地下水封洞库灌浆止水施工技术及应用

吴 波 王 凯 郭 钊

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051)

1 引 言

地下水封洞库是指在稳定的地下水位以下一定深度岩体中开挖出来的利用水封原理储存原油的地下空间系统，水封主要是利用稳定的地下水位(或补给地下水，使地下水位稳定)对开挖出的洞室四周裂隙进行封闭，减小洞室内原油介质的外泄。在洞室周围地下水的密封下，原油介质能很好地储存(原油介质密度比水密度轻)。为满足地下洞室原油储存设计数量，减少后期运营成本，对地下洞室内的渗水量有严格要求。地下洞室在开挖后洞内渗水部位的止水施工质量，成为地下水封洞库施工期及运营期的关键因素之一。

在实际工程应用中，地下水治理主要采用引、排、堵相结合的方法，地下水封洞库不允许以引、排的方式治理地下水，要求以洞室内堵的方式治理地下水。固结灌浆、帷幕灌浆施工技术在水利水电工程建设中已经日趋成熟，灌浆材料主要以普通硅酸盐水泥为主。在水利水电工程建设中，固结灌浆主要为混凝土衬砌后有盖重灌浆，或为有压浆板无盖重灌浆，灌浆的目的主要是围岩加固，提高围岩整体性和抗变形能力，不以止水为目的；水利水电工程建设中帷幕灌浆主要是将浆液灌入岩体裂隙、孔隙形成连续的阻水幕，以减小渗流量和降低渗透压力，灌浆段一般至隔水层，灌浆压力随灌浆深度逐渐加大，灌浆孔排距较密。

地下水封洞库的储油方式，自20世纪50年代在瑞典出现以来，因具有安全、对地面环境影响小、占耕地少、节省大量钢材、油品质量不受损害、油品损耗小等优点，在北欧、韩国、日本等国家和地区已建设若干座类似油库，储存原油及其产品。我国在20世纪70年代建成该种油库储存原油、柴油，在20世纪90年代又建成储存LPG水封洞库，在设计、建设及生产中积累了一定的经验。

2 工程概况

惠州地下水封洞库项目地下工程，库址区地层为晚侏罗世(J3p、J3s、J3g)的黑云母二长花岗岩，以中—细粒结构为主，见有岩脉出露。岩脉多受断裂构造和节理密集带控制，以石英脉最为发育；其次有花岗斑岩脉、闪长玢岩脉、辉绿辉长岩脉、煌斑岩脉等。洞罐分为10个洞室，单个洞室容积约为50万m3，洞室断面形状为直墙圆拱形，洞室跨度为20m，高度为30m，长930m，洞库上方距洞顶25m处设水平水幕系统，洞室在施工前，水幕系统正常运行，洞室施工不允许以引排的方式治理地下水，不能因洞室施工造成地下水位下降，要求以洞室内堵的方式治理地下水。

3 技术原理

地下洞室I层开挖掌子面先采用TSP法超前地质预报，判断前方地质围岩结构和水文条件，在不良地质段增加超前探孔预报，对超标渗水探孔围岩段进行水平预注浆施工，爆破开挖后围岩面渗水采用后注浆施工。后注浆孔根据围岩级别确定孔间排距，灌浆范围扩大到渗水区6～9m，灌浆区孔向一致，造孔方向与围岩节理裂隙成大角度相交，破碎带围岩段安装钢筋网，对渗水孔预埋2根φ20钢管引流，用无机堵漏材料封堵引流管与灌浆孔之间的缝隙、回浆管与灌浆孔之间的缝隙以及围岩面细微渗水裂隙，封堵完成后喷射混凝土，在混凝土强度达到70%后，对灌浆引流管进行灌浆，灌浆封堵顺序为“先外圈灌浆孔、后内圈灌浆孔，先无渗水孔、再小渗水孔、后大渗水孔”。

