(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

糜棱巖斷碎地質(zhì)固結(jié)技術(shù)一直是該類地質(zhì)條件下水工隧洞開挖技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)課題，事關(guān)工程施工效率與安全，也關(guān)系到工程長期運(yùn)行的質(zhì)量和安全。本文依托案例工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助有限元和流場分析模型，對糜棱巖斷碎地質(zhì)引水隧洞高壓固結(jié)灌漿技術(shù)進(jìn)行專題分析研究，以為同類工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。

1 工程簡述

四川錦屏電站總裝機(jī)設(shè)計(jì)容量為3×65MW。引水洞總長度達(dá)18.50km，引水洞襯砌部分內(nèi)徑5.40m，噴混凝土襯砌部分內(nèi)徑6.60m。馬蹄形開挖斷面高6.68m。底寬5.06m；永久混凝土襯砌支護(hù)部分高5.40m，底寬4m，混凝土澆筑厚度60cm。主要不襯砌段永久支護(hù)方式為素噴混凝土、網(wǎng)噴混凝土、系統(tǒng)錯(cuò)桿或隨機(jī)錯(cuò)桿，底板素混凝土襯砌厚度20cm。

隧洞區(qū)段存在大量節(jié)理破碎及斷層，糜棱巖混合物主要以泥土為主，其間夾雜一定砂及碎石，呈飽水狀態(tài)，沒有膠結(jié)，自穩(wěn)能力弱。破碎帶透水性和可注性均較差，鉆孔成孔難，也易塌孔，致使孔洞排水水量少且經(jīng)常堵塞。其中T65斷層多次出現(xiàn)突水突泥地質(zhì)災(zāi)害。面對這樣的糜棱巖斷層地質(zhì)，工程引水隧洞施工采用高壓固結(jié)灌漿技術(shù)，即把水泥漿液通過高壓注入破碎斷層帶，通過灌漿提升地層的整體性及抗?jié)B性，改變原地質(zhì)斷層和破碎狀態(tài)，保證施工安全實(shí)施和未來引水洞的長期安全運(yùn)行。

2 斷面高壓注漿固結(jié)施工

2.1 注漿斷面配置

糜棱巖斷層強(qiáng)度弱，其自穩(wěn)性因此而嚴(yán)重欠缺，此地質(zhì)狀態(tài)極容易遭遇涌水或突水，故該工程選擇應(yīng)用了高壓注漿技術(shù)，而對碎弱巖體給與固結(jié)輔助。采取分段前進(jìn)式注漿。采用跳打方式鉆孔。全斷面預(yù)注漿前，每循環(huán)設(shè)置C20混凝土止?jié){墻厚度100cm。安設(shè)孔口管于每孔起點(diǎn)段。采用φ80鉆頭對注漿段進(jìn)行成孔操作，采用φ90鉆頭對孔口管段進(jìn)行成孔操作?？卓诠芏家渲梅劳谎b置。注漿段分段注漿長度及里程如圖1所示。

圖1 分段高壓注漿段落分布

2.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

a.起始注漿位置。破碎斷層T65區(qū)段，起始壓注位置，工程定位在0+306處。

b.分段注漿長度。注漿分段長度選擇15m，每挖進(jìn)10m，立即配合襯砌10m，以此類推，分段推進(jìn)。當(dāng)鉆孔發(fā)生突水突泥時(shí)，立即停止鉆進(jìn)而實(shí)施固接。分段前進(jìn)式鉆孔注漿模式如圖2所示。

圖2 分段鉆孔順序

c.止?jié){墻及巖盤預(yù)留。采用C20混凝土，在每個(gè)循環(huán)的超前預(yù)注漿前，模筑厚度為100cm止?jié){墻。每個(gè)循環(huán)的注漿完畢再開挖，預(yù)留下段止?jié){巖盤5m。

d.注漿壓力及擴(kuò)散半徑。主要為劈裂注漿，注漿擴(kuò)散半徑確定為2m，采用2～6MPa注漿壓力，以盡可能控制地層擾動(dòng)，防止突破止?jié){巖盤和止?jié){墻。

e.注漿孔布配。每循環(huán)布配注漿孔86個(gè)，其中1～23號(hào)孔的控制深度10m，24～43號(hào)孔的控制深度12m，44～86號(hào)孔控制深度16.50m。配置φ89×4mm孔口管，設(shè)置孔位布配及孔口管長度如圖3和圖4所示。

圖3 孔位布配情況(單位：cm)

圖4 立面布配情況(單位：cm)

