高外水压力大涌水量隧洞内搭接帷幕灌浆快速施工技术探究

周 荣，王志超，王 丰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

中国现行DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[1]中，对于地下洞室帷幕灌浆的相关技术要求，仅适合于灌浆钻孔内呈干孔状态或孔内虽有地下水但水位在孔口高程以下的情况，而当遇到隧洞或地下洞室位于地下水位以下、岩体裂隙发育且渗水来源补给充足(如隧洞穿越河、湖底部或隧洞位于水库岸坡的山体内)、渗透压力较大时，往往在灌浆钻孔完成后孔内有大量渗水持续涌出，在高外水压力条件下，其灌浆效果有限，且不经济。在地下洞室或隧道施工中，当遇到地下含水层而突发涌水的情况时，通常会采用深孔高压顶水灌浆的方法进行堵漏，但这种方法的主要目的是封堵涌水，且对涌水点比较集中的单点涌水情况非常有效，但封堵施工时间较长。如果运用到需快速形成封闭高外水压力洞室搭接帷幕灌浆施工中，采用该方法灌浆则存在串浆、漏浆的不利情况，灌浆压力很难达到要求，且施工时间较长不适用于快速封闭。

有鉴于此，研究在高外水压力大涌水量条件下洞室内搭接帷幕灌浆快速施工方法，以达到技术合理可行、质量可控的目标，就显得非常必要。

1 工程概况

多诺水电站拦河大坝位于四川省九寨沟县白水江上游一级支流黑河上，大坝为混凝土面板堆石坝，坝高112.5 m。工程于2014年8月底全部建成并投入运行。2017年8月8日，四川省九寨沟县境内发生里氏7.0级地震，多诺水电站大坝距震中直线距离46 km，受大坝近坝库岸右岸边坡变形和地震的影响，布置于大坝右岸山体内的水库原放空洞竖井式闸室的井筒混凝土结构遭受剪切破坏，导致闸室漏水和闸门无法正常启闭。经过反复论证，决定对放空洞进行重建。重建放空洞布置方案为[1]:放空洞进口布置在右岸库区近坝处泄洪洞进口下部，重建放空洞轴线与原放空洞轴线斜交，通过竖井与原放空洞结合；重建放空洞包括有压进口、有压洞段、液压闸门室、无压洞段和出口段，闸室后无压洞段利用原放空洞[1]。其建筑物剖面示意见图1。

图1 重建放空洞剖面示意(单位:m)

重建放空洞竖井距离大坝右岸防渗帷幕中心线最近距离为18 m，考虑爆破开挖对防渗帷幕的不利影响，在放空洞穿过帷幕灌浆处设计了搭接帷幕灌浆。搭接帷幕灌浆设计参数为:在帷幕灌浆中心线两侧上、下游各布置1排钻孔，排距1.2 m，每排38孔，钻孔深入基岩15 m，每排孔沿原放空洞周边呈放射状分布，孔夹角10°。搭接帷幕灌浆布置如图2所示。

图2 重建放空洞搭接帷幕灌浆布置和施工示意(单位:cm)

2 施工条件及面临的问题

2.1 工程地质条件

重建放空洞位于大坝右岸坝肩山脊内，山脊上游侧为水库近坝库岸，呈层状横向边坡，地表监测成果表明:右岸山脊坝肩及泄洪洞进口区域边坡变形较小，岸坡稳定。山脊下游侧为层状顺向边坡，倾倒变形发育。整个右岸山脊物理地质作用强烈，岩体完整性差，工程地质条件复杂。大量的压水试验成果表明:本区域岩体透水性较强，强透水区域广且存在库水集中渗漏点。重建放空洞施工中，地下水问题突出，洞室局部破碎段(带)存在地下水引起的突涌或垮塌风险[1]。

2.2 施工条件

(1)放空洞搭接帷幕灌浆的施工时段在2020年9月，水库在高水位工况下运行，库水位通常在2 365～2 370 m(正常蓄水位)之间波动，搭接帷幕灌浆钻孔的外水压力水头高达105～110 m[2]。由于隧洞围岩裂隙发育、透水性较强，在钻孔穿过原放空洞60 cm厚度的钢筋混凝土衬砌结构和4.5 m深度的固结灌浆圈后，钻孔内涌水严重，呈射流股状喷涌而出。

(2)在有盖重体条件下灌浆。由于原放空洞采用60 cm厚度的钢筋混凝土进行了隧洞衬砌，又进行了隧洞顶拱回填灌浆并对隧洞围岩进行了4.5 m深的固结灌浆。因此，可以利用原放空洞衬砌和围岩加固结构作为搭接帷幕灌浆的盖重体。