4 工艺流程和操作要点

4.1 施工工艺流程

为保证地下水封洞库原油储存设计数量，减少后期运营成本，应对地下洞室内的渗水量严格控制。地下洞室在开挖后洞内渗水部位的止水施工质量，成为地下水封洞库施工期及运营期的关键因素之一。提高地下洞室灌浆止水效果，达到设计渗水标准是关键。

洞室施工流程：超前地质预报→预注浆→后注浆。

注浆施工流程：布孔→灌浆或注浆孔放样控制→钻孔控制→钻孔冲洗和裂隙冲洗→灌前压水试验→灌浆施工。

4.2 方法措施

4.2.1 超前地质预报

超前地质预报采用TSP超前地质预报和探孔预报相结合的方法，先采用TSP法超前地质预报，根据物探成果，在断层破碎带及Ⅳ、Ⅴ级围岩处进行超前探孔预报。

4.2.2 预注浆

在开挖支护施工中，对地质预报为围岩岩体破碎、节理裂隙发育、围岩稳定性差、易掉块围岩段，在开挖前对围岩钻探孔确认，探孔内渗水流量Q<0.1L/(min·m)时，对掌子面进行开挖；开挖后渗水0.5L/(min·m)1L/(min·m)时，掌子面需要超前预注浆，超前预注浆段长度应根据工程地质条件、水文地质条件、钻孔设备及工期等条件确定。

4.2.3 后注浆

对主洞室断层破碎带、裂隙密集带、围岩与岩脉接触带及渗水量较大部位进行后注浆灌浆止水施工，注浆位置主要是集中渗水大于2L/min、面域渗水大于4L/(m2·d)的部位。Ⅰ、Ⅱ级围岩段渗水多为单点状。对滴状渗水，渗水量大于0.2L/h的灌浆施工，在渗水来源处布置灌浆孔，灌浆孔深6m，并沿渗水来源周围布置2排系统灌浆孔，系统灌浆孔间排距1.5m×1.5m，孔向与节理裂隙倾向大角度相交。洞室Ⅲ级围岩段、破碎带渗水多为分散面域状，布置灌浆孔间排距60cm×60cm，灌浆孔深6m，孔向倾斜岩面，与破碎带倾向大角度相交，在渗水区安装φ8钢筋网，钢筋网间排距15cm×15cm，钢筋网与岩面预留2～3cm保护层，覆盖范围超出渗水区6.0m，超出渗水区周围9.0m范围布置系统灌浆孔(见图1)，系统灌浆孔间排距1.5m×1.5m，超出渗水区域3m范围布置两排深12m灌浆孔(见图2)。所有灌浆孔均预埋2根φ20钢管引流，1根φ20引流钢管深入孔内30cm，1根φ20钢管深入孔内距离孔底30cm，孔口采用无机防水堵漏材料封堵。

图1 预埋灌浆管方式

图2 Ⅲ级围岩段(破碎带)渗水灌浆孔的布置调整

按设计要求在围岩面喷射混凝土，混凝土强度达到70%后进行引流管灌浆，先深孔灌浆，深孔先灌外侧排无效孔，从低向高，再灌有效孔，后灌内侧排深孔；在深孔灌浆完成后，从灌浆范围最外圈(最外排)孔开始，最外圈(最外排)孔从最低处的灌浆孔开始，最外圈(最外排)无渗水先灌浆，最外圈(最外排)孔有渗水后灌浆，最外圈孔灌浆完成后，依次向内圈(渗水区)灌注，在渗水区先灌无效孔，后灌有效孔，在灌有效孔时，先灌渗水小的孔，最后灌渗水大的孔。

4.2.4 施工过程控制

6.0m灌浆孔主要采用YT28手风钻造孔，孔径42mm，12.0m灌浆孔主要采用Rocket Boomer 353E凿岩三臂台车造探孔，孔径56mm，造孔前观察围岩面裂隙倾向、夹角，造孔方向与围岩节理裂隙倾向成大角度相交，孔向与洞轴线夹角不小于45°，孔向尽量一致。造孔过程中，时刻观察孔内排出的岩粉和回水情况。

