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隧洞围岩灌浆

发布时间:2017-11-16 发布者:力程建设工程 点击量:

1 概述

隧洞灌浆主要是指用于水工隧洞、竖井、斜井和其它地下洞室的围岩或混凝土(钢衬)支护结构加固、防渗的灌浆工程,较多使用的有回填灌浆、围岩固结灌浆和接触灌浆。此外还有在隧洞掘进过程中遇地下水丰富的地层或十分破碎的地层时,用于阻水和临时支护的超前注浆;用于加强结构、改善受力状态的预应力灌浆等。在隧洞中还可能进行其它用途的灌浆,如帷幕灌浆、深层岩体固结灌浆等。

本节主要叙述回填灌浆和围岩固结灌浆。其它内容可参见本手册第2卷有关章节。

1.1 隧洞灌浆的一般要求

1 施工顺序

当隧洞中同一部位有多种灌浆时,一般应遵循先进行较低压力的灌浆,后进行较高压力的灌浆的原则。具体可按照下列顺序施工:

1)在混凝土衬砌段内的灌浆,应当先进行回填灌浆,后进行围岩固结灌浆;

2)当该部位布置有帷幕灌浆或高压固结灌浆时,应当先进行回填灌浆和围岩固结灌浆,后进行帷幕灌浆或高压固结灌浆。当该部位的防渗帷幕是由上下两层搭接而成时,宜先进行水平衔接帷幕的灌浆,后进行垂直帷幕的灌浆。

有一些工程由于没有按照正确的顺序施工,致使施工资料混乱,严重者甚至导致隧洞衬砌混凝土开裂的事故。

3)对于钢板衬砌的隧洞,如钢板衬砌是在混凝土浇筑后施工,各种灌浆的顺序同上。如钢板衬砌与混凝土浇筑同时完成时,则灌浆工程应在钢衬内钻孔或通过预留孔进行。

4)混凝土衬砌与围岩之间的回填灌浆,应在衬砌混凝土强度达到70%后进行。如以龄期计算,建议在衬砌混凝土浇筑14d后进行。有的时候工期很紧,可在衬砌混凝土中加入适量早强剂,这样7d龄期的强度也可接近28d强度的70%左右。总的考虑是希望衬砌混凝土有足够的强度,水化热温升趋于稳定。

围岩固结灌浆宜在该部位回填灌浆结束7d后进行。

5)钢衬接触灌浆施工应当在混凝土温度稳定、体积收缩完成或基本完成以后,规范要求在衬砌混凝土浇筑结束60d后进行。

2施工布置

隧洞内施工场地十分狭窄,有时候还有多个分部工程平行或交叉作业,因此搞好施工布置是实现安全施工,保证灌浆工程质量和加快工程进度的重要条件。

1)风、水管及电缆布置。隧洞灌浆的供风、供水干管及电缆干线应通过支架架设在隧洞的侧壁上,不得随意平铺在地板上。隧洞照明应使用安全电压,电线宜架设在隧洞顶拱上。

2)通讯联系。隧洞中施工时,洞外与洞内、洞与洞之间联系很不方便,因此通讯十分重要。应当铺设电话线,建立起施工现场的电话网,并且最好能与后方办公系统相连接。

3)保持良好通风。一般说来,灌浆施工本身产生的废气很少,如隧洞能保持开挖和混凝土衬砌施工时的通风状况即可满足灌浆施工要求。但是,如需在隧洞中设置水泥浆搅拌站(制浆站),或需进行化学灌浆时,则应当采取专门的通风措施。

当相邻工作面正在进行开挖、混凝土浇筑等作业时,应当防止这些工作面的废气(炮烟、汽车尾气等)对本施工区域的污染。

4)污水、泥浆和岩屑的排除。隧洞灌浆施工中,会产生大量的污水、泥浆和岩粉岩屑,必采取有效的排水清污措施。

通常应当注意的是首先要及时清除岩屑岩渣和废浆沉淀,尽量实现渣水分离。污水的排泄应尽量利用地形实现自流,无法自流的可通过排水沟流至结构物已有的集水井(或通过开挖、筑堰形成的临时集水池)中,然后使用污水泵(渣浆泵)抽出洞外。

5)制输浆系统。隧洞灌浆的水泥浆制浆站应尽量布置在洞外,可布置在靠近洞口、交通方便的地方。如果隧洞很长或两个支洞间的距离很大时,可在其中间设立输浆站,通过输浆站将浆液输送到灌浆机组。

无论是风、水、电、浆供应,或是通讯、通风、排水的各种管线的架设,通常都是自洞口至洞内工作面或者自工作面至洞口,往往距离很长,这一方面加大了临时工程的工程量,另方面也不利于管路和线路的运行维护。有许多工程充分利用地形高差,在地面和隧洞之间,或高程不同的多层隧洞之间,选择适宜的地点钻设连通孔,通过这些连通孔铺设输水、输浆、管路和输电、通讯线缆,或是用来通风、排水,收到了很好的效果。钻设连通孔时,要注意控制孔斜,保证钻孔出口在预定的范围内。钻孔孔径可根据具体用途确定,通常在Φ66130mm范围内,当用于通风时,应为Φ300mm以上。

