CN112482415B - 高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,涉及地下工程领域,解决地下洞室在高外压力条件下围岩裂隙的大量涌水问题,避免动水作用对固结灌浆施工造成的影响,保证固结灌浆施工质量。本发明采用的技术方案是:高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,先向地下洞室的岩体打深排水孔,对渗漏涌水进行集中引排;然后向地下洞室的岩体打堵水孔,对堵水孔的阻水帷幕孔段进行堵水灌浆,形成阻水帷幕;再封堵深排水孔;再封闭岩面,再在地下洞室岩面施工衬砌混凝土,形成固结灌浆盖重体;最后对衬砌混凝土与阻水帷幕之间的区域进行固结灌浆。本发明适用于在高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆。

Description

高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法
技术领域
本发明涉及地下工程领域,具体是一种高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆的方法。
背景技术
在地下水补给来源充分且持续高地下水位的情况下,已开挖成型的地下洞室内岩石裂隙往往存在较大的持续不断的涌水,在这种条件下进行地下洞室四周岩体的固结灌浆施工,完成灌浆钻孔后,灌浆孔实际上就变成了排水孔,孔内涌水不止,如果此时按照通常情况下固结灌浆的施工方法进行灌注作业,由于岩体承压渗流和钻孔内流水影响,其灌浆质量难以满足规定要求。目前,我国现行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148-2012)也未涵盖这种条件下地下洞室固结灌浆施工的具体技术要求。
《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148-2012)中没有涵盖高外水压力动水条件下水工地下洞室固结灌浆施工的具体技术要求。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,但如果将这种施工方法照搬到高外水压力动水条件下水工地下洞室固结灌浆施工中应用时,对于只存在个别灌浆孔涌水的情况是适用的,而当灌浆孔内和围岩裂隙普遍存在涌水时,用高压顶水灌浆的方法进行固结灌浆施工则不尽适用。
例如,九寨沟县2017年8月8日发生七级地震,处于震区的多诺水电站水库放空洞建筑物受损较重,需要重建放空洞,重建放空洞的地下闸室布置于近坝库岸右岸山体内,地下闸室开挖和支护施工完成后,由于水库已投入正常蓄水运行,通常情况下库水位与地下闸室之间的平均水头差高达70m~100m,且因库岸岩体以中强透水为主、岩体裂隙发育,地下闸室在无盖重体条件下固结灌浆施工中就遇到了高外水压力条件下灌浆孔和围岩裂隙大量涌水的问题。在这种条件下,现有的常规固结灌浆技术需要进行反复试验和多次补灌才能达到预期的效果。但这种施工方法费工费时,既造成了工期的延误、又造成了灌浆材料的浪费和工程成本费用的增加,而且由于不同部位灌浆孔内的涌水流量和渗水压力不尽相同,使得灌浆参数也难以统一,施工质量很难得到控制。
我国水电行业现行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148-2012)中“隧洞固结灌浆”条款推荐采用的施工方法及技术参数仅适用于钻孔不存在涌水的常规条件下施工。常规条件下的施工过程中,对个别钻孔中因地下水位较高而出现涌水的问题,视为特殊情况,可以通过提高灌浆压力、灌注膏状浆液或堵水材料等措施来进行特殊处理。但是对于钻孔中普遍存在高外水压力条件下渗水补给来源充分造成大量涌水的情况,则不能作为个别特例来进行对待,必须研究适用于这种特殊条件下的地下洞室固结灌浆新的施工工艺方法。
