新型帷幕灌浆在引水洞衬砌段起止部位的应用

新型帷幕灌浆在引水洞衬砌段起止部位的应用

周庆国 盛东峰 雷春华

中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州

摘要：对于引水隧洞岩石破碎部位都会出现塌方、突水、突泥等地质灾害，我们在尼泊尔上塔马克西水电站引水洞采用全断面混凝土衬砌的方法防止塌方，并且全断面衬砌混凝土全面覆盖Ⅴ类围岩和Ⅳ类围岩结合部。为防止在混凝土与岩石结合部出现岩石受水流侵蚀而变形坍塌，尼泊尔上塔马克西水电站项目发电引水隧洞的环形帷幕灌浆（Barrier grouting），设计理念独特，技术规范细腻，通过压水试验把透水率与灌浆浆液选择和变换有机的联系在一起；通过深层帷幕灌浆、化学接触灌浆和浅层缝隙灌浆三步走的灌浆程序，来打造一道道高质量的止水屏障。在全断面衬砌混凝土与岩石结合部采用新型帷幕灌浆法进行施工，取得良好效果。

关键词：引水隧洞 新型 帷幕灌浆

一、工程概况

尼泊尔上塔马克西水电工程枢纽工程主要由拦河坝、引水隧洞、地下厂房及尾水洞等组成。地下发电厂房位于塔马克西河下游11公里贡嘎村，与进水口落差822米，共安装6台冲击式水轮发电机组，每台额定功率76MW，总装机容量456MW。项目开工日期：2010年9月2日，完工日期：2015年3月15日，受地震与其他承包商影响，预计完工2021年底。

引水隧洞总长8060m，开挖断面为6m*6m的城门洞形，进口高程为EL1972.92，末端高程为EL1871，上下游高差101.92m。隧洞开挖过程中采取喷锚支护对洞身进行加固，以确保围岩的稳定。根据设计图纸要求，隧洞开挖成型后，浇筑20cm厚的混凝土底板，对于Ⅴ类围岩的洞段和积石坑下游洞段进行全断面混凝土衬砌。

帷幕灌浆主要设计在引水洞混凝土衬砌段的两端部位，一序孔共计200个，单孔孔深分别为25m、12m和5m；根据压水试验结果进行分序加密。最终帷幕灌浆全部于2016年12月25日全部完成。帷幕灌浆的施工质量和施工进度得到了业主和工程师的一致好评及赞赏。

二、地质条件

引水隧洞围岩以片麻岩为主，与隧洞轴线的大部分倾角为60-85度，岩石强度为20-38Mpa。沿线跨越若干个自然冲沟，冲沟处地质条件较差，断层多，渗水量较大。

在开挖阶段经过地质工程师确认Ⅰ类围岩810.4米，占比10.05%；Ⅱ类围岩1655.7米，占比20.5%；Ⅲ类围岩3373.64米，占比41.86%；Ⅳ类围岩1868.06米，占比23.18%；Ⅴ类围岩352.2米，占比4.37%。

三、设计原理

为了防止引水隧洞的渗流损失和洞壁坍塌，欧洲设计工程师和课题完成人共同根据最近70年来的水电工程设计、施工、运营的理论和实践，设计了一套三步走的灌浆程序：

1）在混凝土衬砌之前，进行深层水泥帷幕灌浆（cement-based deep grouting）；

2）在安装衬砌钢筋的过程中预埋特种灌浆软管，在衬砌完成后对混凝土和岩石之间的缝隙进行化学灌浆（chemical contact grouting）；

3）最后通过钻孔（至少入岩2m）进行接触段注浆（post-grouting）。

水泥浆液及掺加物在注浆泵压力作用下渗入到岩石的裂隙中，与岩层充分结合并发生化学作用形成一个整体，并对破碎、软弱、突水、突泥等弱地质段起到粘合作用，完全封堵山体渗透水渗入到隧洞内，整体改变围岩等级。一般灌浆孔周围裂隙越大注入的浆液量越多，扩散的距离越远，加固效果也越好；但是为防止浆液通过裂隙无限制流向山体，需要根据现场实际情况不断调整灌浆浓度和灌浆量，达到既要确保隧洞灌浆部位四周密不透水，又要节省灌浆浆液，按照设计构想形成水泥浆帷幕。

