钻孔弹模计在高压水工隧洞围岩复合灌浆效果评价中的应用

李 强，景 锋,2

(1.长江科学院， 湖北 武汉 430010；2.武汉长江科创科技发展有限公司， 湖北 武汉 430010)

随着我国一带一路、西电东送、沿海核电等建设，抽水蓄能电站凭借可优化电源结构、改善电网质量、确保电网安全等特点，目前仅华南地区就已兴建或将建清远、深圳、梅州、阳江和海南琼中等多座抽水蓄能电站。抽水蓄能电站的水道系统不同于一般水工隧洞，一是水道系统长，空间布置复杂，局部相互影响；二是最大内水压力可达7 MPa～8 MPa；三是运行期内水外渗而检修期外水内渗，工作性态复杂，若发生失稳或渗透破坏，其后果是灾难性的。因此，须保证水道系统的稳定性和防渗性能[1]。

当高压水工隧洞满足上抬准则、最小主应力准则、渗透准则，以及相应围岩条件时，可采用限裂钢筋混凝土衬砌结构，围岩是主体，衬砌仅起减糙、保护围岩和提高隧洞耐久性的作用[2-4]。围岩需承担大部分荷载，衬砌的变形开裂部位、受力状态和渗透性直接受围岩岩体质量影响[5]。若围岩岩体质量好承载力大，变形模量高，渗透系数小，围岩所承担载荷比例就大，且渗水量小，工程亦越安全[6]。因此水道系统对围岩的强度、均匀性、渗透性要求高，为确保衬砌与围岩结构协同承载，需充分利用围岩的承载和抗渗能力[7]。抽水蓄能电站水道系统一般长达2 km～3 km，难免遇到断层破碎带等地质缺陷，如何对缺陷处理效果进行科学评价至关重要。

现隧洞围岩固结灌浆效果评价，通常采用压水试验、单孔或跨孔弹性波测试、钻孔变形模量测试，及承压板法岩体承载力与变形指标测试等手段。其中压水试验是围岩回填灌浆、固结灌浆和帷幕灌浆效果评价中的最常用手段，其通过受灌体灌浆前后透水率的变化来评价灌浆效果，特殊压力下的压水试验还可评价岩体的抗劈裂性能，但不能获得围岩的变形参数。单孔或跨孔声波可通过经验公式获得围岩的变形参数，但误差相对较大[8-9]。而钻孔弹模测试可在钻孔不同深度测得岩体的变形参数，对岩体扰动小，测试便捷，尺寸效应小，所获参数接近岩体变形参数，其既可对灌浆效果进行评价又可为后续稳定性分析直接提供变形参数，因此已在工程中得到了大量应用[10]。本文基于某大型抽水蓄能电站V类围岩洞段水泥化学复合灌浆案例，介绍了钻孔弹模计测试原理、测试步骤和数据分析与运用方法，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

某抽水蓄能电站总装机4×320 MW，其最高净水头502.7 m，输水系统水平总长度2 449 m，其中中平洞衬砌后直径为9.2 m，衬砌厚60 cm，静水头约300 m。中平洞存在长约40 m的V类围岩洞段，该洞段发育有f24、f20和f80三条较大断层。断层均为全风化构造角砾岩，围岩见高岭土化，地下水多呈渗滴～线流状，最大渗水量约5 L/min～6 L/min。断层外围岩裂隙发育，裂隙走向总体与断层垂直。该洞段地质平面展布图见图1。

图1表明，该洞段断层破碎带、节理裂隙密集带占比大，断层与节理裂隙相互切割，且结构面呈滴水～线状流水，围岩稳定性差。隧洞开挖后，受结构面切割岩体失稳、断层部分泥化、高岭石/土扰动失水崩解等影响，塌方严重难成洞，采取超前支护及钢拱架与锚杆措施后，才完成了开挖与衬砌。

图1 V类围岩洞段地质平面展布图

针对该洞段围岩断层塌洞、松散堆积体与节理裂隙灌浆量大、扩散范围广、难以控制，以及断层泥化物质和高岭土化蚀变带浆液又难以浸入，且高压下结构面易劈裂及高水头等难题，采用首先深孔高压水泥灌浆，最后在水泥灌浆的基础上再进行水泥化学复合灌浆的加强处理措施。

