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        轎頂子電站引水隧洞富水破碎圍巖洞段超前帷幕注漿堵水施工技術(shù)研究

        2021-12-08 10:08:18
        中國水能及電氣化 2021年11期
        關(guān)鍵詞:孔口掌子面帷幕

        (遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110000)

        1 工程概況

        轎頂子電站位于遼寧丹東寬甸太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi),是北股河干流上規(guī)劃建設(shè)的一座以防洪和發(fā)電為主,兼有灌溉和養(yǎng)殖等諸多水利功能的綜合性小型水利工程[1]。電站主要由混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)組成[2]。其中引水發(fā)電系統(tǒng)的引水隧洞設(shè)計(jì)于大壩左側(cè),全長1123m,為馬蹄形斷面。

        2 涌水情況

        由于引水隧洞規(guī)劃線路附近地下水埋藏較淺,且線路本身需要穿越DS3斷層破碎帶,因此,開挖施工難度較大。施工過程中,掌子面部位一直存在少量涌水情況,當(dāng)開挖至引2+23斷面時,遭遇斷層破碎帶開始出現(xiàn)大量涌水。由于涌水量大且圍巖的整體質(zhì)量較差,如不采取一定的施工加固措施,必將對施工安全造成影響?;诖?,工程項(xiàng)目部通過會商,擬對該洞段進(jìn)行全斷面超前帷幕注漿[3]。

        3 施工方案總體設(shè)計(jì)

        3.1 基本設(shè)計(jì)思路

        針對研究洞段圍巖地質(zhì)現(xiàn)狀以及突水涌水的實(shí)際情況,基于全壽命周期理論和過程化控制注漿止水加固技術(shù),通過漿液的滲透擴(kuò)散封堵以及漿脈的骨架支撐作用,實(shí)現(xiàn)對富水破碎圍巖的擠密和加固[3]。在施工方案設(shè)計(jì)之前,經(jīng)對施工洞段的進(jìn)一步地質(zhì)勘查,需要注漿加固的富水破碎圍巖洞段的長度為24m,樁號為引2+23~引2+47。經(jīng)過數(shù)值模擬分析,確定加固圈的厚度為6.0m。

        3.2 止?jié){墻設(shè)計(jì)

        在帷幕注漿加固施工過程中,為了保證注漿漿液的有效擴(kuò)散和提升注漿壓力,有效防止注漿工作面的漏漿,需要在施工掌子面的上臺階部位設(shè)置一定厚度的止?jié){墻,并為超前帷幕注漿的施工作業(yè)提供必要的工作平臺[4]。

        根據(jù)施工現(xiàn)場調(diào)查,施工掌子面存在較大量的涌水,不利于混凝土止?jié){墻的施工。因此,需要在混凝土止?jié){墻施工之前采取工程措施,對圍巖深部的涌水進(jìn)行引流排放。針對這一要求,在施工掌子面中臺階的左側(cè)立面鉆3個與隧道軸線平行的引流孔,邊鉆孔邊下套管,直至揭露圍巖內(nèi)部涌水。

        結(jié)合工程現(xiàn)場的實(shí)際情況和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),選擇單級平面型混凝土止?jié){墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[5]。止?jié){墻的設(shè)計(jì)厚度為3.0m,采用C40混凝土。其中,引2+20~引2+21段混凝土止?jié){墻的頂部和圍巖初支結(jié)構(gòu)相接,引2+21~引2+23段混凝土止?jié){墻的頂部和隧洞開挖的外輪廓線相接。為了提高混凝土止?jié){墻的穩(wěn)定性,在周邊增設(shè)直徑32mm的徑向錨桿與隧洞圍巖相接錨固;對于軟弱基礎(chǔ)利用鋼管樁進(jìn)行加固。為了保證混凝土止?jié){墻后部圍巖涌水的引排,在止?jié){墻的左下角和右下角分別埋設(shè)2個和1個直徑170mm的排水管。

        3.3 帷幕注漿孔的布置

        此次圍巖全斷面帷幕注漿加固段的設(shè)計(jì)長度為24m,漿液的擴(kuò)散半徑為3.0m。其中,每個注漿循環(huán)設(shè)計(jì)長度為8.0m的三個加固區(qū)段,分別為0~8m、8~16m和16~24m。注漿段的長度設(shè)計(jì)為5.0m,注漿材料選用水泥-GT雙漿液設(shè)計(jì)[6]。注漿施工中的開孔位置均設(shè)計(jì)于上臺階內(nèi)(見圖1)。

        圖1 帷幕注漿加固設(shè)計(jì)俯視(單位:mm)

        帷幕注漿采用的是普通水泥-水玻璃雙漿液,其中水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水玻璃的濃度為35Bé,模數(shù)為2.5。單孔注漿量的計(jì)算可以采用下式:

        Q=πR2Ln?η

        (1)

        式中Q——注漿量,m3;

        R——擴(kuò)散半徑,這里取3.0m;

        L——注漿長度,這里取5.0m;

        n——孔隙率,這里取15%;

        ?——漿液的孔隙填充系數(shù),這里取0.5;

        η——漿液消耗率,這里取1.1。

        經(jīng)計(jì)算,每延米的注漿量為11.7m3。

        根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究洞段的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)帷幕注漿設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)。

        3.4 注漿工藝的選擇

        帷幕注漿的常用工藝有兩種,分別為前進(jìn)式和后退式[7]。為了確定合理的注漿方式,在工程現(xiàn)場的開挖掌子面鉆取3個超前地質(zhì)探孔,通過對圍巖地質(zhì)情況的進(jìn)一步判斷,以確定合理的注漿方式。如果在鉆孔過程中遇到明顯的涌水或泥夾層,造成鉆孔坍塌嚴(yán)重則采用分段前進(jìn)式注漿工藝;如果鉆孔過程中容易卡桿且孔口的封閉比較困難,則易采取后退式注漿工藝。

