糜棱岩断碎地质引水隧洞高压固结灌浆技术研究

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

糜棱岩断碎地质固结技术一直是该类地质条件下水工隧洞开挖技术攻关的重点课题，事关工程施工效率与安全，也关系到工程长期运行的质量和安全。本文依托案例工程基础数据，借助有限元和流场分析模型，对糜棱岩断碎地质引水隧洞高压固结灌浆技术进行专题分析研究，以为同类工程应用提供研究和技术参考。

1 工程简述

四川锦屏电站总装机设计容量为3×65MW。引水洞总长度达18.50km，引水洞衬砌部分内径5.40m，喷混凝土衬砌部分内径6.60m。马蹄形开挖断面高6.68m。底宽5.06m；永久混凝土衬砌支护部分高5.40m，底宽4m，混凝土浇筑厚度60cm。主要不衬砌段永久支护方式为素喷混凝土、网喷混凝土、系统错杆或随机错杆，底板素混凝土衬砌厚度20cm。

隧洞区段存在大量节理破碎及断层，糜棱岩混合物主要以泥土为主，其间夹杂一定砂及碎石，呈饱水状态，没有胶结，自稳能力弱。破碎带透水性和可注性均较差，钻孔成孔难，也易塌孔，致使孔洞排水水量少且经常堵塞。其中T65断层多次出现突水突泥地质灾害。面对这样的糜棱岩断层地质，工程引水隧洞施工采用高压固结灌浆技术，即把水泥浆液通过高压注入破碎断层带，通过灌浆提升地层的整体性及抗渗性，改变原地质断层和破碎状态，保证施工安全实施和未来引水洞的长期安全运行。

2 断面高压注浆固结施工

2.1 注浆断面配置

糜棱岩断层强度弱，其自稳性因此而严重欠缺，此地质状态极容易遭遇涌水或突水，故该工程选择应用了高压注浆技术，而对碎弱岩体给与固结辅助。采取分段前进式注浆。采用跳打方式钻孔。全断面预注浆前，每循环设置C20混凝土止浆墙厚度100cm。安设孔口管于每孔起点段。采用φ80钻头对注浆段进行成孔操作，采用φ90钻头对孔口管段进行成孔操作。孔口管都要配置防突装置。注浆段分段注浆长度及里程如图1所示。

图1 分段高压注浆段落分布

2.2 注浆参数设计

a.起始注浆位置。破碎断层T65区段，起始压注位置，工程定位在0+306处。

b.分段注浆长度。注浆分段长度选择15m，每挖进10m，立即配合衬砌10m，以此类推，分段推进。当钻孔发生突水突泥时，立即停止钻进而实施固接。分段前进式钻孔注浆模式如图2所示。

图2 分段钻孔顺序

c.止浆墙及岩盘预留。采用C20混凝土，在每个循环的超前预注浆前，模筑厚度为100cm止浆墙。每个循环的注浆完毕再开挖，预留下段止浆岩盘5m。

d.注浆压力及扩散半径。主要为劈裂注浆，注浆扩散半径确定为2m，采用2～6MPa注浆压力，以尽可能控制地层扰动，防止突破止浆岩盘和止浆墙。

e.注浆孔布配。每循环布配注浆孔86个，其中1～23号孔的控制深度10m，24～43号孔的控制深度12m，44～86号孔控制深度16.50m。配置φ89×4mm孔口管，设置孔位布配及孔口管长度如图3和图4所示。

图3 孔位布配情况(单位：cm)

图4 立面布配情况(单位：cm)

2.3 注浆施工操作

a.安装孔口管。以φ90钻头先钻取3.5m的孔口段，之后把φ89x4mm的孔口管装配于孔口段。安装必须牢固，其与孔壁间，一般情况下应实施环氧树脂填充，如图5所示。

图5 孔口管及填充黏结示意

b.防突配置。因为这些破碎断层区域多为富水高压层段，出于工程安全需要，钻杆前段有必要配置一定的孔口防突设备。图6为卡盘根型的防突保障装置。

图6 防突卡盘根型装置

c.浆液制作。按选定的混合比例，借助高速拌浆机搅匀，并且成浆要经过1mm×1mm孔目网筛过滤，然后转入立式叶片揽拌机给与再次搅拌，务必保证浆质均匀。

d.压水测试。检测管路密封性，保证浆液通行畅通。连接注浆系统如图7所示。以一个压力阶段实施全孔压水测试。静水压力测试，静水压力为零压力，连续3次，每分钟一测量，在变化都小于平均压力值1%时，则其最后一次即视为静水压；之后对压力值读数和压水量读数每分钟一记录；变化的幅度，倘若连续4次观测中变幅值均不及平均值的1%即可认定为标准稳定。