在深孔帷幕灌浆中（cement-based deep grouting）要求对每一个注浆孔进行两次压水试验，即6m～12m或者6m～25m为一段，1m～5m为另一段。这种做法的优点是，其一，通过二序孔的压水试验就可以检测判断一序孔的灌浆效果，其二通过压水试验判断岩石裂隙情况，根据渗透系数确定灌浆参数。

四、施工流程

原孔两侧增加新孔

图4.1-1 孔深6m～12m（或25m）帷幕灌浆施工工艺流程图

图4.1-2 孔深1m～5m帷幕灌浆施工工艺流程图

五、施工方法

1.0施工准备

1)熟悉新型帷幕灌浆施工图纸和相关技术规范，编制专项帷幕灌浆施工方案，通过与业主和工程师的多伦讨论，经过反复修改后得到工程师的批准，待专项施工方案批准后组织所有参加施工的现场人员进行技术交底等工作。专项施工方案的审批同时包括：施工所用的机械设备、工程材料、人员、技术专家等。

2)施工场地预先平整，并沿钻孔位置设置沟槽和集水坑，保持施工场地无积水。

3)在每次注浆施工前，对钻机、注浆泵、拌浆机等机械进行检查、调试、维修，使其保持良好的状态。

4)接通施工用风、水、电，确保设备能正常开钻。

5)灌浆施工前应进行现场注浆试验，用以检查注浆泵、注浆管、灌浆塞、管路、阀门是否能满足高压灌浆压力的要求。

6) 由于衬砌混凝土需要和岩石面无缝粘结，喷射混凝土是一种不同的介质，它在中间极易形成了喷射混凝土与岩石、以及喷射混凝土与衬砌混凝土的缝隙，而且灌浆处理的难度也很大，所以为了保证止水质量，需要凿除帷幕灌浆段喷射混凝土。对所有松散的材料进行清理，整个周边的岩石面应被清撬，并通过高压水彻底冲洗干净。

2.0布孔及定位

在现场测量放样前，使用CAD绘制布孔图，并在图纸上标注清楚每个孔的桩号、位置、角度、孔的编号等。孔的编号应该明确属于第几序孔，是深孔还是浅孔等。

由测量人员通过全站仪准确放出设计图纸中的一序孔的位置，用红油漆在岩石面或者喷射混凝土面标记清楚，并标注编号。

帷幕灌浆布孔如图5.2-1所示。

图5.2-1帷幕灌浆布孔图

图5.2.2-2帷幕灌浆布孔图

3.0安装钻机及注浆设备就位

注浆孔位标定后，移动钻机至钻孔位置。钻机就位后，用角度尺、水平尺等工具调整钻机角度，使得钻机的角度与设计角度一致，安装牢固，定位稳妥。

钻孔直径一般为Φ75～100mm，钻机可以采用地质钻机、圆盘钻、钻孔台车、风动潜孔钻等。经过成本与工期对比，采用了风动SKQ-100B冲击式潜孔钻，钻头直径为Φ76mm。

如下图。

图5.3-1 帷幕灌浆泵5台同时就位 图5.3-2 自动高速搅拌机

图5.3-3 Φ67mm灌浆塞 图5.3-4 Φ67mm灌浆塞

4.0钻孔

同一个灌浆孔需要进行2次钻孔，如图5.2.2-2帷幕灌浆布孔图所示，第1次按照设计孔深12m（或者25m）进行钻孔，待6m～12m（或25m）深孔段灌浆全部结束后开始浅孔第2次钻孔，第2次钻孔比较简单在原有灌浆孔的基础上进行扫孔。

钻机安装必须使立轴中心、孔口管中心、孔位中心三心一致，方位与设计一致。钻孔过程中填写钻孔记录，记录反应该孔在钻进过程中岩层变化情况、裂隙空腔情况、是否漏风漏水等情况，并记录各种变化情况的厚度。对于孔斜超出规定要求时，应结合该部位注浆资料，和质量检查情况进行全面分析，如确定对注浆质量确存影响时，应采取补救措施。