6)施工台架(台车)。进行隧洞灌浆特别是顶拱部位的灌浆时,必须搭设施工平台,也可制造或购买专用的设备。这种设备和平台应能同时满足钻孔和灌浆等各项操作的需要,应能顾及保持隧洞的交通。根据具体条件,钻灌平台可选择固定式和移动式两种。固定式就是脚手架;移动式是一种钻灌台车。当隧洞轴线很长时,宜采用移动式钻灌台车。移动台车可采用轮胎式及轨道式两种形式,移动方式可以为牵引和自行。

 

6-1 电动钻灌台车

广西天生桥二级水电站直径为8.79.8m的引水隧洞灌浆施工时,引进了日本的ZC6784型全液压单臂架四轮龙门式灌浆台车,这种台车上安装有液压凿岩机、凿岩机导杆、升降工作台、行走系统、液压系统、风水电系统以及制浆、灌浆、起重设备,可以前后行走、转向,功能齐全,效率很高。但由于该隧洞很长,灌浆工程量很大,工期很緊,此种设备价格昂贵,无法大量引进,因此承担施工的中国水利水电基础工程局研制了一种ZZGC9.8型电动钻灌台车(图6-1),台车自重10t,有效荷载6t,为电动自行式,车轮轮距3130mm,轴距4320mm,可双向行走,可转向。台车上装有:YYG120型液压凿岩机1台、高速搅拌机2台、高压灌浆泵(100/102台、单臂吊车1台(起重量0.5t~1t),台车设备总动力105kW。台车长宽高尺寸为5420×6000×3790mm

这种台车可在直径φ8.7m~φ9.8m隧洞中钻0~360°径向辐射孔。钻孔直径不大于φ130mm。深度不大于10m。在天生桥工程中完成了大量的钻孔灌浆工程量。

1.2 变形监测

总的说来,隧洞内的各种灌浆都应当在安全压力下实施,安全压力的确定可遵循有关规范或参考已有的工程实例。在这样的条件下灌浆,一般在操作过程中注意控制好灌浆压力的使用和注入率的变化,即可防止混凝土衬砌或岩体的抬动破坏,而不需安设仪器进行专门的隧洞变形监测。

当进行高压灌浆或有专门要求时,则需进行隧洞的变形监测。比较简易实用的方法是测量隧洞内径的变化,如图6-2所示。

2 回填灌浆

2.1 灌浆孔的设置

1)灌浆孔的布置

隧洞回填灌浆孔主要应布置在顶拱中心角90°~120°范围之内,每排孔数依隧洞直径达小而定,直径小于5m时可为13个孔,排距26m(图6-2)。其它部位仅在发生大坍塌或发现大空洞等情况时才有必要。

 

6-2 回填灌浆孔布置

回填灌浆应按分序加密的原则进行,灌浆孔可分为两个次序,例如奇数排为Ⅰ序,偶数排为Ⅱ序。为了易于保证灌浆效果,规范规定两序孔中都应包括顶孔,因此在布孔时应尽可能按方格形布置。这样每排灌浆孔中均有顶孔。如必须按梅花形布置(图6-2)时,可将顶孔布置为Ⅱ序孔。同一排上的各孔为同一序孔。

2)钻孔要求

素混凝土衬砌的隧洞回填灌浆孔,可在混凝土衬砌完成后采用凿岩机或其它钻机直接钻进。

回填灌浆孔孔径不宜小于38mm,当回填灌浆孔以后还要加深进行固结灌浆时,则孔径应当满足固结灌浆钻孔的要求。灌浆孔的孔深在脱空区钻透混凝土即可,在没有明显脱空的部位宜深入围岩510cm,以便于根据岩屑鉴别孔深已符合要求。

3)预埋灌浆管

对于钢筋混凝土衬砌的隧洞,为了方便钻孔和避免在钻孔时打断钢筋,宜在混凝土衬砌中设置预埋管(钢管或塑料管),之后通过预埋管进行钻孔和灌浆。遇隧洞顶拱发生坍塌、多量超挖或与溶洞连通,回填空腔很大时,也应在该部位预埋灌浆管,埋管数量应不少于2根,其出口应在空腔的最高处,以利于进浆和排水、排气。