在高外水压力、围岩裂隙普遍存在涌水的条件下,由于动水影响浆液流失量较大,无盖重灌浆是无法保证固结灌浆施工质量的。在钻孔涌水状态下,进行无盖重高压顶水灌浆作业,由于存在相邻钻孔串浆以及涌水造成的泄压问题,灌浆压力难以提高,固结灌浆效果得不到保证。
发明内容
本发明提供一种地下洞室固结灌浆方法,解决地下洞室在高外压力条件下围岩裂隙的大量涌水问题,避免动水作用对固结灌浆施工造成的影响,保证固结灌浆施工质量。
本发明采用的技术方案是:高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,包括以下步骤:
S1.向地下洞室的岩体打深排水孔,对渗漏涌水进行集中引排。
进一步的是:步骤S1中,深排水孔完成钻孔后,在孔口段预埋孔口管,并在孔口安装法兰盘,法兰盘上安装高压闸阀;采取系统与随机相结合的方式布置深排水孔,深排水孔孔深穿过拟施工的阻水帷幕外围边线,深排水孔孔深的计算公式为:
L=L+B 公式1a
或:
L=L+D+B 公式1b,
公式1a和1b中:L-深排水孔孔深;L-堵水孔孔深;L-设计的固结灌浆孔段长度;D-拟定的环形阻水帷幕幕体厚度;B-深排水孔穿过环形阻水帷幕后深入岩体内的长度。
例如:步骤S1中,地下洞室为放空洞地下闸室,沿地下闸室四周边角线布置放射状深排水孔,深排水孔间距2m,顶拱部位边线处加密布置深排水孔;垂直地下闸室四周岩壁面每隔3m~4m,布置一圈或一排深排水孔;顶拱部位布置放射状深排水孔;其它未布置深排水孔的部位随机布置深排水孔。
S2.向地下洞室的岩体打堵水孔,堵水孔的前段为阻水帷幕孔段、后段为固结灌浆孔段,对堵水孔的阻水帷幕孔段进行堵水灌浆,形成一圈封闭且呈环状的阻水帷幕。
进一步的是:步骤S2包括以下步骤:
S2.1设计堵水孔,确定堵水孔钻孔深度,堵水孔钻孔深度L的计算公式为:
L=L+D 公式2;
地下洞室顶拱部位的堵水孔呈放射状布置,并加密布置堵水孔。
S2.2首先钻堵水孔,钻孔完成后,对钻孔进行冲洗;其次,对堵水孔的阻水帷幕孔段进行纯压式高压顶水灌浆,形成阻水帷幕体;再次,将顶拱部位加密布置的堵水孔封堵;最后,检验阻水帷幕的阻水效果,并根据检验结果对阻水帷幕缺陷部位补灌。
具体的:步骤S2.2中,对堵水孔的阻水帷幕孔段进行灌浆的灌浆压力计算公式为:
P=P+P 公式3a
P=K1P+K2P=1×10-6K1γH+K2P 公式3b;
公式3a和3b中:P-堵水孔灌浆压力(MPa);P-堵水孔内涌水压力(MPa);P-堵水孔无涌水情况下的初定灌浆压力(MPa),一般取0.5MPa~2MPa;P-钻孔承受的外水压力(MPa);P-固结灌浆孔的设计灌浆压力(MPa);K1-渗透压力折减率,取值≤1;K2-灌浆压力扩大系数,一般取1~2;γ-水的比重(kN/m3),为常数,一般取值γ=1×104kN/m3;H-钻孔与库水位之间的水头差(m)。
堵水灌浆浆材:堵水灌浆使用由水泥基浆掺加外加剂制得的C-GS1膏状浆液,其中水泥基浆水灰比为用0.5∶1,外加剂按水泥用量干重的3%~10%的剂量掺加。
堵水灌浆工艺:堵水灌浆按环间不分序、环内加密的原则,从低处向高处的顺序进行施工,对阻水帷幕孔段采用单一浆液纯压式一次性灌浆工艺进行灌注,采用机械式高压灌浆塞进行灌浆段的封堵。
堵水灌浆结束标准:在达到堵水灌浆的设计灌浆压力下,C-GS1膏状浆液注入率不大于1L/min后,继续灌注10min结束堵水灌浆;或达到堵水的设计灌浆压力后,C-GS1膏状浆液无明显注入结束堵水灌浆。
S3.封堵深排水孔。
具体的:步骤S3中,封堵次序为:先封堵随机布置的深排水孔,后封堵系统布置的深排水孔;先封堵顶拱位置的深排水孔,再按从高~低的顺序封堵边墙位置的深排水孔;封堵深排水孔分两段进行封堵,第一段采用“纯压式高压顶水灌浆法”进行封堵,第二段采用“孔口封闭、纯压式全孔灌浆法”进行封孔;封堵深排水孔时,每环或每排深排水孔预留一个深排水孔暂时不进行封堵,并进行闭水试验,闭水试验完成后再进行封堵。