深孔水泥灌浆完成后，再进行系统的浅孔水泥化学复合灌浆，复合灌浆以进一步填充前期水泥灌浆可能遗留的较大孔隙裂隙，以进一步提高岩体质量，化学浆液再浸润渗透填充水泥灌浆难以达到的部位，进一步增强围岩的整体性、强度和抗渗性。通过二者作用，首先发挥了水泥灌浆材料的高强、耐久、经济和环保等特点，又利用了真溶液类化学浆材易灌入围岩细微裂隙与孔隙的优点[11]。

深孔高压水泥灌浆环间距为1.5 m，每环15孔，环间钻孔梅花形布置，孔深入岩12 m，灌浆压力为4.5 MPa。水泥化学复合灌浆环间距为3.0 m，孔深入岩7.5 m，每环15孔，环间钻孔梅花形布置，灌浆压力为4.0 MPa。

2 测试原理和方法

2.1 测试原理

钻孔弹模计分柔性与钢性两种，考虑到本案例测试的对象为高压水工隧洞围岩，此次采用钢性钻孔弹模计。岩体钢性钻孔弹模计测试是利用钻孔弹模计内置的若干径向施压小千斤顶，在孔壁施加一条带状径向压力，根据压力与变形对应关系来计算岩体的弹性或变形模量。

钻孔弹模计的力学模型见图2，其基本原理是孔内条带状承压板在孔壁接触范围内施加对称均匀分布力。该力学模型可分解为两个简单的力学模型，见图2：A模型为在孔壁2β范围内径向加压，B模型为在2β范围内的径向压力与剪力作用。根据模型边界条件，两个力学模型依次求解后再叠加，便可得原模型的理论解[12-14]。

图2钢性钻孔弹模计力学模型示意图

A模型：在径向压力作用下，径向位移Ux满足下式：

(1)

B模型：在径向压力和剪力共同作用下，径向位移Ux满足下式：

(2)

式(1)和式(2)叠加后可得问题解，简记为：

(3)

式中：A为二维问题计算三维问题时的影响系数；H为压力修正系数；D为钻孔孔径，mm；ΔQ为试验压力，MPa；ΔD为孔径在相应压力下的变形，mm；T*(v,β)为和承压板施压接触角与岩体泊松比相关的修正系数。

现国内外基于上述基本原理的钢性钻孔弹模计已有近十种，其中美国的Goodman钻孔千斤顶最为常用。但由于Goodman千斤顶承压板纵向弯曲、钻孔孔壁与承压板曲率不匹配等问题，实测弹模值严重偏小。针对其不足，长江科学院岩基所基于Goodman钻孔千斤顶，研制了CJBE75/91-II型新型钻孔弹模计，增大了承压板刚度，加大了变形测量范围，提高了位移测试精度，其最大变形量测量范围为15 mm，位移传感器精度可达千分之一毫米[14]。

长江科学院研制的CJBE75/91-Ⅱ型钻孔弹模计仪器结构示意图见图3。

图3 CJBE75/91-Ⅱ型钻孔弹模计结构示意图

2.2 测试步骤

钻孔弹模测试根据《水利水电工程岩石试验规程》[15-16](DL/T 5368—2007、SL264—2001)的规定，采用逐级一次加/卸压循环方式，压力一般可分7～10级，其基本测试步骤如下：

(1) 地表组装、调试钻孔弹模计。

(2) 通过专用测杆将钻孔弹模计送至孔内拟测部位。

(3) 通过施压一小压力进行仪器预紧，使钻孔弹模计的承压板与钻孔孔壁完全接触并固定仪器。

(4) 测试采用逐级一次循环法，每级载荷施加完成后每3 min～5 min测读一次变形，当变形达到相对稳定标准后方可施加下一级载荷。

(5) 逐级升压到最大设定载荷后，再逐级卸载到初始载荷，卸压可越级卸压。

(6) 试验结束后，压力退至零并保持一段时间，移动钻孔弹模计再进行下一点测试。

3 测试成果及分析

本次在整个灌浆处理措施前未进行钻孔弹模测试，仅在复合灌浆前和灌浆后分别进行了3个孔和5个孔共50多点的测试。鉴于该水道系统的最大作用水头，最大工程压力取6 MPa，变形模量计算取2 MPa～6 MPa压力对应的模量。