值得注意的一是预埋管的位置应当准确记录或留有标志,以便于拆除模板后容易寻找;二是预埋管管口露出后仍应使用凿岩机或钻机扫孔钻进至基岩或脱空区,以保证灌浆通畅。

2.2 灌浆前的准备工作

1)对在灌浆前发现的大空腔,应尽量在浇筑衬砌混凝土时填满。无法填满混凝土时,应设法以毛石、碎石、卵砾石充满。

2)仔细检查待灌浆的隧洞。发现衬砌表面有漏水的孔道、裂缝、止水不严的结构缝或其它缺陷,采用麻丝、木楔、速凝砂浆等妥善堵漏。  

2)备足水泥。根据钻孔发现的顶拱脱空情况或其它资料,估计所灌注的隧洞区段内被灌注空间的总体积,储备足够的水泥等灌浆材料,以便一次连续灌注至结束,避免灌浆过程中断带来诸多不利。

2.3 灌浆方法

与其它灌浆一样,回填灌浆也应当遵循一定的方法程序,否则难以做到饱满密实。施工开始时,先钻出第Ⅰ次序孔,然后自低端孔向高处孔顺次进行灌浆。当低处孔灌浆时,高处孔会自然排出气体和积水,接着排出浆液,当排出浆液达到或接近注入浆液的浓度时,则封闭(塞住)低处孔,改在高处排浆孔继续灌注,……依此类推,向前赶灌,直至最后一孔。第Ⅰ次序孔完成后,按同样的程序进行第Ⅱ次序孔的钻孔灌浆。

各孔灌浆时均采用纯压式灌浆法。

如某一孔(或一排孔)灌浆时,高处孔已不再排出浆液,则该孔应灌注达到结束条件。然后再进行下一孔的灌浆。

回填灌浆的灌浆压力应视混凝土衬砌厚度和配筋情况而定,对于素混凝土衬砌可采用0.20.3MPa;钢筋混凝土衬砌可采用0.30.5MPa。Ⅱ序孔的灌浆压力可为Ⅰ序孔的1.52倍。

2.4 灌浆浆液

在多数情况下,回填灌浆的浆液均采用纯水泥浆。水泥的强度等级可为32.5级或以上。Ⅰ序孔可灌注水灰比为0.5(或0.5):1水泥浆,Ⅱ序孔可灌注水灰比1:11:0.6(或0.5)两个比级的水泥浆液。灌注空腔大的部位,可在浆液中加入粉煤灰、石粉等,或使用水泥砂浆,掺砂量不宜大于水泥用量的200%。当使用水泥砂浆时,应当注意防止浆液析水分离,许多工程有过教训。砂浆中掺入适量膨润土(占水泥重量5%以下)可改善浆液的流动性和稳定性。

对于重要的水工隧洞,采用的水泥混合浆液或砂浆,应当进行室内配比和性能试验,浆液结石的弹性模量应当大于隧洞围岩的弹性模量,确保满足设计对结构受力的要求。

2.5 特殊情况处理

1)中断  隧洞回填灌浆孔多为孔口向下的倒孔,灌浆过程中一旦发生中断,正在灌浆的孔和许多已排出过浆的孔都可能会被堵塞。因此灌浆前要充分做好准备工作(参见本节2.2),尽量避免中断。不得已发生中断后力求在30min以内恢复灌浆。如中断时间过长,或恢复灌浆后注入率明显减少,甚至不吸浆,则必须对灌浆孔和已排浆的串浆孔进行扫孔,扫孔深度要达到基岩或透入空腔,而后进行复灌。

2)漏浆  根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、加浓浆液、降低压力、间隔灌浆等方法处理。

3)混凝土衬砌变形或裂缝  当灌浆过程中注入率突然增大,或意外地长时间大吸浆,这时有可能是混凝土衬砌发生了变形或裂缝,应当立即停止灌注,查清发生问题的部位和原因,以及可能造成损害的程度,确定继续灌浆的措施。复灌前必须充分待凝,复灌时应低压、慢速(小注入率),并加强观测。

2.6 灌浆结束与封孔

在设计压力下,当灌浆进行到灌浆孔停止吸浆后,延续10min,即可结束灌浆。

对于隧洞顶部倒孔或其它结束灌浆后孔口返浆的灌浆孔,结束灌浆时应先关闭孔口闸阀再拆除管路,防止灌入孔内浆液倒流出来。

对于回填灌浆完成后没有其它用途的灌浆孔应及时封堵,封堵方法参见本节3.5

有的回填灌浆孔需要加深再进行固结灌浆,则在固结灌浆完成后再进行封孔。

2.7 回填灌浆质量检查

1检查孔的布置和检查的时间

回填灌浆检查孔应布置在顶拱中心线上、脱空较大和灌浆情况异常的部位,孔深应穿透衬砌深入围岩10cm。 压力隧洞每10m15m洞段长(基本上为一个衬砌段)宜布置一个或一对检查孔,无压隧洞的检查孔可适当减少,或通过分析灌浆资料确定。

回填灌浆的质量检查如采用注浆试验(包括连通试验)应在该部位灌浆结束7d以后;如进行钻孔取芯检查应在该部位灌浆结束28d以后。

2 检查方法和合格标准

1)单孔注浆试验  即向检查孔内注入水灰比为2:1的水泥浆,压力与灌浆压力相同,测量初始10min内的注入浆量。若注入浆量不大于10L为合格,则灌浆工程质量合格。

