(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司， 沈陽 110166)

1 概 述

厄瓜多爾科卡科多水電站總裝機(jī)容量1500MW，引水隧洞全長24.83km，設(shè)計(jì)引水流量222m3/s，設(shè)計(jì)內(nèi)徑8.2m，采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式，用2臺(tái)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)(TBM)開挖，并輔以鉆爆法施工。

科卡科多水電站工程區(qū)域內(nèi)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，斷層較發(fā)育，巖性以堅(jiān)硬性脆的火山巖和侵入巖為主，易產(chǎn)生地應(yīng)力集中，發(fā)生變形、崩解、巖爆等破壞現(xiàn)象。2014年1月TBM1掘進(jìn)至隧洞樁號2+201.57時(shí)發(fā)生卡機(jī)故障，從現(xiàn)場打開TBM伸縮盾后揭露的圍巖情況來分析，卡機(jī)的原因主要是受一條寬20cm和一條寬10cm的斷層影響，斷層位于隧洞的右側(cè)，與掘進(jìn)方向交角約60°。斷層影響帶圍巖為強(qiáng)風(fēng)化型侏羅系—白堊系Misahualli地層(J-Km)的安山巖、玄武巖，夾泥，破碎，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，極易塌方、掉塊、卸荷。為了使TBM脫困和脫困后能順利掘進(jìn)并通過斷層破碎帶，必須對輸水隧洞洞頂斷層破碎帶進(jìn)行灌漿加固處理。

2 灌漿加固方法

2.1 輔助作業(yè)洞

因?yàn)殡p護(hù)盾TBM發(fā)生了卡機(jī)故障，從TBM護(hù)盾內(nèi)部無法清理壓在護(hù)盾上的巖石，因此要開挖輔助作業(yè)洞到TBM開挖掌子面前方進(jìn)行護(hù)盾上方巖層加固，清理壓在護(hù)盾上的巖石，同時(shí)對掌子面前方的斷層影響帶內(nèi)的巖石進(jìn)行灌漿加固處理，以便于TBM能順利掘進(jìn)通過斷層影響帶。具體方法是在掘進(jìn)方向右側(cè)盾尾后第10環(huán)管片上開挖排水洞M2(見圖1)，從第10環(huán)管片向刀盤方向用鉆爆法開挖，開挖斷面2m×2.5m，開挖時(shí)先打3～6m深的超前孔，用于試探涌水點(diǎn)，在涌水點(diǎn)附近停止開挖。在涌水點(diǎn)附近采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔排水，共布置兩個(gè)深20m的鉆孔：一個(gè)鉆孔垂直頂拱，用于排除上方圍巖內(nèi)的水，達(dá)到降低水壓力的目的；另一個(gè)鉆孔與輸水洞軸線成60°交角，用于排除斷層破碎帶內(nèi)的水，以方便M1輔助作業(yè)洞的開挖和圍巖加固作業(yè)。

圖1 灌漿加固區(qū)平面

在掘進(jìn)方向左側(cè)盾尾后第8環(huán)管片上開作業(yè)洞M1(見圖1)，從第8環(huán)管片向刀盤方向用鉆爆法開挖，開挖斷面1.8m×2m，在刀盤附近分成M1-A 和M1-B兩個(gè)支洞，用于處理刀盤到盾尾段塌方和斷層破碎帶加固灌漿作業(yè)。

2.2 灌漿加固區(qū)范圍

由圖1可知，TBM掌子面前方引水隧洞樁號2+170.929～2+197.68共26.7m長的洞段在斷層影響帶內(nèi)(M1-B支洞上游面10m、下游面9m，M1-A支洞上游面約8m)，為保證TBM脫困后能順利掘進(jìn)通過斷層破碎帶，對引水隧洞樁號2+170.929～2+197.68之間的洞段上半部圍巖進(jìn)行灌漿加固。為使隧洞開挖后能形成穩(wěn)定的拱圈支撐，灌漿加固區(qū)寬度要超過引水隧洞的開挖寬度(8.2m)，故洞軸線兩側(cè)灌漿加固區(qū)各寬7.55m，灌漿加固區(qū)總寬度為15.1m。