钻孔遇坍塌掉块、空洞裂隙、漏失地层难以钻进时，应确定部位查清原因，可采用水泥浆护壁继续钻进，待成孔后再进行洗孔。

不管是成孔之后等待灌浆，还是灌浆结束等待成孔，孔口均应封堵加盖，妥善保护。

图5.4-1 SKQ-100B潜孔钻钻孔施工图

5.0洗孔

钻孔结束后，在孔内下入Φ32mm镀锌钢导管到孔底，通过高压注浆泵将高压水注入到孔底，从孔底向外进行冲洗，冲洗水的压力不低于5Mpa，注入水量为每分钟不少于200升，直至回水为清水5-10分钟为止。孔底沉积物不得超过20cm。

6.0压水试验

压水试验仪器采用成都鸿思达科技有限公司生产的HSD620型仪器，及其配套的电磁流量计和压力计。

图5.6-1 压水电磁流量计 图5.6-2 压水试验仪器

在一序孔洗孔结束后开始进行深孔段的压水试验，压水试验仪器准备好后，将灌浆塞安装在距离孔口5m～6m的位置开始压水。对于浅孔压水灌浆塞安装在距离孔口0.5m 位置。

对灌浆孔按照顺序依次进行压水试验，为防止串孔或渗漏现象发生，对压水试验孔的周边孔使用其他灌浆塞进行封闭。

压水试验采用五点法进行压水，水压力分别为0.3Mpa、0.6Mpa、1Mpa、0.6Mpa、0.3Mpa。

试验分五个阶段进行，现场必须控制好水压力，尽量保持规定的水压力在每一个阶段，每一个阶段的水压力尽量保持恒定的水压。第一阶段在低水压0.3Mpa，在每个后续阶段增加压力，直到达到1Mpa最大值，达到最大值后使用相同的压力等级降低这样形成一个“压力回路”。

现场压水试验记录如下图：

图5.6-3 五点法压水试验记录表

根据五点法压水试验结果，绘制压力-流量曲线，确定岩层透水的流态类型，来选择和计算本孔段的透水率（吕荣值）。

根据霍尔斯贝（Houlsby）于1976年提出的五种吕荣值分类分组方法，三个压力五个阶段的压水试验相对应各孔段选取有代表性的透水率的方法是：

层流型（Laminar Flow）：五阶段吕荣值的平均值；

紊流型（Turbulent Flow）：第三阶段对应的吕荣值（最小值）；

扩张型（Dilation）：第一、二、四、五阶段吕荣值的最小值；

冲蚀型（Wash-out）：第五阶段对应的吕荣值（最大值）；

充填型（Void Filling）：第五阶段对应的吕荣值（最小值）；

根据规定在理想条件下（即均质和各向同性），一个吕荣相当于1.3 × 10^-5cm/sec

表5.6-1 不同吕荣值与岩体不连续状态关系表

每道帷幕线设计布设2～3排孔(一序孔)，排间距为3m，钻孔深入岩石12m和25m两种（如果0m～5m段透水率大于0.5吕荣只需要增加5m的新孔），排间孔与孔夹角45°，呈辐射状布置，排与排之间的孔交错布置。根据压水试验结果，透水率大于0.5吕荣的灌浆孔，必须按照分裂间距加密的原则在该孔两侧增加新的灌浆孔。

表5.6-2 五种类型吕荣值选择表

7.0确定灌浆参数

对每一个灌浆孔进行五点法压水试验，根据五点法压水试验结果选取透水率，根据透水率选择浆液类型、确定开灌水灰比、变浆标准。

同一个灌浆孔的压水试验和灌浆均分为两段，先深孔段和浅孔段，根据压水试验的结果确定灌浆浆液类型，小于3吕荣的采用超细水泥灌浆（B型），大于3吕荣的采用普通OPC水泥灌浆（A型）。

经过试验性施工，最后确定的灌浆浆液分四级水灰比，依次是1.2:1、1.0:1、0.8:1和0.5:1（重量比），开灌水灰比是1.2:1，对于透水率大于8吕荣的灌浆孔开灌水灰比是1:1。