封堵孔口及缝隙期间，要确保引流管闸阀和回浆管闸阀呈打开状态。

灌浆采用P.O42.5R水泥和MFC-GM6000A超细水泥，浆液开始制备至用完的时间应小于4h，浆液温度保持在5～40℃，由于洞室湿度大、通风条件不良，现场备用水泥存放一般不超过12h。后注浆压力按照1.5MPa控制，单孔灌浆前进行裂隙冲洗，冲洗压力为1.0MPa，冲洗至回水澄清后10min为止。灌浆区灌浆选用2 ∶1、1 ∶1、0.5 ∶1三个比级水灰比，开灌水灰比选用2 ∶1，灌浆压力应尽快达到设计压力，在1.5MPa灌浆压力下，注入率不大于1L/min时，延续灌注30min以上即可结束灌浆。在破碎带、渗水量大的灌浆区，当开灌比浆液注入量已达到300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改用浓一级的水灰比灌注。在1.5MPa灌浆压力下，注入率不大于1L/min时，延续灌注30min以上即可结束灌浆。达到灌浆结束标准后，先关闭灌浆孔口的闸阀，后停灌浆泵，灌浆孔内闭浆。灌浆中很少出现串孔、串浆，仅有少部分孔在灌浆中，其周边渗水孔存在渗水量加大现象和渗水变浑浊现象。对渗水量加大和渗水变浑浊灌浆孔，按照灌浆次序要求重新确定灌浆孔次序；在出现串孔后，灌浆孔按照浆液变换要求变浆，串孔排出浆液比级达到2 ∶1后，串孔与灌浆孔并灌，按照灌浆技术要求灌浆结束。灌浆结束后，先关闭孔口回浆管闸阀，再关闭孔口进浆管闸阀，最后停止灌浆泵。灌浆严格按照“灌浆孔从低向高，从灌浆范围最外圈向内圈，先灌浆无渗水孔，后灌浆有小渗水孔，最后灌浆有大渗水孔”的顺序施工。

5 材料与设备

灌浆用水、水泥、外加剂、掺和剂需要满足规程规范要求，主要施工设备配置见表1。

表1 主要施工设备配置

6 质量控制

造孔孔向与围岩节理裂隙成大角度相交，严格要求在射混凝土强度达到70%以上再进行引流管灌浆，控制水泥浆液自制备至用完的时间不超过2h，严格控制水泥浆液温度不超40℃。现场储存不超过1天的水泥用量，水泥进入输浆管前应过1mm2的细筛，灌浆施工中使用的灌浆自动记录仪每月必须进行校验。灌浆结束后，同时关闭进浆管、回浆管上闸阀，孔内闭浆不少于72h。

7 结 果

采用本施工技术，减少了超前探孔施工、减少了喷射混凝土回弹量、节约了反复灌浆工期。洞库建设完成后，渗水量满足要求，减小了运营期污水处理工作量；施工期间洞室围岩变形量小，洞室安全稳定，库区地下水位总体稳定，满足设计要求。

8 结 论

地下水封洞库施工采用仪器超前地质预报和探孔预报相结合的方法，节约了超前探孔施工工程量，加快了施工进度；洞室I层以下各层超前预注浆孔倾斜向下，提前预注浆施工，施工干扰小；后注浆采用“预埋引流管”喷射完混凝土后灌浆的施工工序，减少喷射混凝土层脱落；采用“先外圈灌浆孔、后内圈灌浆孔，先无渗水孔、再小渗水孔、后大渗水孔”灌浆顺序，减小了岩面漏浆及渗水面外延。本施工技术适用于水利水电工程或市政、铁(公)路隧洞施工灌浆止水处理项目，经济社会效益显著，具有推广应用价值。