2.3 漿液的選擇

目前常用的無機(jī)粉狀漿液材料有黏土漿、水泥漿、水泥黏土漿、水泥粉煤灰漿等，化學(xué)漿液材料有硅酸鈉、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺及聚氨酯等。黏土漿、水泥黏土漿因?yàn)閺?qiáng)度較低一般只用于地層防滲處理，水泥粉煤灰漿因強(qiáng)度發(fā)展慢一般用于帷幕灌漿和地基加固處理。普通水泥漿液價(jià)格低，市場供應(yīng)充足，是優(yōu)選的圍巖加固用灌漿材料，但對于斷層破碎帶內(nèi)的碎裂巖和斷層泥而言其對微細(xì)裂縫的可灌性較差[1]，不能注入0.2mm以下的裂隙中；采用超細(xì)水泥漿可解決可灌性問題，其水泥顆粒粒徑約為4～10μm，可滲入滲透系數(shù)為10-4cm/s的粉細(xì)砂巖中[2]，可灌性接近化學(xué)漿材。但水泥漿還存在易析水回濃、硬化時(shí)伴有析水而體積收縮的問題，從而使硬化結(jié)石與被灌基體的黏結(jié)強(qiáng)度降低，形成新的滲水通道，單獨(dú)使用超細(xì)水泥灌漿達(dá)不到該工程要求的固結(jié)強(qiáng)度要求?；瘜W(xué)灌漿對微細(xì)裂縫的可灌性良好，能可靠充填斷層破碎帶的微細(xì)裂隙[1]，但化學(xué)灌漿成本高，現(xiàn)場施工管理要求較高，單獨(dú)使用化學(xué)灌漿將大幅度提高工程成本。YDS-40高滲透環(huán)氧化學(xué)灌漿材料相對于其他化學(xué)灌漿材料具有低黏度時(shí)間長、有利于滲入巖石縫隙內(nèi)部、與火成巖結(jié)合性好，固結(jié)后力學(xué)強(qiáng)度高(抗壓強(qiáng)度達(dá)70～90MPa、抗拉強(qiáng)度達(dá)8～14MPa、抗剪強(qiáng)度達(dá)35～56MPa)、排水性好、無毒不污染環(huán)境、灌漿滲透能力特強(qiáng)(可達(dá)10-8cm/s[2])、耐久性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。采用GU超細(xì)水泥漿和YDS-40型高滲透環(huán)氧化學(xué)灌漿材料進(jìn)行復(fù)合灌漿，先把超細(xì)水泥漿壓入斷層破碎帶中，通過充填和固結(jié)作用，形成承載骨架，再通過化學(xué)漿液的長時(shí)間浸潤、滲透，進(jìn)一步充填更小的縫隙，使結(jié)石體更加致密，極大地提高了斷層破碎帶內(nèi)巖石的力學(xué)指標(biāo)。

2.4 施工方法

2.4.1 孔位布置

TBM掌子面前方斷層影響帶長達(dá)26.7m，考慮到工期要求較緊，TBM應(yīng)盡快脫困并通過斷層影響帶，開挖M1-A和M1-B兩個(gè)作業(yè)支洞可增加作業(yè)面，減少鉆孔深度。灌漿孔布置在M1-B支洞上下游面邊墻、M1-A支洞上游面邊墻。灌漿孔孔距1.5m，排距1.0m，針對火成巖破碎且裂隙多的特點(diǎn)，水泥灌漿分兩個(gè)次序施工，分序加密法工藝簡單，對巖石條件適應(yīng)性強(qiáng)，有包圍和擠壓作用，可獲得良好的灌漿效果，使后繼的化學(xué)灌漿可不分序施工。為節(jié)省化學(xué)灌漿成本，如果水泥灌漿的第二序孔灌漿時(shí)漿液單耗大于45kg/m，則在該孔兩側(cè)0.75m位置布置2個(gè)加密孔進(jìn)行灌漿，直到漿液單耗小于45kg/m為止，然后進(jìn)行化學(xué)灌漿，如果化學(xué)灌漿孔灌前壓水試驗(yàn)時(shí)透水率大于2Lu，則該孔段應(yīng)先進(jìn)行水泥灌漿。灌漿施工后可在引水隧洞頂部形成一個(gè)穩(wěn)定的巖拱，使TBM開挖時(shí)不會(huì)發(fā)生塌方等事故。水泥灌漿共布置9排96個(gè)灌漿孔，孔深8～10m，總長約854m?；瘜W(xué)灌漿共布置6排60個(gè)灌漿孔，孔深8～10m，總長約534m。灌漿孔位布置如圖2所示。

圖2 灌漿孔位布置

2.4.2 鉆孔

考慮到輔助作業(yè)洞內(nèi)空間有限，而且TBM上電力供應(yīng)充足，因此采用KHYD110A(或125A)型電動(dòng)巖石鉆鉆孔，孔徑42～50mm，開孔孔徑50mm。鉆孔后可采用大流量水進(jìn)行沖洗，沖洗至回水清凈為止。具體鉆孔孔段應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇水洗、風(fēng)洗、風(fēng)水聯(lián)合沖洗等不同的沖洗方式以及不沖洗方式。

灌漿孔的裂隙沖洗結(jié)合壓水試驗(yàn)進(jìn)行，第一段(0～5m)壓水壓力取0.3MPa，其他孔段壓水試驗(yàn)壓力1.0MPa，每隔2min記錄一次流量，壓水時(shí)間不小于10min。

2.4.3 水泥灌漿

2.4.3.1 水泥灌漿壓力、方法

灌漿孔淺時(shí)易跑漿、串漿，可采用較小的灌漿壓力，灌漿孔深時(shí)為保證灌漿效果可采用較大的灌漿壓力，具體的灌漿壓力和方法應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后確定。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果最終確定水泥灌漿，方法如下：