2.3 注漿施工操作

a.安裝孔口管。以φ90鉆頭先鉆取3.5m的孔口段，之后把φ89x4mm的孔口管裝配于孔口段。安裝必須牢固，其與孔壁間，一般情況下應(yīng)實(shí)施環(huán)氧樹脂填充，如圖5所示。

圖5 孔口管及填充黏結(jié)示意

b.防突配置。因?yàn)檫@些破碎斷層區(qū)域多為富水高壓層段，出于工程安全需要，鉆桿前段有必要配置一定的孔口防突設(shè)備。圖6為卡盤根型的防突保障裝置。

圖6 防突卡盤根型裝置

c.漿液制作。按選定的混合比例，借助高速拌漿機(jī)攪勻，并且成漿要經(jīng)過1mm×1mm孔目網(wǎng)篩過濾，然后轉(zhuǎn)入立式葉片攬拌機(jī)給與再次攪拌，務(wù)必保證漿質(zhì)均勻。

d.壓水測試。檢測管路密封性，保證漿液通行暢通。連接注漿系統(tǒng)如圖7所示。以一個(gè)壓力階段實(shí)施全孔壓水測試。靜水壓力測試，靜水壓力為零壓力，連續(xù)3次，每分鐘一測量，在變化都小于平均壓力值1%時(shí)，則其最后一次即視為靜水壓；之后對壓力值讀數(shù)和壓水量讀數(shù)每分鐘一記錄；變化的幅度，倘若連續(xù)4次觀測中變幅值均不及平均值的1%即可認(rèn)定為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定。

圖7 注漿系統(tǒng)配置

e.注漿速度和順序。按照“先外環(huán)后內(nèi)環(huán)，自下而上”順序操作注漿。選取反復(fù)注入方式，壓力由低到高漸次加壓，漿液選取稀濃交替，注漿量控制與壓力控制相結(jié)合。

f.注漿方式。采用分段前進(jìn)式注漿，安裝孔口管后，每5m鉆進(jìn)即實(shí)施注漿。之后啟動(dòng)下階段的鉆孔和注漿作業(yè)。采用間隔鉆孔，跳躍式和套管柱塞式注漿。在孔深超過10m的孔位，須特別注意充分插入注漿管，如此才有可能獲得孔底部合規(guī)的壓注效率和壓注效果。

g.注漿終止標(biāo)準(zhǔn)。延米每孔注漿量按0.2m3控制，注漿結(jié)束后涌水量延米每孔小于0.6L/min則可以結(jié)束壓注。

h.應(yīng)對異常情況。發(fā)生串漿溢出，有條件的，可選擇多機(jī)同時(shí)壓漿作業(yè)，倘若不具備此條件，則盡快塞堵串漿孔為宜。小裂口漏漿，先以水泥浸泡麻絲實(shí)施塞填，要調(diào)整配比好漿液，盡可能縮短凝結(jié)時(shí)間，如果還是繼續(xù)發(fā)生跑漿，鉆淺孔實(shí)施注漿固結(jié)就非常必要。鉆孔遇突泥宜馬上停鉆處理。在施工操作中，一旦進(jìn)漿量大了，但壓力卻較長時(shí)間不見提升，就有必要對混合比進(jìn)行調(diào)整。充分的低壓力小累量壓注，可以給與巖層裂隙以漿液滯留的充分時(shí)間，非常有利于漿液凝結(jié)。當(dāng)然，施工中也可采取間歇式壓注，不過需注意間歇不可長于膠凝所需時(shí)間。

i.質(zhì)量查驗(yàn)。選點(diǎn)開挖觀測，查看漿液固結(jié)和滲透狀態(tài)，取樣進(jìn)行抗壓測試，保證固結(jié)抗壓強(qiáng)度。根據(jù)壓力表和注漿量讀數(shù)記錄分析注漿效果。注漿操作完成后，根據(jù)涌水量來衡量是否有必要在局部段位補(bǔ)配注漿。常規(guī)工程標(biāo)準(zhǔn)，孔涌水大于3L/min的要適當(dāng)進(jìn)行注漿追加。

3 灌漿圍巖穩(wěn)定性和滲流場有限元分析

3.1 有限元和流場模型述略

案例有限元三維計(jì)算選取范圍：從注漿管棚區(qū)中心算起，25m范圍內(nèi)，待設(shè)孔圍巖其后向取100m，已挖洞室其前向取進(jìn)75m，垂直管中心線水平向，左右各取30m，下取30m，上取100m。計(jì)算坐標(biāo)系取用如下：正對掌子面的洞室中心線取Y軸，掌子面右向水平取X軸，垂直前兩者取Z軸，其垂直上向?yàn)檎?。高壓注漿有限元三維模擬如圖8所示。