图7 注浆系统配置

e.注浆速度和顺序。按照“先外环后内环，自下而上”顺序操作注浆。选取反复注入方式，压力由低到高渐次加压，浆液选取稀浓交替，注浆量控制与压力控制相结合。

f.注浆方式。采用分段前进式注浆，安装孔口管后，每5m钻进即实施注浆。之后启动下阶段的钻孔和注浆作业。采用间隔钻孔，跳跃式和套管柱塞式注浆。在孔深超过10m的孔位，须特别注意充分插入注浆管，如此才有可能获得孔底部合规的压注效率和压注效果。

g.注浆终止标准。延米每孔注浆量按0.2m3控制，注浆结束后涌水量延米每孔小于0.6L/min则可以结束压注。

h.应对异常情况。发生串浆溢出，有条件的，可选择多机同时压浆作业，倘若不具备此条件，则尽快塞堵串浆孔为宜。小裂口漏浆，先以水泥浸泡麻丝实施塞填，要调整配比好浆液，尽可能缩短凝结时间，如果还是继续发生跑浆，钻浅孔实施注浆固结就非常必要。钻孔遇突泥宜马上停钻处理。在施工操作中，一旦进浆量大了，但压力却较长时间不见提升，就有必要对混合比进行调整。充分的低压力小累量压注，可以给与岩层裂隙以浆液滞留的充分时间，非常有利于浆液凝结。当然，施工中也可采取间歇式压注，不过需注意间歇不可长于胶凝所需时间。

i.质量查验。选点开挖观测，查看浆液固结和渗透状态，取样进行抗压测试，保证固结抗压强度。根据压力表和注浆量读数记录分析注浆效果。注浆操作完成后，根据涌水量来衡量是否有必要在局部段位补配注浆。常规工程标准，孔涌水大于3L/min的要适当进行注浆追加。

3 灌浆围岩稳定性和渗流场有限元分析

3.1 有限元和流场模型述略

案例有限元三维计算选取范围：从注浆管棚区中心算起，25m范围内，待设孔围岩其后向取100m，已挖洞室其前向取进75m，垂直管中心线水平向，左右各取30m，下取30m，上取100m。计算坐标系取用如下：正对掌子面的洞室中心线取Y轴，掌子面右向水平取X轴，垂直前两者取Z轴，其垂直上向为正。高压注浆有限元三维模拟如图8所示。

图8 有限元三维分析模型

注浆渗流二维模型，本研究以四面体单元，分别按上述X=0及Y=10的剖面建立。注浆渗流场二维计算模型如图9所示。

图9 高压注浆渗流场二维计算模型

案例所处岩体基本均以四类围岩为主。本有限元模拟的主要参数见表1。

表1 有限元主要模拟参数

3.2 高压注浆局域围岩稳定性的影响

3.2.1 高压注浆影响局域围岩应力状态的分析

云图(图10～图12)揭示，围岩局域应力状态，在压注操作中，基本主要受到来自临空面的应力影响，存在应力集中问题。图12揭示，前方15m外的施工掌子面剖面，整个应力重分布，总体呈现逐渐减弱状态。应力分布云图揭示，围岩开挖临空面造成的应力集中，其最大拉应力超过了lMPa量值。

图10 基于掌子面剖面的压注前主应力分布 (单位：MPa)

图11 基于掌子面后15m剖面的压注前主应力分布 (单位：MPa)

图12 基于管中心线的纵剖面压注前主应力分布 (单位：MPa)

云图(图13～图15)揭示，围岩应力在注浆后发生重分布，原有应力集中状态得到了很大缓解；在1.3倍洞径范围内，高压注浆对稳定围岩发挥了作用，降低甚至消除了优势缝隙对围岩的控制；对比注浆前后，显然注浆增大了围岩抗压强度，其增幅在大于7MPa的范围。

图13 基于掌子面剖面的压注后主应力分布 (单位:Pa，以拉为正)

图14 基于掌子面后15m剖面的压注后主应力分布 (单位:MPa，以拉为正)

图15 基于管中心线的纵剖面压注后主应力分布 (单位:Pa)

3.2.2 高压注浆影响围岩形变状态的分析

云图(图16～图18)揭示，注浆扰动范围应与应力分布范围总体保持基本一致，均为向着掌子面和径向分布。主要为上向的径向分布形变，位置多在管棚的近边。受到最大程度挤压的围岩体均处于拱顶，围岩在高压注浆下主要承受压力作用影响。

图16 基于掌子面剖面的压注后附加合位移 (单位：m)

图17 基于掌子面后15m剖面的压注后附加合位移 (单位：m)

图18 基于管中心线的纵剖面压注后附加合位移 (单位：m)

3.3 高压注浆局域渗流场的影响

云图(图19～图23)揭示，初始状态下的围岩体渗透比降保持了恒定；但在施工开挖操作中，因为扰动影响，致使围岩压头。总水头等参数值发生改变，渗透比降也出现改变，尤其在掌子面近边达到最大。

图19 基于Y=0剖面的压注前总水头 (单位：m)

图20 基于Y=0剖面的压注前压头 (单位：m)

图21 基于X=0剖面的压注前总水头 (单位：m)

图22 基于X=0剖面的压注前压头 (单位：m)

图23 基于X=0剖面的压注前比降 (单位：m)

4 结 语

本文依托四川锦屏电站引水隧洞工程基础数据，借助有限元和流场分析模型，对糜棱岩断碎地质引水隧洞高压固结灌浆技术进行了专题分析研究。主要收获如下：梳理阐述了基于案例工程的糜棱岩断碎地质引水隧洞高压固结灌浆技术要点；对高压注浆局域围岩稳定性和渗流场影响进行了基于有限元和渗流场模型的专题数值模拟分析；印证、得出了高压固结灌浆在临空面存在应力集中影响但注浆后发生大力度缓解，受到最大程度挤压的围岩体均处于拱顶，注浆扰动使围岩压头总水头等参数值发生改变，渗透比降也出现改变，尤其在掌子面近边达到最大的分析结论。