8.0浆液配制

选用水泥浆液的原则为，大于3吕荣的孔段采用A类水泥浆液灌浆，小于（含等于）3吕荣的孔段采用B类水泥浆液灌浆。

A类浆液：普通OPC水泥，水泥应符合ASTM C150的要求且比表面积不小于400m²/kg、过200筛后残留物重量不大于1%、掺加稳定的塑性的微细的硅土混合物和超增塑剂。最大的离析值应符合ISRM关于岩石灌浆的建议，也就是说悬浮浆液被认为是稳定的且1小时后的沉淀率∆H/H＜5%。水灰比通常为0.45-1.2，马氏漏斗粘度为36-50秒。

B类浆液：超细普通硅酸盐水泥，水泥表面积不小于650m²/kg、过30筛后残留物重量不大于1%。离析值、水灰比和马氏漏斗粘度要求同A类浆液。由于超细水泥比表面积大，有较高的化学活性，能较快的凝结固化，可获得早期和后期强度。同龄期强度相比，比普通水泥高20%。

外加剂：为了提高水泥浆液的稳定性、可泵性、加速凝固、延迟凝固、渗透能力等性能，在水泥中掺入1%的稳定膨胀剂（Sika Intraplast EP）。

在裂隙较发育，对于堵水，特别是水压大，流速快的大裂隙，要求浆液的凝结时间短且有一定的强度，可以根据灌浆实际情况和工程师的要求选择使用C类浆液，C类浆液是一种快速凝固、细颗粒的浆液，在25摄氏度下按照水灰比1:1配制浆液，可使用时间控制在10分钟至1个小时之内（超细水泥＋水玻璃双液压浆）。水玻璃浆液结石强度高，结石率大，凝胶时间可控，是理想的注浆材料。

图纸原设计为小于2吕荣的采用超细水泥灌浆（B型），大于2吕荣的采用普通OPC水泥灌浆（A型）。但由于印度和尼泊尔市场的所有普通OPC水泥表面积均为300m²/kg～350m²/kg，不满足规范要求的400m²/kg，在当地市场找不到满足规范要求的水泥的前提下，为了解决这个问题，保证现场灌浆施工的顺利进行，经承包商提议业主、咨询和设计工程师一致同意，将选用水泥浆液的原则修改为：大于3吕荣的孔段采用A类水泥浆液灌浆，小于（含等于）3吕荣的孔段采用B类水泥浆液灌浆。这样加大了超细水泥的灌浆量，提高了孔内裂隙和可灌性。

浆液配制：现场条件具备后开始拌制浆液，灌浆原则上先从隧洞底部孔开始，先进行A类型孔灌浆（即吕荣值大于3的孔）或者根据监理工程师的指示进行。

现场水泥浆搅拌机采用山西万泽锦达公司HJB-700高低速搅拌机，容量为200L，最高转速1400r/min。根据配合比在搅拌槽内外侧固定位置做刻度标记，每次放置3袋水泥，根据水灰比1.2:1、1.0:1、0.8:1和0.5:1分别放入清水180kg、150kg、120kg、75kg。膨胀稳定剂每次掺加1.5kg。

在施工中遵循浆液由稀到浓的原则，对于透水率大于8吕荣的灌浆孔开灌水灰比直接为1:1。

图5.8-1 马氏漏斗粘度检测 图5.8-2 离析值检测

9.0高压注浆施工

灌浆压力：根据引水洞不同位置设置不同的灌浆压力，应大于引水洞充水后承担的水压力和施工期间检测的地下水渗水压力。共分三种压力，分别在CH0+20桩号为1Mpa，CH3+500～CH6+130桩号为3Mpa，CH7+200桩号为4.5Mpa。为保证灌浆最低压力不低于设计值，在灌浆中施工压力需要提高20%。灌浆泵、灌浆管、闸阀、仪表等需要考虑1倍的保证率，因此至少需要承压10.8Mpa。

为防止注浆孔相邻孔发生串孔渗漏情况，在同一部位开始灌浆前应同时准备5套灌浆泵、搅拌机等系统。现场首先开始一套灌浆泵的灌浆，随时观察注浆孔周边孔的串孔渗漏情况，如发现串孔原注浆孔应暂时停止加压，待开启新的灌浆泵后同时进行灌浆，如此类推最大可同时5台灌浆泵同时灌浆。