S4.封闭岩面:向地下洞室的岩体打永久排水孔,永久排水孔的深度小于堵水孔的固结灌浆孔段的长度,在岩体表面永久排水孔的孔口之间安装透水式排水软管,再在岩面表面铺设防水层。
具体的:步骤S4中,在岩体表面铺设土工防水布或安装EVA防水板,形成排水隔水系统。
S5.在地下洞室岩面施工衬砌混凝土,形成固结灌浆盖重体。
具体的,步骤S5中,衬砌混凝土为钢筋混凝土,地下洞室的边墙整体浇筑、不分竖向施工缝,只设置水平向施工缝的方式进行施工;衬砌混凝土在需要固结灌浆的位置预埋导向管,导向管的前端与堵水孔的位置对应。
S6.对地下洞室进行固结灌浆,固结灌浆区为衬砌混凝土与阻水帷幕之间的区域。
进一步的是:步骤S6中,划分灌浆区及确定灌浆次序为:地下洞室环向按照每4~5个环划定为一组,一组为一个灌浆区,地下洞室两头端墙各划分为一个灌浆区,间隔或相邻的灌浆区同时进行钻灌作业。
具体的:步骤S6包括以下步骤:
S6.1钻孔或扫孔:在衬砌混凝土与堵水孔对应的位置钻孔,并在衬砌混凝土钻设新固结灌浆孔,新固结灌浆孔的深度为堵水孔的固结灌浆孔段的长度加上衬砌混凝土厚度。
S6.2冲洗与堵水孔对应的钻孔以及新固结灌浆孔。
S6.3抽选取与堵水孔对应的钻孔以及新固结灌浆孔分别进行压水实验。
S6.4对与堵水孔对应的钻孔以及新固结灌浆孔进行灌浆,灌浆结束后进行封孔。
进一步的是:高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法还包括以下步骤:S7.固结灌浆质量检查;S8.缺陷部位补灌。
具体的:步骤S7中,固结灌浆质量检查采用钻孔压水试验的方法,压水试验结束后,对于质量合格的检查孔采用“全孔灌浆封孔法”封孔;对于质量不合格的检查孔,暂不进行封堵,待补灌结束后再进行封孔。
具体的:步骤S8中,将抽检的压水试验不合格的检查孔作为补灌孔,同时在补灌孔周围加密布置检查孔并进行压水试验检查,如果加密布置的检查孔压水试验合格,则对加密布置的检查孔进行封堵;若加密布置的检查孔压水试验不合格,则留作补灌孔;再重复上述过程,直至探查清楚固结灌浆不合格的边界线,边界线范围内为固结灌浆质量存在缺陷的区域。
对固结灌浆质量存在缺陷的区域进行补灌,补灌结束后,对补灌孔进行封堵;再在补灌部位再随机布置一个检查孔,进行压水试验检查,透水率达到设计规定值后才能结束补灌;否则,重复进行补灌,直至达到合格标准为止。
本发明的有益效果是:本发明提供了一种在高外水压力动水条件下,地下洞室固结灌浆的施工方法,达到技术合理可行、费用较省、质量可控的目的。
在高外水压力、水源补给充分、围岩裂隙普遍存在涌水的条件下,对围岩裂隙发育的地下洞室或隧道进行无盖重固结灌浆施工,首先解决涌水问题,避免动水作用对衬砌混凝土浇筑和固结灌浆造成的影响,是固结灌浆能否正常施工的关键所在。本发明采取深排水孔有序排导和外围封闭阻隔为主、岩面封堵为辅的方法,实现了在无水条件下进行衬砌混凝土浇筑和无动水影响且有盖重条件下进行固结灌浆施工。
本发明采用了“深排水孔将渗水泄压引排、外围采取高压顶水灌浆法形成环向阻水帷幕隔离渗漏涌水、深排水孔高压灌浆封堵、岩面防水布封闭、钢筋混凝土衬砌作为盖重体、按灌浆区域的围岩特点划分灌区、同一灌区内环间分序环内加密、高压灌浆、纯压式单一浆液全孔一次性灌注、固结灌浆压水试验检查、补灌”的施工工艺,丰富和完善了水工隧洞和地下洞室固结灌浆施工技术,对类似工程的设计与施工具有一定的参考价值和借鉴意义。
附图说明
图1是本发明实施例中阻水帷幕施工示意图。
图2是图1中深排水空和堵水孔平面布置展开图。
附图标记:地下洞室1、深排水孔2、堵水孔3、阻水帷幕4、衬砌混凝土5、固结灌浆区6。图1和图2中标注的高程单位为m,其余尺寸标注的单位为cm。
具体实施方式
