件 　　导流洞下段标近100米洞段通过极其罕见的大断层（F3断层）及其影响带，该洞段围岩稳定性极差，以煤质页岩、泥质粉砂岩、糜棱岩及断层泥为主，围岩呈碎裂散体结构，强度极低，塑性变形大，遇水易崩解、软化。隧洞围岩中分布众多地质探硐、旧煤窑采空区及因旧煤窑年代久远所造成的周边风化、塌陷、软化面扩展而形成的塌方松散体，加之地下水丰富对围岩的侵蚀作用，都更进一步降低了围岩的强度和自稳能力。隧洞通过的L9层间切剪破碎带裂隙发育，围岩岩性差异较大。此外，导流洞出口洞段外覆岩体极为单薄，且岩层呈顺坡，裂隙发育，最薄之处不足15m。上述种种因素都给隧洞衬砌后灌浆施工带来极富挑战性的难度。（导流洞下段标典型地质示意图如图1） 　　3 导流洞下段标灌浆施工难点 　　（1）由于导流洞下段标地质条件极其复杂，隧洞支护采用众多钢结构进行强支撑，给砼衬砌后灌浆钻孔增加了极大的难度； 　　（2）导流洞下段标洞径大、洞段长，且施工交叉作业干扰大，灌浆施工只能穿插进行，严重制约了灌浆施工进度； 　　（3）导流洞下段标各洞段围岩呈多样性，其岩性差异较大，灌浆施工的参数、钻孔机具及灌浆方法需因地质情况相应制定； 　　（4）导流洞下段标灌浆工程较原设计有很大的变更，特别是为加大隧洞的安全储备，设计上大大增加了不良地质洞段灌浆深度，也加重了恶劣岩层中的钻孔与灌浆难度。 　　4 导流洞下段标灌浆施工流程 　　针对导流洞下段标的特点，分别按常规洞段与不良地质段制定了相应的灌浆施工流程，①常规洞段浅孔灌浆：先隧洞顶部回填，后底板及洞身固结，按环间分序、环内分序加密进行；②L9剪切破碎带与F3断层破碎带深孔灌浆：先顶部回填，再对洞身及底板进行环间分序、环内分序加密、自上而下逐层递增灌浆。 　　5 灌浆施工工法 　　5.1 预埋灌浆管 　　由于导流洞砼衬砌内钢结构众多，灌浆管预埋质量的优劣，直接关系到能否准确地在灌前确定孔位，避让钢结构，提高钻孔效率，减少对结构砼衬砌的破坏。在施工过程中，对导流洞下段标归纳起来主要采用了三种预埋方法：①膨胀瓶塞法（如图4所示），即在钢模台车校正就位完毕浇筑砼之前按设计孔位将PVC（或铁管）进行制安，事先在管口安装膨胀堵塞，并涂抹油漆，制安时压缩膨胀瓶塞使之紧贴钢模台车表面，并绑扎牢固。台车浇筑完成移走后瓶塞膨胀灌浆孔位清晰可见。②全站仪测量法，即利用精密测量仪器记录灌浆管在砼浇筑前的位置，在灌浆钻孔时再按此法将灌浆管找出。③预探孔位法，即在砼浇筑前先进行造孔，插入合适的灌浆管，再按第1种方法进行预埋。第1种方法适用于常规段的边顶拱灌浆孔，第2种方法适用于底板孔拉模法砼浇筑的情况，可以100%地确定灌浆孔位，第3种方法则适用于钢结构密集的洞段，利用此种方法可以很好地避让钢结构，提高钻孔效率。 　　5.2 钻灌台车制造与应用 　　大断面长隧洞中钻孔与灌浆施工，为了提高施工效率，在充分考虑施工所用机具特点及交叉作业等情况，设计并制造了一种钻灌台车，如图5所示。这种台车的特点在于可按隧洞的形状特征进行台车的结构改造，以满足自身施工的要求。同时在台车上安装了驱动电机，行走自如。台车的刚度、安全性均适合施工的需要，且大大减少了搭拆排架所需的辅助时间，为高强度钻孔与灌浆施工提供了坚实的保障。 　　5.3 灌浆参数获取 　　导流洞下段标围岩极其复杂，各洞段差异性极大，决定了岩石物理力学性质的差异。