2)双孔连通试验  即在指定部位(通常应当是拱顶)布置2个间距为23m的检查孔,向其中一孔注入水灰比为2:1的水泥浆,压力与灌浆压力相同,若另一孔出浆流量小于1L/min为合格。

3)检查孔及芯样检查。在拱顶钻检查孔获取岩芯,观察岩芯,必要时使用仪器或简易工具探测钻孔。若无脱空现象,浆液结石充填饱满密实,强度满足设计要求为合格。

根据工程条件和要求可选用一种或两种检查方法。

在实际工程中有时隧洞灌浆的工期很紧,回填灌浆完成以后,紧接着要进行围岩固结灌浆和别的工序,难以等待很长的待凝时间。在这种情形下,有的工程回填灌浆的质量检查通过分析资料解决,或安排在固结灌浆后进行补充检查。

3 围岩固结灌浆

3.1 固结灌浆孔的布置和分序

隧洞围岩固结灌浆孔的布置主要依据围岩状态,结合隧洞的大小、内外水压力等情况综合考虑确定。

钻孔的方向除特殊情况需考虑岩石的层理或主要裂隙的方向外,一般均按径向或垂直于衬砌表面布置。每一环(排)灌浆孔孔数不宜少于6个,在横剖面上保持均匀对称。

灌浆孔的排距,对裂隙型岩石可为24m。钻孔深入围岩的深度可为1倍隧洞洞径。在断层、破碎带等局部地段,孔排距应密一些,孔深也需要适当加大。图6-3为某工程引水隧洞针对不同条件的围岩的几种固结灌浆典型布置图。

6-3 某工程引水隧洞围岩固结灌浆典型布置

隧洞围岩固结灌浆孔的施工常采用按环间分序,环内加密的方法,环间可分为两序或三序。例如第135……环孔为Ⅰ序孔,第246……环孔为Ⅱ序孔。同一环(即同一序)孔的施工最好也应遵循间隔加密的原则(实际等于增加两序),也有的工程遵循由低到高依次进行的次序。

3.2 钻孔与冲洗

1 钻孔

固结灌浆孔的孔径一般为38mm56mm,通常采用钻机直接钻透混凝土衬砌再钻入围岩。钻孔机械可用风动凿岩机、液动凿岩机、潜孔锤钻机以及其它类型的钻机。

当混凝土衬砌中钢筋十分密集时,可在混凝土中预埋灌浆管(钢管或塑料管),也可在孔口预埋指示孔位的灌浆盒。预埋管内径比钻孔直径应大20mm以上。预埋管管口或灌浆盒要留有在拆模后便于寻找的标志,有的工程曾有埋管后因找不到管口而造成损失的教训。

2 钻孔冲洗、裂隙冲洗和压水试验

固结灌浆孔钻进完成后,应使用大风量压缩空气或大水流进行钻孔冲洗,冲净孔内岩粉和泥渣。

当进行裂隙冲洗时,应安装循环式管路,使用压力水进行冲洗,冲洗时间应不大于15min或至回水清净为止。冲洗压力为灌浆压力的80 %,并不大于1MPa

灌浆前钻孔压水试验可选取少数孔(规范要求不少于总孔数的5%)进行,在裂隙冲洗后按单点法要求试验。其它孔可结合裂隙冲洗进行简易压水。

各种裂隙冲洗和压水试验方法参见本章第五节。

有些隧洞围岩地质条件差,岩层遇水后会软化,或带来其它不利影响,这就不能进行冲洗,也不能进行压水试验,甚至也不能灌注较稀的浆液。

3.3 灌浆方法与压力

围岩固结灌浆通常采用纯压式灌浆法。当灌浆孔基岩段长度小于6m时,可全孔一次灌浆,基岩段较深或不良地质地段的灌浆孔宜分段灌注。

各灌浆孔宜单独进行灌注,由隧洞底部开始两侧对称向上进行。在地层均匀、注入量较小的地段可进行并联灌浆,但并联孔应位于同一环上对称分布,孔数不宜多于3个。并联灌浆是指用一台灌浆泵采用并联方式同时对2个或多个灌浆段进行灌浆(图6-4)。

固结灌浆压力的大小取决于隧洞围岩的性质、埋藏条件、完整程度以及衬砌形式,在有压隧洞中与作用水头有关。我国水工隧洞固结灌浆压力一般采用0.5MPa~2.0MPa。高水头隧洞的灌浆压力应通过灌浆试验确定。

6-4 并联灌浆示意图

 

3.4 灌浆浆液

固结灌浆通常采用纯水泥浆液。可采用普通硅酸盐水泥;当地下水具有侵蚀性时,应采用抗侵蚀水泥;水泥的强度等级可为等于或大于42.5。浆液水灰比可采用2:1、1:1、0.8;10.5:1,由稀至浓灌注。