圖8 有限元三維分析模型

注漿滲流二維模型，本研究以四面體單元，分別按上述X=0及Y=10的剖面建立。注漿滲流場二維計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 高壓注漿滲流場二維計(jì)算模型

案例所處巖體基本均以四類圍巖為主。本有限元模擬的主要參數(shù)見表1。

表1 有限元主要模擬參數(shù)

3.2 高壓注漿局域圍巖穩(wěn)定性的影響

3.2.1 高壓注漿影響局域圍巖應(yīng)力狀態(tài)的分析

云圖(圖10～圖12)揭示，圍巖局域應(yīng)力狀態(tài)，在壓注操作中，基本主要受到來自臨空面的應(yīng)力影響，存在應(yīng)力集中問題。圖12揭示，前方15m外的施工掌子面剖面，整個(gè)應(yīng)力重分布，總體呈現(xiàn)逐漸減弱狀態(tài)。應(yīng)力分布云圖揭示，圍巖開挖臨空面造成的應(yīng)力集中，其最大拉應(yīng)力超過了lMPa量值。

圖10 基于掌子面剖面的壓注前主應(yīng)力分布 (單位：MPa)

圖11 基于掌子面后15m剖面的壓注前主應(yīng)力分布 (單位：MPa)

圖12 基于管中心線的縱剖面壓注前主應(yīng)力分布 (單位：MPa)

云圖(圖13～圖15)揭示，圍巖應(yīng)力在注漿后發(fā)生重分布，原有應(yīng)力集中狀態(tài)得到了很大緩解；在1.3倍洞徑范圍內(nèi)，高壓注漿對穩(wěn)定圍巖發(fā)揮了作用，降低甚至消除了優(yōu)勢縫隙對圍巖的控制；對比注漿前后，顯然注漿增大了圍巖抗壓強(qiáng)度，其增幅在大于7MPa的范圍。

圖13 基于掌子面剖面的壓注后主應(yīng)力分布 (單位:Pa，以拉為正)

圖14 基于掌子面后15m剖面的壓注后主應(yīng)力分布 (單位:MPa，以拉為正)

圖15 基于管中心線的縱剖面壓注后主應(yīng)力分布 (單位:Pa)

3.2.2 高壓注漿影響圍巖形變狀態(tài)的分析

云圖(圖16～圖18)揭示，注漿擾動(dòng)范圍應(yīng)與應(yīng)力分布范圍總體保持基本一致，均為向著掌子面和徑向分布。主要為上向的徑向分布形變，位置多在管棚的近邊。受到最大程度擠壓的圍巖體均處于拱頂，圍巖在高壓注漿下主要承受壓力作用影響。

圖16 基于掌子面剖面的壓注后附加合位移 (單位：m)

圖17 基于掌子面后15m剖面的壓注后附加合位移 (單位：m)

圖18 基于管中心線的縱剖面壓注后附加合位移 (單位：m)

3.3 高壓注漿局域滲流場的影響

云圖(圖19～圖23)揭示，初始狀態(tài)下的圍巖體滲透比降保持了恒定；但在施工開挖操作中，因?yàn)閿_動(dòng)影響，致使圍巖壓頭?？偹^等參數(shù)值發(fā)生改變，滲透比降也出現(xiàn)改變，尤其在掌子面近邊達(dá)到最大。

圖19 基于Y=0剖面的壓注前總水頭 (單位：m)

圖20 基于Y=0剖面的壓注前壓頭 (單位：m)

圖21 基于X=0剖面的壓注前總水頭 (單位：m)

圖22 基于X=0剖面的壓注前壓頭 (單位：m)

圖23 基于X=0剖面的壓注前比降 (單位：m)

4 結(jié) 語

本文依托四川錦屏電站引水隧洞工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助有限元和流場分析模型，對糜棱巖斷碎地質(zhì)引水隧洞高壓固結(jié)灌漿技術(shù)進(jìn)行了專題分析研究。主要收獲如下：梳理闡述了基于案例工程的糜棱巖斷碎地質(zhì)引水隧洞高壓固結(jié)灌漿技術(shù)要點(diǎn)；對高壓注漿局域圍巖穩(wěn)定性和滲流場影響進(jìn)行了基于有限元和滲流場模型的專題數(shù)值模擬分析；印證、得出了高壓固結(jié)灌漿在臨空面存在應(yīng)力集中影響但注漿后發(fā)生大力度緩解，受到最大程度擠壓的圍巖體均處于拱頂，注漿擾動(dòng)使圍巖壓頭總水頭等參數(shù)值發(fā)生改變，滲透比降也出現(xiàn)改變，尤其在掌子面近邊達(dá)到最大的分析結(jié)論。