从本案例的测试曲线看，总体上各测点的压力与变形过程曲线符合一般规律。一般钻孔弹模的典型测试过程曲线见图4。

图4钻孔弹模典型测试曲线和不同模量计算示意图

在加载过程中，一般压力与变形过程曲线通常可划分为三个阶段，及其所对应的变形指标测值。第1阶段为承压板与钻孔孔壁的预压接触阶段，该阶段变形量大，主要是钢性钻孔弹模计的承压板与孔壁的从分离至充分接触过程中的变形，其对应的计算模量E1无实际意义。第2阶段为围岩原生裂隙挤密、压密阶段，测试过程曲线非线性突出，其变形除主要的原生裂隙挤密、压密外，尚包括部分承压板与孔壁的接触变形，其所对应的计算模量为E2。有时为研究特定压力范围下岩体的变形指标，会计算E2值，其实际意义为特定压力下的岩体变形模量。第3阶段的压力与变形过程中，两者呈现出良好的线性变化关系，该阶段所计算获得的模量为岩体的弹性模量E3[14，17-18]。

本工程案例水道系统围岩的最大工程压力约为6 MPa，此次取2 MPa～6 MPa的割线模量计算复合灌浆前后的变形模量值。

由于塌方段地质条件复杂，各孔和各测点间的岩体变形模量和弹性模量差异相对较大。水泥灌浆后和化灌前，围岩近20个测点的岩体变形模量总体在1.7 GPa～8.6 GPa之间，均值为5.0 GPa。复合灌浆后34个测点的岩体变形模量在1.4 GPa～9.8 GPa之间，均值为5.3 GPa，灌浆后岩体的变形模量略有提高，但总体提高不明显。

本案例钻孔弹模测试是在系统深孔水泥灌浆后，浅孔系统复合灌浆前后测得的，未能得到整个洞段围岩处理前的围岩变形参数。但从隧洞开挖过程中的地质资料看，隧洞开挖支护完成后，围岩存在断层塌洞、空腔、软弱断层物质，及节理密集带等，整体强度低和变形参数低、透水性强，系统深孔水泥灌浆过程中钻孔塌孔严重，涌水、涌泥和涌沙现象多，经水泥灌浆处理后，围岩整体变形模量增加到了1.7 GPa～8.6 GPa之间，均值为5.0 GPa，且透水率满足85%小于2 Lu的要求。

后经系统水泥化学复合灌浆后30多个测点的岩体变形模量在1.4 GPa～9.8 GPa之间，均值为5.3 GPa，灌浆后岩体变形模量略有提高，但提高不明显。一是复合灌浆仅进行了少量水泥灌浆，总体上为化学灌浆，环氧灌浆材料是一种高强度低模量材料，对于这种地质条件和水泥灌浆效果相对好的情况，化学灌浆仅起补强和加强防渗作用。因此，化学灌浆后变形模量提高较小约6%，但防渗性能大大提高，灌后围岩透水率在高压压水条件下均小于0.5 Lu。

上述结果表明，这种地质条件下，最初的深孔系统水泥灌浆对较大裂隙和孔隙，及空腔充填作用好，围岩完整性、变形指标、抗渗性和强度均已得到很大提高。后期化学灌浆对剩余的较小裂隙和孔隙进行了进一步处理，鉴于环氧灌浆材料是一种高强度低模量材料，灌浆处理后的围岩抗渗性能提高大，强度从灌后芯样看得到了较大提高，但变形模量总体提高相对较小。

4 结 论

(1) 钢性钻孔弹模计现场施测便捷，其不仅是灌浆效果评价的一个主要手段，还可直接获得钻孔不同部位的岩体变形参数，为设计和科研直接提供变形指标参数。

(2) 对于该工程案例水道系统花岗岩断层蚀变带洞段围岩同时存在断层塌洞、松散堆积体与节理裂隙，既存在灌浆量大扩散范围广难以控制，又存在断层泥化物质和高岭土化蚀变带浆液又难以浸入，及高压下结构面易劈裂等问题，采取系统深孔水泥高压灌浆，再系统浅孔复合灌浆的综合处理措施效果明显。

(3) 鉴于环氧树脂灌浆材料是一种高强度低弹性模量的材料，在本案例地质条件和工况下，围岩化灌后岩体的强度和抗渗性提高较大，而变形模量提高则相对较小。