3.5 灌浆结束条件与封孔

围岩固结灌浆各灌浆段的灌浆结束条件为:在设计压力下,当注入率不大于1L/min后,继续灌注30min即可结束。

当采用多孔并联灌浆时,有的工程结束条件适当放宽(注入率稍大)。但也有的工程坚持同样的条件,理由是并联孔通常是注入率小的孔。

固结灌浆孔灌浆结束后应妥善封孔。常用的封孔方法有:

1)全孔灌浆封孔  清除灌浆孔内积水和污物,将灌浆塞塞于孔口,采用0.51水泥浆和允许最大灌浆压力,对该孔进行纯压式灌浆,持续90120min。为提高效率,可一环孔(610孔)串联施工(图6-5)。此法封孔质量好,适用所有固结灌浆孔和检查孔的封孔。所有灌浆后孔口依然渗水的灌浆孔应当采用这种方法封孔,隧洞上半圆的倒孔也宜采用这种方法封孔。有的孔一次封不好,可以扫孔后再次封,可以采取屏浆和闭浆措施。

    

6-5  多孔串联封孔

2)导管注浆封孔  将导管(胶管或铁管)下至钻孔底部,冲净孔内污物,向导管内泵入0.51水泥浆,置换出孔内积水,待浆液凝固即可。也可用砂浆代替水泥浆。此法适用于隧洞下半圆孔口不渗水的灌浆孔。需要特别注意的是,绝对禁止不通过导管直接从孔口倒入封孔浆液,那样孔下部的积水或稀浆不能置换出来,留下了可能渗水的通道。

3)砂浆枪封孔  清除灌浆孔内积水和污物,使用砂浆枪将预拌好的灰砂混合物(水:水泥:砂=0.3:1:1)喷射入孔内,直至孔口。此法适用于孔深不大于5m的、孔口不渗水的灌浆孔。

4)人工投入砂浆或水泥球封孔  清除灌浆孔内积水和污物,人工向孔内投入用稠水泥浆或砂浆搓制的泥球,并用木棍或钢筋分层捣实,直至孔口。此法适用于孔深不大于3m、钻孔方向向下或倾斜角度不大、孔口不渗水的灌浆孔。

5)孔口处理  采用以上方法,特别是(1)、(2)法封孔后,待浆液析水凝固,孔口还会留下少许空余段,需要使用干硬性水泥砂浆填满压实抹平。

封孔用水泥应与灌浆水泥相同,并宜加入减水剂、膨胀剂,以改善浆液、砂浆的施工性能,提高浆液结石的抗渗防裂能力。减水剂和膨胀剂的掺用方法参照商品说明进行试验确定。

3.6 灌浆工程质量检查

围岩固结灌浆工程质量检查,一般情况下可采用钻检查孔进行压水试验的方法,试验为单点法。有条件时宜测定围岩灌浆前后的弹性波波速或弹性(变形)模量。重要的地质条件复杂地段也有采用声波、地震波或电磁波CT层析成像的。

压水试验检查的时间应在该部位灌浆结束3d以后,有条件时宜在7d以后。检查孔的数量不宜少于灌浆孔总数的5%。检查孔布置的原则可参见本章第六节6.1.1

当进行压水试验检查时,试验采用单点法,压水压力为灌浆压力的80%,并不大于1MPa。合格标准为:85%以上试段的透水率不大于设计规定,其余试段的透水率不超过设计值的150%,且分布不集中。我国多数水工隧洞围岩固结灌浆采用的透水率标准为3Lu,承受高压的引水隧洞有的为1Lu或小于1Lu

当进行岩体弹性波波速测试时,检查时间应在灌浆结束14d以后;当进行岩体弹性(变形)模量测试时,检查时间应在灌浆结束28d以后。

弹性波测试可采用单孔声波法和跨孔声波(或地震波)法,常用的仪器有SYS-2型岩石声波参数测定仪、12道和24道地震仪等。一般需要测定灌浆前和灌浆后的波速,以对比经过灌浆以后岩体性能改善的程度。进行弹性波测试的技术要求可遵照《水利水电工程物探规程》DL5010-1992.

弹性模量(或变形模量)的测试常采用钻孔膨胀计法。试验的技术要求可遵照《工程岩体试验方法标准》GB/T 50266-1999和《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001执行。

隧洞围岩经固结灌浆后弹性波和弹性模量应当达到的指标或应提高的比例,因岩石性质和工程要求各有不同,应当具体工程具体确定。

4 高压固结灌浆

近年来由于一批高水头和长距离引水电站,特别是抽水蓄能电站的兴建,隧洞高压固结灌浆已在不少工程中应用。但由于各工程情况不同,施工要求及方法差别较大,因此本节仅提出一般要求,同时介绍几个工程实例以供参考。

4.1 一般要求

进行高压固结灌浆既要满足一般固结灌浆的要求,又具有以下的特殊要求。

1)由于需要进行高压固结灌浆的隧洞工程技术条件和要求差异较大,灌浆工程的技术也较为复杂,因此设计和施工前应当进行现场灌浆试验,以确定适宜的工艺参数和灌浆后可能达到的技术指标。