(3)施工场地窄狭、工序相互穿插作业。原放空洞空间尺寸为4.5 m×6.5 m(宽×高)，防渗帷幕中心线前部紧挨着已经安装完成的下弯段钢衬，由于后续项目的施工工期较紧，钢衬回填施工与搭接帷幕钻灌在工序间相互穿插，受到施工场地狭小的限制，相互间施工干扰较大。

(4)工期紧。搭接帷幕灌浆的施工工期只有1个月时间(包含质量检查压水试验时间)。

(5)施工工艺要求。设计推荐采用自上而下孔内循环分段灌浆法，第一段孔深0～7 m段、灌浆压力0.6～0.8 MPa；第二段孔深7～15 m段、灌浆压力1～1.2 MPa。灌浆使用的水泥浆液水灰比建议采用1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1这4个比级。灌浆结束标准为:灌浆段在最大设计压力下，注入率≤1 L/min后，继续灌注30 min结束。灌后进行压水试验检测，压水试验透水率要求≤3 Lu。

2.3 施工中面临的主要问题及解决方案

2.3.1 高外水压力大涌水量条件下施工

由于水库运行水位较高且岸坡岩体较为破碎，因此，搭接帷幕灌浆施工面临着高外水压力、钻孔大量涌水的难题。为了验证设计推荐的搭接帷幕灌浆施工方法的可行性和技术参数的合理性，按照技术要求在帷幕灌浆中心线下游侧的放空洞下平段隧洞左边墙上，选取了适当的具有代表性的地段进行了灌浆试验。试验灌浆孔钻孔深入基岩6 m、孔距2 m、孔径Φ50 mm，在边墙同一断面下部、中部和顶拱拱肩部位各布置1个孔，共计3个钻孔。试验孔下部钻孔涌水量较小、拱肩部位钻孔涌水量最大。对中部钻孔进行施灌，拱肩部位钻孔和下部钻孔孔口未进行封闭，按照分段灌浆第一段0.6～0.8 MPa的灌浆压力，采用孔口封闭、孔内循环方法，起灌水泥浆液水灰比1:1(未掺加其他外加剂)，随着灌浆压力上升，在相邻的钻孔中出现水泥浆液随涌水流失现象，且浆液流失随灌浆压力增大呈喷射状涌出，相邻钻孔串浆严重，灌浆压力也只能在瞬间接近或达到0.8 MPa，不能维持稳定的灌浆压力，试灌以失败告终。针对上述问题，采用的解决方案为:(1)单孔钻灌，即“钻一孔灌一孔”；(2)全孔一次性灌浆；(3)安装孔口管和孔口截止阀对孔口进行封闭，纯压式高压顶水灌注。

2.3.2 工期问题

由于搭接帷幕灌浆的施工工期仅有1个月时间(包括质量检查压水试验)，扣除灌浆完成后质量检查压水试验所占用的时间(施工规范要求灌浆完成14 d后进行压水试验检查)，搭接帷幕灌浆钻灌占用的直线工期仅仅只有15 d左右。因此，为防止钻孔串浆而采用的“单孔钻灌”方式不满足工期要求，故采取“双孔串联并灌”方式施工。

2.3.3 盖重体抬动观测和围岩变形监测问题

设计要求搭接帷幕灌浆过程中进行围岩变形监测。这一问题的解决方案为:在隧洞底板上进行搭接帷幕灌浆生产性试验时设置抬动观测装置进行盖重体抬动监测，以确定最终在生产中使用的灌浆施工参数，灌浆施工参数确定后，在正常搭接帷幕灌浆施工过程中不再进行盖重体抬动观测和隧洞围岩变形监测。

2.3.4 灌浆浆液分级问题

本工程由于高外水压力的作用，岩体裂隙中充满渗水，岩体含水量处于饱和状态，不存在浆液进入裂隙后岩体吸收水分造成浆液扩散度降低或浆材聚集阻碍浆液继续扩散的问题。因此，对这一问题采取的解决方案是采用单一水灰比的纯水泥浆液浓浆灌注，水泥浆液水灰比为0.5:1。