        3個探孔的鉆探情況顯示,注漿段圍巖的破碎現(xiàn)象比較明顯,漿液不易均勻擴(kuò)散。如果采用一次成孔工藝,不僅容易造成塌孔,漿液的擴(kuò)散也難以達(dá)到預(yù)期效果。因此,選用前進(jìn)式分段注漿工藝模式,也就是在帷幕注漿過程中采用鉆孔和灌注交替進(jìn)行的施工方式,利用孔口管進(jìn)行止?jié){,工藝見圖2。

        圖2 前進(jìn)式分段注漿工藝示意圖

        4 帷幕灌漿施工

        4.1 施工步驟

        在施工掌子面部位首先進(jìn)行混凝土止水墻的施工作業(yè),并在掌子面和混凝土止水墻之間填充片石或干噴料[8]。在混凝土止水墻內(nèi)埋設(shè)導(dǎo)水管,然后再進(jìn)行帷幕注漿作業(yè),注漿加固圈的范圍為隧洞開挖外輪廓線范圍以外5.0m,注漿材料為快凝水泥-水玻璃雙漿液注漿材料。

        為了滿足注漿施工過程中鉆機(jī)施工作業(yè)的實(shí)際需求,需要在混凝土止水墻后方預(yù)留出長度為10m左右的鉆機(jī)作業(yè)平臺。對于施工平臺,首先需要墊平并壓實(shí),然后填筑厚度為20cm的閘石,平臺與隧洞拱頂初支高度之間的距離為4.5m左右,以利于鉆機(jī)位置的定位和施工作業(yè)。

        在混凝土止?jié){墻上按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行注漿孔孔位的確定,鉆機(jī)手首先要準(zhǔn)確確定孔位和外插角,然后利用直徑130mm的鉆頭在低速條件下鉆進(jìn)1.5m,然后安裝好孔口管??卓诠懿捎弥睆?08mm、厚度5mm的無縫鋼管,管長1.5m。在孔口管的管壁部位纏繞長度80cm的麻絲成為紡錘形,采用鉆機(jī)沖擊的方式進(jìn)行安裝,然后利用水泥基錨固劑進(jìn)行錨固,以有效保障孔口管能夠安裝牢固,在注漿施工中不漏漿。

        在研究洞段的施工掌子面鉆取3個超前地質(zhì)勘查孔,對注漿止水加固段的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行有效的辨識。

        注漿施工按照自上而下、自外而內(nèi)、間隔跳孔的原則進(jìn)行,以達(dá)到控域注漿、封堵圍巖內(nèi)部裂隙,實(shí)現(xiàn)止水加固的施工目標(biāo)。

        4.2 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

        在注漿施工作業(yè)中,不僅要保證注漿止水加固的工程效果,還應(yīng)該盡量節(jié)省施工成本。因此,對注漿施工結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的選擇,需要采用定量和定壓相結(jié)合的方式進(jìn)行。在注漿施工前期,由于注漿壓力相對較小,因此需要盡量擴(kuò)大漿液的擴(kuò)散范圍,因此可以適當(dāng)增加注漿量。在注漿加固范圍接近注漿結(jié)束要求的情況下,應(yīng)該主要控制注漿壓力,故需要進(jìn)行定量和定壓注漿。結(jié)合工程的施工成本,在注漿中漿液的擴(kuò)散范圍已經(jīng)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或注漿壓力基本穩(wěn)定的情況下,需要對漿液的配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以縮短膠凝時間,同時采用間歇注漿的方式,以實(shí)現(xiàn)對注漿漿液擴(kuò)散范圍的有效控制。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓同時注漿量已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的80%以上時,即可結(jié)束注漿。根據(jù)此次工程的實(shí)際情況,第1段和第2段的注漿終壓設(shè)置為3MPa,第3段的注漿終壓設(shè)置為4MPa。

        5 注漿效果評價

        注漿效果的評價是后期進(jìn)行開挖施工方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。針對此次施工具體情況,主要通過鉆孔檢查進(jìn)行評價。檢查過程中按照注漿孔總數(shù)的5%~10%設(shè)置檢查孔,檢查孔的布置應(yīng)該采用均布的方式,檢查孔內(nèi)應(yīng)該沒有涌沙、涌泥現(xiàn)象,不塌孔,滲水量不大于0.2L/(min·m),否則需要進(jìn)行補(bǔ)充注漿處理。

        從工程的涌水情況來看,注漿前的涌水量為2000m3/d,隨著注漿的順利進(jìn)行,涌水量逐漸減小,顯示出良好的注漿止水效果。從后續(xù)開挖施工的實(shí)際情況來看,在進(jìn)行帷幕注漿加固之后,開挖過程中圍巖掌子面比較濕潤,裂隙部位可見良好的漿液填充,僅有局部存在滲漏滴水現(xiàn)象。

        6 結(jié) 語

        帷幕注漿可以實(shí)現(xiàn)隨圍巖裂隙中的裂隙有效固結(jié),阻斷裂隙通道,將圍巖有效連成一個有機(jī)整體。帷幕注漿加固之后,注漿止水的效果良好。當(dāng)然,隨著注漿新材料的不斷出現(xiàn)和注漿技術(shù)的不斷創(chuàng)新,各種施工參數(shù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化。因此,在具體的工程設(shè)計(jì)和施工方面,還需要積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,結(jié)合具體工程實(shí)際,在保證施工質(zhì)量情況下,盡量降低施工成本。

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