2)与普通固结灌浆较多采用全孔一次灌浆法不同,高压固结灌浆应当分段进行,即使孔深不大(如≤5m),也应当分成2段灌浆。通常是靠近衬砌的孔口段以较低的压力先灌,之后以较高的压力灌注孔底段(或全孔)。

3)隧洞高压固结灌浆一般钻孔浅(通常不大于10m)、孔数多,不便安设孔口管进行孔口封闭,需要使用灌浆塞阻塞隔离孔段,灌浆塞必须承受高压,普通的灌浆塞不能满足要求,因此要使用高压灌浆塞。我国的几座水电站引水隧洞曾经使用了法国制造的胶囊式灌浆塞和自行研制的灌浆塞。

灌浆泵和管路系统也应能满足在高压力下工作的要求。灌浆泵应当配备稳压器,减小灌浆压力的波动。

4.2 天生桥二级水电站引水隧洞不良地质段高压固结灌浆

1 工程概况及灌浆要求

天生桥二级水电站3条引水隧洞各长9.7km,钢筋混凝土衬砌内径一般为9.8m,局部8.7m,衬砌厚度一般为0.4m,不良地质段最大加厚至1.55m。沿线主要岩层为三迭统灰岩和白云质灰岩,最大埋深800m,有许多洞段工程和水文地质条件复杂,岩溶发育强烈。为最大限度地加固围岩,确保隧洞安全运行,决定进行高压灌浆加固,最大灌浆压力初期确定为4MPa,后提高到6MPa

1号隧洞不良地质段高压固结灌浆加固钻孔的典型布置为每环15孔,孔深根据岩石的类别分别为6m7.5m8m。环距1.5m2.0m。每个灌浆孔还兼作锚杆孔,先进行高压固结灌浆,之后在每个孔中插入Φ28mm螺纹钢筋锚杆。

2 主要施工方法

钻孔  为了加快施工进度使用了各式可用的钻机,包括风动导轨式凿岩机、风动潜孔锤钻机、回转式岩芯钻机,电动矿山钻机,钻机以及灌浆设备均安装在自制的电动钻灌台车上。个别不需要保持交通的洞段搭设满堂红架子平台。钻孔孔径适应钻机能力选用Φ5090mm

灌浆  采用自上而下(由浅至深)分段纯压式灌浆,允许多孔并联。使用专门研制的机械式高压膨胀灌浆塞。灌浆分段和使用压力如表6-1。  

6-1  灌浆分段和使用压力(单位:MPa

灌浆次序

第一段(03m

第二段(38m

2

4

2.5

6

 

灌浆材料使用42.5普通硅酸盐水泥,灌注溶洞时使用32.5级水泥。浆液配比自5:10.5:1,分六级变换。

灌浆结束条件要求达到:注入率小于或等于0.5L/min后持续1.5h;达到设计压力后总灌注时间不少于2h。对于单孔或多孔并联灌注均适用此条件。

为防止灌浆过程中压裂混凝土衬砌,在每一个灌浆单元(一个混凝土浇筑段,一般长15m)安设了一组抬动观测装置(图6-6)。

天生桥二级水电站1号引水隧洞不良地质段共计1617 m,完成高压水泥灌浆97684m,平均单位注入量131.4kg/m,插入锚杆12840根。灌浆后经布设5%的检查孔进行压水试验检查,透水率全部小于1Lu;重点加固部位的平均声波波速一般可提高到4500m/s以上,个别洞段在3800m/s以上。该工程于19922月至10月实施,是我国水工隧洞首次进行围岩高压固结灌浆的工程实例,至今已安全运行10年,效果良好。

 

6-6 隧洞衬砌变形监测装置

 

4.3 广州抽水蓄能电站高压引水道下平洞和岔管灌浆

1 工程概况及灌浆要求

广州抽水蓄能电站高压引水道由斜井、下平洞和岔管组成,采用钢筋混凝土衬砌。下平洞长215m,内径Φ8m;岔管段主管长62.845m,内径由Φ8m渐变至Φ3.5m。衬砌厚度均为60cm,混凝土抗压强度29.4MPa,抗渗等级W12,承受最大静水头610m,最大动水头725m。隧洞深埋於黑云母花岗岩中,大部分地质条件较好,为Ⅰ、Ⅱ类围岩。下平洞需进行顶拱回填灌浆和固结灌浆,岔管段进行回填灌浆、浅孔接触灌浆、帷幕灌浆和固结灌浆,均采用42.5级普通硅酸盐水泥灌注。岔管工程由美国哈扎公司担任设计咨询。