2.3.5 钻孔冲洗和灌前简易压水试验问题

由于钻孔普遍存在涌水问题，所以，只对水平孔或隧洞下部的竖向斜孔进行钻孔冲洗，对于隧洞上部布置的仰孔不进行钻孔冲洗，钻孔冲洗压力选取1 MPa。钻孔冲洗在安装孔口管前进行，冲洗完成后即进行孔口管安装。为了加快施工进度、简化施工工序，决定不进行灌前简易压水试验。

2.3.6 灌浆压力值选取问题

我国现行DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[3]中规定:搭接帷幕灌浆的压力一般为1.0～2.0 MPa，如在主帷幕灌浆之后施工，取大值。而对于本工程，设计建议采用的搭接帷幕最大灌浆压力为1.0～1.2 MPa。这些灌浆压力取值均是在钻孔内不存在压力涌水或仅有极少量渗水的条件下适用，而对于钻孔内存在压力涌水的情况，灌浆压力应按下式计算[4]:

P灌=P涌+P初=1×10-6K1γH+P初。

式中:P灌为实际灌浆压力，MPa；P涌为钻孔内涌水压力，MPa；P初为钻孔无涌水情况下的初定灌浆压力，MPa；K1为渗透压力折减系数，取值≤1；γ为水的比重kN/m3，为常数，取近似值γ=1×104kN/m3；H为钻孔与库水位之间的水头差，m。

钻孔内涌水压力P涌的原始数值需要进行现场闭水测试取得，此外，也可以采用布置于右岸坝肩山脊上主帷幕上、下游侧的绕坝渗流监测孔观测成果，通过近似计算取得。参照右岸绕坝渗流监测成果，考虑施工过程中可能出现的最不利条件，在最不利工况下，取K1=0.9、H=110 m、P初=2 MPa、γ=1×104kN/m3，通过计算，本工程搭接帷幕灌浆的灌浆压力取P灌=3 MPa。

2.3.7 搭接帷幕灌浆孔封孔问题

由于安装孔口管采用孔口封闭、纯压式灌浆方法。因此，灌浆结束后关闭孔口进浆阀门即可达到封孔效果，不再采用其他专门的封孔措施。

3 施工工艺及技术措施

3.1 施工程序

先钻灌上游排孔，后钻灌下游排孔。同一排孔按照“由下而上的次序钻灌”，即:先钻灌隧洞底板的孔，再钻灌隧洞两侧边墙的孔，最后钻灌隧洞顶拱部位的孔。同排钻孔按照“逐渐加密的原则”分两序进行钻灌，先钻灌Ⅰ序孔，后钻灌Ⅱ序孔。钻灌全部完成并达到规范规定的龄期要求后进行压水试验检查。

每个灌浆孔的施工程序为:测量放点—钻孔—钻孔裂隙冲洗—安装孔口管—安装灌浆管路系统(包括阀门、测量仪表等)—进行灌浆前准备(包括安装、调试灌浆设备和记录仪)—灌浆(包括灌浆记录及取样试验)—屏浆—灌浆结束—关闭进浆阀门。

3.2 施工工艺

针对本项目施工面临的特殊情况，搭接帷幕灌浆采用的施工工艺为:在有盖重条件下，纯压式高压顶水灌注、双孔串联并灌、孔口封闭、单一浓浆、全孔一次性灌浆法。施工工艺原理图参见图3。

图3 高外水压力大涌水量条件下搭接帷幕灌浆施工工艺原理示意

3.3 施工技术措施

3.3.1 搭接帷幕钻灌参数的选定

依据设计文件和现行DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》，结合本工程搭接帷幕灌浆施工的实际条件，选定的搭接帷幕灌浆施工参数为:钻孔孔径Φ50 mm，孔深15.60～15.93 m(其中入岩深度15 m)；钻孔冲洗压力0.8 MPa；孔口管长度100 cm，选用壁厚5.0 mm、外径45 mm的DN40无缝钢管，安装时露出混凝土表面10 cm；孔口管露头再连接高压截止阀；灌浆压力3 MPa；灌浆浆液使用纯水泥浆，浆液水灰比0.5:1；双孔串联并灌，全孔一次性灌浆；灌浆结束标准为:在3 MPa灌浆压力下，注入率≤1 L/min后，继续灌注30 min结束；灌浆质量控制标准为:压水试验透水率≤3 Lu。

3.3.2 搭接帷幕灌浆现场生产性试验

正式钻灌前，按照制定的施工工艺要求，首先在隧洞底板部位进行现场生产性试验(利用设计钻孔进行试验，不再另外选取地质条件相似的地段进行)，以便验证选取的钻灌参数、观测盖重体抬动变形并熟悉相应的灌浆工艺流程和质量控制要点。