为寻求合适的灌浆参数，对各洞段进行了灌浆试验。在考虑未来水头压力、运行工况，结合灌浆压力计算的基本理论公式PL=Pe+0.1Κγh，（式中——PL：容许灌浆压力；K：经验系数；Pe：无压重下的灌浆压力；γ：岩层容重；h：岩层厚度。）提出了三种试验： 　　5.3.1 泥页岩、砂岩洞段的灌浆试验 　　该洞段以泥质粉砂岩为主，局部夹煤质页岩，岩石较为完整，可灌性适中。设计灌浆孔深为6.5m，试验中采用纯压法全长一段灌浆，相关灌浆参数为：灌浆压力从0.8Mpa～1.2Mpa，开灌水灰比5：1。灌后压水试验和声波检测均达到设计要求，且二者灌前灌后对比明显。灌后所取得的试验成果如表1所示。 　　5.3.2 层间剪切破碎带的灌浆试验 　　该洞段为L9剪切破碎带，砂岩裂隙发育，岩石可灌浆性良好。设计灌浆孔深为16m，试验中采用孔口封闭且循环、分层灌浆，相关灌浆参数为：灌浆压力从0.5Mpa～1.2Mpa，开灌水灰比Ⅰ序孔为5：1、Ⅱ序孔为3：1。段长划分不大于7m。灌后压水试验和声波检测均达到设计要求，且二者灌前灌后对比明显。灌后取得的试验成果如表2所示。 　　5.3.3 F3大断层及影响带的灌浆试验 　　该洞段为F3大断层及其影响带，煤质页岩、糜棱岩、断层泥遇水易崩解，可灌性差，但洞段内煤洞采空区、塌方区吸浆量大。设计灌浆孔深为25m，试验中采用孔口封闭且循环、分层灌浆，相关灌浆参数为：灌浆压力从0.8Mpa～2.0Mpa，开灌水灰比5：1。灌后压水试验达到设计要求，而声波检测提高不明显。灌后取得的试验成果如表3所示。 　　5.4 不同地质段钻孔机具选取 　　导流洞下段标由于地质恶劣，围岩差异性较大，F3断层临时支护中又采用了众多钢结构，给钻孔施工带来了很大的困难。综合比较了各类钻孔机具的特点，选择了以下各类钻机有针对性地用于相应的地段，如表4所示。 　　5.5 不同地质段灌浆方法运用 　　虽然在灌浆试验中已经采用了适用于各洞段的灌浆方法，但在实际实施过程中，仍然需要根据具体情况制定灵活多样的灌浆方法。例如对于深孔孔内循环灌浆时回浆管易被煤质页岩粉屑所堵塞，将此法改为孔口循环，并加长射浆管；对孔口卡塞困难则采用丝扣进行阻塞以达到同样的灌浆效果。各洞段运用的灌浆方法如表5所示。 　　6 灌浆效果分析与评价 　　6.1 回填压浆检查 　　在检查孔成孔后，向孔内注入水灰比为2：1的浆液，在规定压力下初始10min检查孔内注入量≤10L即合格。所有回填灌浆在灌后均达到了上述要求，说明了砼衬砌顶部浆液充填密实。 　　6.2 固结灌前、灌后压水试验 　　从原始资料中可以统计出：一序环一序孔其平均透水率：10.8，一序环二序孔其平均透水率：6.6，二序环一序孔其平均透水率：6.3，二序环二序孔其平均透水率：5.2，其透水率Lu大于5占56.2%。总的看来透水率还是满足逐序递减规律要求的。 　　6.3 固结灌前、灌后压水试验成果比较 　　固结孔检查在全部钻灌结束3天后， 根据灌浆成果由现场监理工程师指定对两条导流洞下段标个孔均进行了压水实验检查。根据数据显示：灌后透水率Lu平均为1.52，且各孔透水率Lu值80%以上小于5，孔段合格率也在80%以上。相对于灌前透水率Lu明显减小，其次根据单孔比较：透水率Lu 相对于灌前也明显减小，而且相对于灌前透水率的43.8%有明显的提高。因此通过固结灌浆灌前、灌后压水实验成果比较分析：灌浆效果是很明显的。 　　