回填灌浆的孔位系先利用浅孔接触灌浆或固结灌浆的孔(顶孔),Ⅰ序孔孔距6m,最终孔距3m。其它类型的灌浆孔相互形成梅花形布置。浅孔接触灌浆主要用来处理混凝土与岩石间的接触缝,并加固围岩因爆破而产生的松动圈(广蓄多次实测深度为0.81.2m),最终为高压灌浆创造条件,孔深2.5m,排距3m,每排10孔。固结灌浆原设计为入岩深度68m,后因地质条件较好改为从混凝土面起算5m,排距3m,每排810孔。对断层等部位增加了布孔。

因衬砌布筋较密,所以在衬砌前对各种类型的灌浆孔均进行预先埋管,管径为Φ50mm和Φ75mm

2 主要施工方法

下平洞灌浆依照先回填灌浆,后固结灌浆的次序进行,岔管灌浆依照回填灌浆、浅孔接触灌浆、帷幕灌浆、固结灌浆的先后顺序进行。

回填灌浆分两个次序灌注;浅孔接触灌浆不分次序,从低孔开始往高孔顺次灌注;帷幕灌浆按排分序,排内由低到高逐孔灌注;下平洞固结灌浆不分序,由低到高逐孔灌注,每孔分成两段,先钻灌孔口段,后再加深灌注第二段;岔管段固结灌浆按照排间分序,排内加密(实际为4个次序),由低孔往高孔按序施灌。

钻孔主要采用手风钻和阿特拉斯风动凿岩机进行,孔径Φ45mm。钻孔结束后利用钻机的风与水进行孔内清洗。

压水试验在固结灌浆中分3个压力等级进行,即2.54.56.5MPa。前两级压力压水试验分别在Ⅰ序5#、9#孔和Ⅱ序2#、8#孔中进行,第3级压力压水试验在Ⅳ序的5#和9#孔中进行,栓塞深入围岩0.6m处。

各种灌浆均采用纯压式灌浆法,使用SGB610型灌浆泵,自制GJ2001高速搅浆机,法国制造的RB422充气栓塞。

浅孔接触灌浆要求一次性把所有的孔(或一区段内的孔)全部钻孔完毕才允许开灌。在灌浆过程中如果发生相互串浆现象,一般不予堵塞,而是把主灌孔移至串浆孔;若多孔相串则实行并联灌注。

岔管固结灌浆采用了两种不同的灌浆方法,第一种系以往隧洞固结灌浆常用的方法,即钻Ⅰ序孔至设计孔深,栓塞置于混凝土衬砌中,用2.5 MPa灌浆压力施灌,然后用同样程序,以4.5MPa灌浆压力施灌Ⅱ序孔。第二种灌浆方法是在第Ⅲ、Ⅳ序孔中实施,即在Ⅱ序孔灌浆结束后,钻Ⅲ序孔至设计孔深,每个孔再分为两个灌浆段:首先把栓塞置于岩石中1.5m处,用6.5MPa压力施灌远离衬砌段;该段灌浆结束后,若无浆液回流现象,则把栓塞起拔置于衬砌中,用4.5MPa压力施灌靠近衬砌的一段,若有浆液回流现象则待凝12h再予实施。然后用同样程序和灌浆压力施灌Ⅳ序孔。

根据计算和灌浆试验成果,岔管混凝土衬砌不能直接抵抗6.5MPa外水压力的作用,因此灌浆施工中必须谨慎使用高压。本工程采用的原则是:首先用低、中压灌浆固结内圈围岩,提高其抗外压能力,使其与衬砌联合受力能承担更高灌浆压力,然后对外圈围岩进行6.5MPa的高压固结灌浆。下平洞和岔管段各种灌浆的压力使用情况如表6-2

 

 

 

6-2 广蓄下平洞和岔管段各种灌浆的压力使用情况

部位

灌浆

类型

排号

孔号

灌浆

次序

孔深(m

段位(m

灌浆压力

MPa

下平洞

固结

 

 

 

5.0

0.62.5

3.0

 

 

 

2.55.0

6.5

岔管

接触

 

 

 

2.5

 

1.0

帷幕

 

 

6.012.0

 

2.0

 

 

6.012.0

 

4.5

固结

奇数

奇数

5.0

 

2.5

偶数

5.0

 

4.5

偶数

奇数

5.0

0.62.5

4.5

2.55.0

6.5

偶数

5.0

0.62.5

4.5

2.55.0

6.5

 

灌浆时还注意灌浆压力的升速和升幅,视注入率情况加以调控。对浅孔接触灌浆,若注入率≤30L/min采用一次升压法;对帷幕和固结灌浆,若注入率≤30L/min,起始压力采用接触灌浆的最大压力,然后每5min升压0.51MPa;固结灌浆由4.5 MPa6.5MPa阶段,规定每30s升幅为0.50.6MPa

浆液配比采用5:13:12:11:10.8:1五级。起始水灰比在Ⅰ、Ⅱ类围岩采用5:1Ⅲ、Ⅳ类围岩采用3:1。然后视注入率与压力的变化情况每注入400L逐级变换。