3.3.3 搭接帷幕灌浆施工

测量放点。根据施工图纸进行测量放点，确定钻孔孔位，并用防水油漆进行标注。

钻孔。钻孔的次序依照确定的灌浆施工程序进行，钻孔孔径为Φ50 mm，孔深穿过隧洞衬砌混凝土后深入岩体内15 m。钻孔采用100 B潜孔钻机，钻孔的孔位、深度、孔径、钻孔顺序和孔斜等均严格按照施工图纸和质量检查评定标准进行控制。

钻孔冲洗。灌浆孔在灌浆前均需进行裂隙冲洗。采用压力水冲洗法，冲洗时孔口不安装灌浆塞封堵，使用导管直接将大流量压力水通入孔底，自孔底向孔口脉动冲洗，裂隙冲洗水压采用1 MPa。冲洗结束标准为:至孔口回水清净时为止，且单孔冲洗时间不大于15 min。冲洗后安装孔口管，并在24 h内进行灌浆作业。

灌浆灌浆使用的浆液由设置在洞口外的制浆站集中制备，并采用SNS130/20灌浆泵经Φ32 mm高压胶管输送至洞内灌浆点。灌浆设备使用JK-800型高压灌浆机或SNS130/20型柱塞式灌浆泵，灌浆记录采用自动灌浆记录仪记录。灌浆过程中及时调整灌浆压力，通过孔口安装的压力表读数，即时测量灌浆压力并进行控制，直至灌浆按照结束标准完成。灌浆完成后关闭孔口进浆阀门，再拆除进浆阀门后的设备及管路。

3.3.4 搭接帷幕灌浆质量检查

检查孔布置。遵照施工规范和设计要求，检查孔数量按不少于灌浆孔总数的5%选取。本工程搭接帷幕灌浆质量检查孔数量选取为3孔，分别在隧洞两侧边墙和顶拱部位帷幕中心线上各布置1孔，检查孔具体孔位由监理人在现场随机选取，孔深与搭接帷幕灌浆孔孔深相同，即深入岩体15 m。检查孔钻孔采用100 B潜孔钻机。

检查孔压水试验。灌浆质量检查采用钻孔压水试验的方法，压水试验为单点法。压水试验检查的时间要求在该部位灌浆结束14 d以后，压水试验压力选用1 MPa，压水试验设备与灌浆设备相同。单点法压水试验压入流量的稳定标准为:在稳定的压力下，每3～5 min测读一次压入流量，连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1 L/min时，本阶段试验即可结束，取最终读数作为计算岩体透水率q的计算值。

检查孔封堵。压水试验结束后，排除检查孔内的积水和污物，对隧洞顶拱部位的仰孔和边墙上的水平孔采用“全孔灌浆法”封孔，封孔灌浆压力选取 1MPa，浆液采用水灰比0.5:1的纯水泥浆。对隧洞底板上的竖直孔，则采用“导管注浆法”封孔。

4 应用情况及灌浆效果

本搭接帷幕灌浆施工从2020年9月初开始进行施工准备，9月28日全部完成钻灌作业，10月24日完成压水试验质量检查。

通过压水试验检查成果可知:搭接帷幕灌浆质量满足设计要求(设计要求灌后的岩体透水率合格标准为q≤3 Lu)，无质量缺陷。本工程项目搭接帷幕灌浆质量检查压水试验成果参见表1。搭接帷幕灌浆质量检查成果表明，本工程搭接帷幕灌浆采取的施工方法、施工工艺是合理可行的。

表1 放空洞下平段搭接帷幕灌浆压水试验检查成果表[5]

本工程搭接帷幕灌浆采取的施工方法工艺简单，充分利用了隧洞衬砌结构作为灌浆盖重体和高压顶水灌浆的技术优势，有效克服了施工中面临的高外水压力条件下钻孔大量涌水的难题，实现了快速施工，施工质量控制的关键点简单明了且易于管控，能够确保灌浆施工质量，施工过程中浆液浪费量小，对环境友好，取得了良好的技术、经济效益。

5 结 语

本文针对在高外水压力、大量涌水条件下的岩体内进行搭接帷幕灌浆施工的特点和难点，提出了“在有盖重条件下，纯压式高压顶水灌浆，双孔串联并灌，孔口封闭、单一浓浆、全孔一次性灌浆”的施工方法，简化了常规的搭接帷幕灌浆施工工艺，其施工方法具有一定的推广应用价值，可供类似工程设计、施工时参考。