综合分析看出，Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ其透水率是依次减小的，而且灌后透水率相对于灌前明显降低，其灌后透水合格率超过了80%。1#洞合计进行了299段次压水试验，Lu值均满足5Lu的设计标准（均小于3Lu）；2#洞合计进行了221段次的压水试验，有210段小于5Lu，10余段大于5 Lu，主要集中在2#洞F3断层及出口段靠河侧煤洞与地质探硐及外覆岩体较为单薄的范围内。 　　6.4 固结灌浆效果 　　从灌浆成果表统计分析结果得出： 　　1#洞浅孔Ⅰ序孔单位注入量为266.58Kg/m，Ⅱ序孔单位注入量为106.42Kg/m，递减率为60%；深孔Ⅰ序孔单位注入量为231.93Kg/m，Ⅱ序孔单位注入量为108.31Kg/m，递减率为53%。合计分析：平均单耗量为：186.5 Kg/m（合计固结灌入水泥5496.5吨，其中F3及出口段耗灰深孔耗灰3000余吨、回填灌入水泥500余吨）。 　　2#洞浅孔Ⅰ序孔单位注入量为703.44Kg/m，Ⅱ序孔单位注入量为184.93Kg/m；深孔Ⅰ序孔单位注入量为412.42Kg/m，Ⅱ序孔单位注入量为167.38Kg/m。合计分析：平均单耗量为：366.98Kg/m（合计固结灌入水泥6965.35吨、回填灌入水泥370余吨）。 　　两条导流洞合计灌浆进尺：50015.5米，合计固结灌浆水泥消耗：12461.85吨，平均单位耗灰量为：249Kg/m，其中I序孔单位耗灰量为391.24g/m，II序孔单位耗灰量为153.2g/m，递减率为60.8%。结合频率累积曲线可以看出，递减规律较为明显，符合固结灌浆的一般规律。 　　从灌浆成果统计分析结果及单耗统计表可以看出，某些孔段因煤洞、地质探硐的存在而导致耗灰量发生异常，也是由于地质条件的变化造成的。但对于2#导流洞F3断层及其塌方段、出口洞段、煤洞及地质探硐等不良地质区域，围岩处于松散体塌陷低密度区，较大的孔间排距使浆液无法扩散至预固结区等综合因素造成灌后压水透水率仍大于5Lu的设计检查标准。 　　7 结语和建议 　　（1）紫坪铺导流洞下段标灌浆工程施工效果明显，灌后各项检测指标均达到设计要求，施工质量可靠，施工强度极高的状况下进度仍然满足总进行的要求，充分说明灌浆施工过程中采用的工艺和方法是科学的、切实可行的。 　　（2）灌浆施工所取得的灌浆成果符合回填与固结灌浆逐序递减的一般规律，同时出现了个别孔段耗浆量异常，与钻孔过程中发现薄弱地质点相吻合，反映出煤洞、采空区塌方段客观存在的地质特点。由于薄弱地质点为水泥浆液所充填，消除了工程运行中的隐患。 　　（3）紫坪铺导流洞下段标灌浆工程施工采用的施工工艺和方法，是复杂地质条件下隧洞灌浆有益的尝试，为类似地质状况下灌浆施工提供了可借鉴之处。 　　（4）对于深孔环形固结灌浆，按浆液扩散理论，其扩散范围是有限的，因而发散型灌浆孔随孔深的加剧其浆液扩散效果将大大减少，影响灌浆效果。可以考虑加密灌浆孔来减少由此产生的不利影响。 　　（5）煤质页岩、糜棱岩及塌方松散体中不易成孔时建议采用中空自钻式锚杆作为射浆管进行灌浆，以达到良好的灌浆效果。 　　作者简介：徐跃斌（1960、11～），男，四川眉山人，四川农大水工专业，本科，项目经理，长期从事水利水电工程施工与技术管理。