孔深0～5m灌漿壓力為0.5～1.0MPa，孔深5～10m灌漿壓力為0.8～1.5MPa，孔深10～15m灌漿壓力為1.5～2.0MPa。灌漿壓力控制與注入率的關(guān)系見下表，并根據(jù)現(xiàn)場施工壓力和注入率變化情況適當(dāng)調(diào)整。

水泥灌漿壓力控制表

灌漿壓力(MPa)1～22～3>3注入率(L/min)>3030～2010～20

水泥灌漿漿液水灰比根據(jù)水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定[3]，一般采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個(gè)級別，灌漿起始水灰比為2∶1。為保證漿液能進(jìn)入細(xì)小的巖石縫隙內(nèi)部，漿液濃度應(yīng)由稀變濃，逐級變換。漿液變換按以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比；當(dāng)某一比級漿液的注入量已達(dá)300L以上或灌注時(shí)間已達(dá)1h而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時(shí)，應(yīng)改濃一級；當(dāng)注入率大于30L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級變濃。

2.4.3.2 水泥灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[3]，水泥灌漿段在最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/(min·m)時(shí)，繼續(xù)灌注30min，即可結(jié)束。

2.4.4 化學(xué)灌漿

2.4.4.1 化學(xué)灌漿壓力、方法

化學(xué)灌漿壓力一般小于水泥灌漿壓力，為0.5～0.8MPa，灌漿壓力應(yīng)根據(jù)壓力與注漿量的變化作適當(dāng)調(diào)整，化學(xué)灌漿漿液配制應(yīng)有專用配漿、冷卻、稱量設(shè)備。并有專職配漿人員在現(xiàn)場，根據(jù)所選材料規(guī)定的比例(甲、乙兩組分)配制。事先在稱、計(jì)量容器內(nèi)畫好刻度。按標(biāo)簽指定的比例分別用各自的量具量取兩個(gè)組分，置甲組分于混合容器內(nèi)，用水浴對其冷卻，在緩緩攪動(dòng)甲組分時(shí)，將乙組分徐徐傾入，直至加畢。過程中不時(shí)測量混合物的溫度，以加入乙組分的速度快慢來控制混合物溫度，使其不超過35℃。為減少浪費(fèi)每次配漿不超過15L。量取甲、乙組分的量具應(yīng)區(qū)別專用，嚴(yán)禁混用；為減少甲、乙組分的量度誤差，甲組分的量具最大容積應(yīng)是乙組分量具最大容積的4～10倍。量乙組分的量具可用清水洗凈、晾干備用；其他容器、工具可用棉紗團(tuán)蘸丙酮(易燃物)擦拭，也可用其他溶劑擦拭。

根據(jù)《水工建筑物化學(xué)灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[4]，在正常灌漿過程中由化學(xué)灌漿泵自動(dòng)逐步升壓，直到灌至設(shè)計(jì)壓力及灌注結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。在升壓過程中若q>0.2L/(min·m)，則降壓保持q=0.2L/(min·m)灌注；若注入率q遞減較快，q<0.1L/(min·m)時(shí)，則以最大控制壓力灌注，持續(xù)到灌注結(jié)束。在升壓過程中，若注入率有突增現(xiàn)象時(shí)應(yīng)立即降低灌漿壓力。

2.4.4.2 化學(xué)灌漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水工建筑物化學(xué)灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[4]，在最大設(shè)計(jì)壓力下，灌漿孔段不吸漿或吸漿量小于0.01～0.05L/(min·m)時(shí)，繼續(xù)灌注30min后結(jié)束。

3 質(zhì)量檢查方法

在灌漿過程中嚴(yán)格以吸漿量指標(biāo)作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，灌漿結(jié)束后，檢查鉆孔獲取巖芯，觀察巖芯表面，以縫隙被漿液結(jié)石充填飽滿密實(shí)、力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求為合格。

4 結(jié) 語

在斷層破碎帶圍巖灌漿加固工程施工過程中，先采用造價(jià)低的水泥漿液灌漿，后采用滲透能力強(qiáng)的高滲透環(huán)氧化學(xué)灌漿材料灌漿，能充分發(fā)揮這兩種灌漿材料的優(yōu)點(diǎn)，既能降低工程造價(jià)，又能保證圍巖的固結(jié)效果，為后續(xù)隧洞開挖工作的順利進(jìn)行提供安全保障。

[1] 王勝，黃潤秋，祝華平.錦屏一級水電站f5斷層、煌斑巖脈復(fù)合灌漿技術(shù)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,20(3).

[2] 葛家良.化學(xué)灌漿技術(shù)的發(fā)展與展望[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006(10).

[3] DL/T 5148—2012 水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] DL/T 5046—2010 水工建筑物化學(xué)灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].