正常情况下灌浆类型A和灌浆类型B均采用单液灌浆法，注浆管口径φ≥50mm，灌浆塞直径Φ67mm。注浆孔施工应先底板再两侧，最后中间顶拱，以保证注浆质量。

先完成所有深层灌浆的钻孔、压水和灌浆，然后再进行浅层灌浆的压水和灌浆（包括必要的钻孔）。以12m的灌浆孔为例，具体描述如下：

图5.9-1 帷幕灌浆施工顺序图

仍以12m灌浆孔为例CH3+500～CH6+130灌浆孔孔深12m，因此灌浆设计总体积=π×（12+3）²×3m－π×（3+1）²×3m =1968.78m³，将灌浆总体积等分为八等分，每个体积=246.10m³。根据灌浆最终消耗水泥量绘制玫瑰图如下：

图5.9-2 HT3帷幕灌浆典型剖面图

图5.9-3 断面B下游部分的灌浆玫瑰图

图5.9-4 断面C上游部分的灌浆玫瑰图

图5.9-5 断面C上游部分裂缝分析图

10.0注浆终止

在灌浆过程中，水泥浆液由稀至浓逐级变换。对于透水率为3~8吕荣之间的灌浆孔，如果灌浆压力远达不到设计值且注入流量没有明显变化，当1.2:1的浆液注入量达到300L时，或1.0:1的浆液注入量达到300L时，或0.8:1的浆液注入量达到400L时，就可以变换一级水灰比；当0.5:1的浆液注入量达到1000L，也就是累计浆液注入量达到2000L时，即可结束本孔段的灌浆作业。

对于透水率为大于8吕荣的灌浆孔，如果灌浆压力远达不到设计值且注入流量没有明显变化，当1.0:1的浆液注入量达到300L时，或0.8:1的浆液注入量达到500L时，就可以变换一级水灰比；当0.5:1的浆液注入量达到2200L，也就是累计浆液注入量达到3000L时，即可结束本孔段的灌浆作业。

在正常灌浆条件下，无论灌注哪个比级的浆液，只要达到设计灌浆压力，当注入流量为零，持续灌注5分钟即可结束本孔段灌浆。

当帷幕灌浆注入量已经达到2000L时并且对灌浆孔注水仍然渗透厉害的孔，可判断为存在空洞。可以按照帷幕灌浆的施工方法再次对同一灌浆孔继续灌浆，再次灌浆时可采用在原灌浆类型A的基础上掺加20%的经过筛分后的细砂继续灌浆，再次灌浆仍以2000L为结束标准。

11.0拔出灌浆塞

注浆结束后不能立即拔出灌浆塞，特别是隧洞顶部的灌浆孔，否则在浆液没有初凝前拔出灌浆塞未凝固的浆液会随着灌浆塞流出。灌浆塞的拔出时间需要经过实验室和现场多次试验来确定拔出时间。灌浆塞既不能拔得太早也不能拔的太晚，太早浆液容易流出，太晚容易导致灌浆塞报废。同时在灌浆结束后也不能经常将灌浆塞上的阀门打开检查浆液是否会外流，这样会导致灌浆压力泄压。

表5.11-1 现场灌浆A类浆液初凝时间与浆液浓度关系表

表5.11-2 现场灌浆B类浆液初凝时间与浆液浓度关系表

12.0封孔

灌浆塞拔出后应该对灌浆孔及时进行清洗，并使用膨胀砂浆对灌浆孔进行回填，回填的砂浆不能太稀，达到手握成团，摔地碎开为准，使用木棒捣实。经过现场试验并得到工程师批准膨胀砂浆配合比如下：水灰比（W/C）为0.3:1，水泥砂子比例为1:2，另外掺加,1%的膨胀稳定剂（Sika Intraplast EP）。

六、材料与设备

1.0主要材料

1）注浆用的水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为53级，水泥保持新鲜，不超过出厂日期3个月，受潮结块者不得使用。水泥的各项指标符合国家标准，并附有水泥出厂报告。