下面以四川省九寨沟县多诺水电站重建放空洞地下闸室固结灌浆为例对本发明作进一步说明。高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,对渗漏涌水采取深排水孔有序排导和外围封闭阻隔为主、岩面封堵为辅的策略,形成在无水条件下进行衬砌混凝土浇筑和后续固结灌浆施工的基本条件,参考图1和图2,具体包括以下步骤:
S1.在地下洞室的岩壁面打深排水孔,对渗漏涌水进行集中引排。
由于地下闸室围岩裂隙发育,在高外水压力下渗漏涌水沿裂隙冒出,岩壁面裂隙普遍存在渗流量大小不等的渗漏出水点,所以地下闸室内渗漏涌水不属于存在集中渗漏通道的“单点涌水”情况,也不是沿岩层裂隙面的“集中式线性股状涌水”情况,而是属于“多点面漫流状涌水”情况。故步骤S1在地下洞室1的岩壁面采取系统与随机相结合的方式布置深排水孔2,用分流、减压、可控排放的措施,对渗漏涌水进行集中、泄压及引排,以达到对涌水进行有效控制、防止漫流的目的。其中,系统方式布置是指按确定的间距行列布置深排水孔;随机方式是指随机在地下洞室1的岩壁面布置深排水孔2。
考虑到排水量较大,深排水孔2的孔径选用Φ110mm。深排水孔2的孔深要求穿过拟施工的环形阻水帷幕4外围边线2m~3m,深排水孔2孔深的计算公式为:
L=L+B 公式1a
或:
L=L+D+B 公式1b,
公式1a和1b中:L-排水孔孔深(m);L-堵水孔孔深(m);L-设计的固结灌浆孔孔深(m);D-拟定的环形阻水帷幕幕体厚度(m);B-排水孔穿过环形阻水帷幕后深入岩体内的长度(m)。
多诺水电站由于阻水帷幕4幕体需要承受70m~100m水头,甚至更高的高外水压力,并且岩体渗水量较大,故阻水帷幕4幕体选用较厚的宽度,取值为3m。经过计算,采用的深排水孔钻孔深度为11m~12m。实际施工中,深排水孔2的钻孔深度可视现场渗漏涌水引排效果适当进行加深。
深排水孔2的布置原则为:(1)沿地下闸室四周边角线布置放射状深排水孔,深排水孔间距2m,顶拱部位边线处可视具体排水情况适当加密。(2)垂直地下闸室四周岩壁面,每隔3m~4m并避开堵水孔位置,在两排堵水3孔之间布置一圈或一排深排水孔2。直墙段深排水孔2间距2m,可视现场实际渗漏出水量情况进行加密或减少,并可适当调整位置。顶拱部位布置放射状深排水孔2,每圈原则上布置10个孔,现场施工时可视排水孔具体出水量情况和堵水孔内渗漏水情况适当进行增减。(3)其它未布置系统深排水孔的部位,视现场实际渗漏涌水情况,根据施工排水以及水流控制的需要随机布置深排水孔2,以满足渗漏涌水堵水施工的基本条件为原则。
深排水孔3采用100B型潜孔钻机钻孔,钻孔完成后,孔口段预埋Φ100mm钢管作为孔口管,孔口管长度为2.0m,并在孔口安装法兰盘,法兰盘上再安装高压闸阀,为施工期间进行渗漏涌水控制和后期对排水孔封堵做好准备。
S2.向地下洞室的岩体打堵水孔,堵水孔的前段为阻水帷幕孔段、后段为固结灌浆孔段,对堵水孔的阻水帷幕孔段进行堵水灌浆,形成一圈封闭且呈环状的阻水帷幕。步骤S2包括以下两个步骤:
S2.1设计堵水孔
(1)堵水孔的设计原则
为减少钻孔工程量,除顶拱部位需要加密布置放射状堵水孔3外,本工程的其余堵水孔3全部对应S6中的固结灌浆的孔位进行布置。施工中,如出现个别部位堵漏效果不理想,在该部位视堵水需要可随机再增设堵水孔3。
(2)堵水孔设计参数
1)孔径堵水孔3孔径与S6中的固结灌浆孔孔径可相同或不相同,例如均为Φ50mm。
2)孔深堵水孔3的钻孔深度计算公式如下:
L=L+D 公式2;
公式2中各参数所代表的意义与公式1a和1b相同。本工程实例中,选取的堵水孔孔深L=1.5L,阻水帷幕4幕体宽度D=3m,L=6m,则堵水孔3孔深为9m。
3)孔位布置堵水孔3环向间距选取1.5m~2m,结合S6中的固结灌浆孔环向位置进行布置,例如堵水孔3和S6中的固结灌浆孔环内间距均为2m。考虑到顶拱部位的堵水孔3为为放射状布置,为保证阻水帷幕4灌浆时浆液扩散范围,在顶拱每两个设计的堵水孔3之间再加密布置1个堵水孔3,参见图1。