灌浆结束条件为:不论何种灌浆,凡最大设计压力≤4.5MPa者,当注入率≤0.4L/min时持续20min,即可结束;对最大压力要求达到6.5MPa者,当灌浆压力在4.5MPa20min内注入率≤2.5L/min,则升压至6.5MPa持续5min结束;若升压后岩石发生劈裂,则应将压力回降,并续灌至水泥总注入量达1t后结束。

封孔采用微膨胀水泥砂浆封填。

工程于19926月至12月实施,灌浆成果见表6-3

在灌浆过程中和灌浆结束后,对混凝土衬砌和围岩进行了监测。在环向28个应变测点中,受拉测点只有2个,测值为01个,其余25个测点均受压,岔管衬砌获得了平均约2.7MPa预压应力。灌浆过程中混凝土衬砌没有发生劈裂破坏现象。在岔管顶部钻设观测孔时,在远距洞顶18m处取出的岩芯中发现有胶结密实坚硬的水泥结石。

 

6-3 下平洞及岔管灌浆成果表

部位

灌浆

类别

次序

孔数

(个)

总孔深

m

灌浆段长

m

灌浆压力

MPa

注入水泥量

总注入

kg

平均单灰

(kg/m)

下平洞

固结

0.6-2.5

593

2965.0

1126.7

3.0

2836.1

2.5

2.5-5.0

1482.5

6.5

6068.7

4.1

岔管

接触

 

243

753.3

607.5

1.0

1092.7

1.8

帷幕

41

343.5

318.9

2.5

246.0

0.8

42

368.4

316.2

4.5

79.3

0.3

合计

83

711.9

635.1

 

325.3

0.5

固结

71

489.0

426.4

2.5

210.6

0.5

69

460.2

415.8

4.5

102.9

0.25

50

294.8

189.8

4.56.5

34.8

0.2

51

301.8

194.7

37.1

0.2

合计

241

1525.8

1226.7

 

385.2

0.3

 

灌浆后进行了压水试验,岔管段压水压力6.5MPa,压水 44段,最大透水率为0.08Lu37段为0。高压引水道充水后,597m水头稳压5天,在有关的漏水点测得总渗漏流量为0.84L/s。各方面情况表明高压灌浆是成功的。

4.3天荒坪电站高压隧洞的灌浆施工

1 工程概况与灌浆要求

天荒坪抽水蓄能电站地下引水系统设2条斜井,长700m,内径7.0m,衬砌混凝土厚0.5m,其下接钢筋混凝土岔管及支管与机组相连。岔管承受的静水头压力约6.8MPa,最大动水压力约8.7 MPa

灌浆孔在隧洞园柱面上呈梅花形布置,每环612孔,环距3m,钻孔方向一般垂直于洞壁,对节理密集带、断层破碎带以及混凝土表面有渗水的部位,视情况进行补孔灌浆。灌浆压力根据不同部位分为6个区段(见图6-7),最大灌浆压力9.0MPa

2 主要施工方法

为了避免高压灌浆破坏衬砌混凝土,在灌浆压力6 MPa的区段先用不大于3.0MPa的压力进行浅层固结灌浆。通过浅层固结灌浆使混凝土与围岩的接触缝,以及开挖爆破松动圈得到充填、加固。

隧洞平段的灌浆按“环间分序、环内加密”的原则分两个次序进行施工。斜井段灌浆因受施工条件的限制采用由下至上逐环进行灌浆施工。

 

 

6-7 不同区段采用的灌浆压力

 

灌浆浆液使用52.5级普通硅酸盐水泥,水灰比1:1,掺入水泥重量2%的高效抗渗防水剂(TMS)和2%的膨润土。

灌浆采用三缸往复式高压灌浆泵和自制的机械式灌浆塞,斜井灌浆使用了自制的卷扬机牵引式施工台车。灌浆泵配备稳压器使压力波动小于0.5MPa。各孔灌浆时灌浆塞塞于入岩0.5m处。

灌浆采用逐级升压法,每5min测读一次压力和浆液流量。在规定压力下,如灌浆孔吸浆量小于2.5L/min,则再稳压灌注20min后结束。灌浆塞留在孔中闭浆至孔口不返浆后取出。

对已灌完的钻孔采用喷射式封孔器封孔,封孔材料为干硬性水泥砂浆外掺3%高效抗渗防水剂,封孔后将孔口抹平。

为防止高压灌浆抬动破坏混凝土衬砌,安置了径向变形观测装置,变形值大于0.2mm时,则降低灌浆压力,保持低压小流量灌注,待变形稳定后再逐渐恢复升压灌浆。

工程于19971998年施工。整个引水隧洞完成灌浆孔近6000个,灌浆总段长约3m。灌浆结束后,对重点部位进行了钻孔压水试验检查,透水率均小于0.5Lu;隧洞进行充水试验,在最大静水压力下,测得的岩体总渗漏量在设计允许范围内,隧洞衬砌和围岩工作状态良好。


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