2）水玻璃应符合合同规定的质量要求，波美度为38°～43°，模数2.4～3.0。

3）注浆用水必须满足混凝土用水的要求，使用前需进行水质化验。

4）当采用细砂或稀的水泥砂浆对空腔体进行回填时，采用掺加20%细砂的A类水泥浆，其砂的要求为，粒径0.15mm～4.75mm的细砂，含泥量及有机物含量小于3％。

表6.1-1 帷幕灌浆主要材料表

2.0机具设备

灌浆设备主要包括钻机、注浆泵、搅拌机、止浆塞、注浆管及配套仪表等。灌浆设备配置情况见表6.2-1：

表6.2-1 帷幕灌浆主要设备表

七、结语

欧洲工程师进行的引水隧洞帷幕灌浆的设计理念比较独特，也是比较保守的。对每一个灌浆孔进行五点法压水试验，根据压水试验结果把透水率与选择浆液类型、确定开灌水灰比和变浆标准结合起来，值得借鉴。

本灌浆方法与国内传统方法截然不同，由于在灌浆之前对每一个灌浆孔均进行了压水试验，其实压水试验的作用有2个，第一是检测灌浆孔的裂隙和空腔情况，第二是检测了已经灌浆完成的孔的止水效果，也是通过渗透系数来反映。因此对于Ⅰ序孔、Ⅱ序孔等灌浆完成的孔压水试验渗透系数小于0.5吕荣，其实已经证明了帷幕灌浆效果达到设计，满足要求。

另外的质量检查则是在封孔之前，检查灌浆完成的灌浆孔是否还存在渗漏情况，如果渗漏则需要进一步的灌浆处理。

由于引水洞自进口至CH7+300桩号之间的洞段只有百色支洞这么一条主要交通道路，受道路和场地的影响，所有灌浆作业只能与隧洞喷射混凝土和全断面衬砌混凝土穿插进行。并且帷幕灌浆工作一直处于关键线路。按期或者超前完工意义重大。

从现场实践来看，该施工技术灵活、机动，施工机械简单，可大量机械同时进行，在一定工期、一定数量的机械设备情况下，具有较大的优势，并且施工中机械型号单一，施工质量容易得到保证。通过现场实践，注浆效果完全能够达到要求，并对隧洞Ⅳ类围岩加固及变形控制起到了较好的效果。

改应用的引水隧洞帷幕灌浆的设计和施工比较独特，与国内传统隧洞帷幕灌浆施工技术有很大的区别，从设计、施工、现场试验等步骤均非常严谨。通过雨季期间对完成灌浆的部位检查情况看，明显看出没有渗漏的情况，但未完成部分则渗水较大。同时通过提前埋设在衬砌混凝土端部岩石上的应力计检测情况分析，岩石渗透变形较小。

在引水洞的施工中与传统帷幕灌浆设计施工方法相比较节约成本约102.2万元，工期加快约2～3个月。

按照该施工技术进行隧洞灌浆施工，隧洞帷幕质量有保证，止水效果明显，受到业主和监理的好评，经济和社会效益显著。对中小型地下隧洞设计和施工具有借鉴意义，特别是超长中小型隧洞，同时也不愿意全洞段进行衬砌，仅对Ⅴ类围岩进行衬砌的洞段有非常大的借鉴意义。

尼泊尔上塔马克西水电站经历了尼泊尔2015年4月25日8.1级大地震，现阶段正处于复建重要阶段，大坝、厂房等土建工程基本结束，8.6公里的引水洞的施工完成将标志着首台机组发电投产的开始，该项目是尼泊尔在建装机容量最大的水电站，发电投产对尼泊尔具有重大意义，具有良好的社会效益。

八、参考文献

【1】林国聪.浅谈引水隧洞的结构设计(J)，福建水利发电，2000（2）：10-11。

【2】周毅力.引水隧洞施工技术浅析（J），河南水利与南水北调，2014（18）：20-21。

【3】文静. 水利工程中隧洞固结灌浆施工技术分析（J），设备管理与维修,Plant Maintenance Engineering2020,(8)：130-132。

【4】尼泊尔上塔马克西水电站项目合同技术文件.

【5】霍尔斯贝（Houlsby）于1976年提出的五种吕荣值分类分组方法。

【6】SL31-2003水利水电工程钻孔压水试验规程

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