S2.2阻水帷幕施工
(1)钻堵水孔采用100B潜孔钻机或手风钻进行钻孔,钻孔完成后,对钻孔使用压力水进行裂隙冲洗,冲洗压力≤1MPa。堵水孔3沿长度方向分为两段,分别是前段的阻水帷幕孔段和靠近孔口的固结灌浆孔段,阻水帷幕孔段灌浆后用于形成阻水帷幕4,固结灌浆孔段用于步骤S6的固结灌浆。
(2)堵水孔灌浆采用膏状浆液,对堵水孔3的阻水帷幕孔段进行纯压式高压顶水灌浆,形成阻水帷幕4。对堵水孔3的阻水帷幕孔段进行灌浆的灌浆压力计算公式为:
P=P+P 公式3a
P=K1P+K2P=1×10-6K1γH+K2P 公式3b,
公式3a和3b中:P-堵水孔灌浆压力(MPa);P-堵水孔内涌水压力(MPa);P-堵水孔无涌水情况下的初定灌浆压力(MPa),一般取0.5MPa~2MPa;P-钻孔承受的外水压力(MPa);P-固结灌浆孔的设计灌浆压力(MPa);K1-渗透压力折减率,取值≤1;K2-灌浆压力扩大系数,一般取1~2;γ-水的比重(kN/m3),为常数,取近似值γ=1×104kN/m3;H-钻孔与库水位之间的水头差(m)。
堵水孔3内涌水压力需要进行现场闭水测试。本工程在测试过程中对堵水孔3孔口进行封闭后,渗水就从孔周围岩体裂隙中涌出,孔中渗透压力得到一定释放,渗压计测值不能准确反映孔内涌水压力的实际情况,因此堵水孔内的涌水压力将通过库水位与出水点之间的水头差、考虑渗透压力沿程损失后通过近似计算取得。按照水库运行期水位变幅情况,考虑堵水施工期间最不利工况,即库水位维持在正常蓄水位2370m左右,则地下闸室承受的平均外水压力水头约100m,取P=1MPa;再参照布设于坝后右岸山脊(位于地下闸室附近)的大坝右岸绕渗监测孔在相应库水位时孔内水位测值,其孔内水位约为库水位值的85%左右,适当考虑沿程损失后,取K1=0.8。参照设计给定的固结灌浆压力,在孔深3m~6m段,灌浆压力采用0.6MPa~1.2MPa,考虑到膏状浆液扩散性能较纯水泥浆液要差,故P和K2均选取上限值,取P=1.2MPa,K2=2。通过计算后,选用堵水灌浆压力P=3MPa。
2)堵水浆材在水泥基浆液中掺加外加剂,制备成C-GS1膏状浆液,以达到改变浆液的粘度且不影响水泥结石强度的作用,并在使用常规灌浆设备和不改变常规灌浆工艺的条件下进行施工。浆液拌制用水要求符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ63-2006),水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥并符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)质量标准。浆液水灰比采用0.5∶1,外加剂为粉剂材料,在水灰比0.5∶1普通水泥浆液中添加,按水泥用量干重的3%~10%的剂量掺加,具体掺量根据浆液灌注过程、管路距离及浆液凝固时间要求通过现场生产性试验进行确定。堵水用膏状浆液和钻孔封堵用的水泥浆液或堵水浆材均在洞外制浆站制备,并采用SNS130/20型号的灌浆泵经
Figure GDA0003367201670000081
高压胶管输送至洞内灌浆点。
3)灌浆工艺堵水灌浆按环间不分序、环内加密的原则进行,从低处向高处分两序施工。对阻水帷幕孔段(本工程为孔底3m段)采用单一浆液纯压式一次性灌浆工艺进行灌注,不进行孔内分段灌浆,不要求浆液孔内循环,不进行浆液分级或变级。采用机械式高压灌浆塞进行灌浆段封堵,对于固结灌浆孔段(本工程为0m~6m段)在本次堵水灌浆时不进行灌注。原则上同一环内同一次序孔全部或部分钻出后再进行灌浆,也可视现场堵水钻孔渗水的具体情况,进行单孔分序钻孔和灌浆。堵水灌浆过程中,若同一环内相邻的同一序孔出现串浆现象,可同时进行并灌。灌浆设备使用JK-800型高压灌浆机和GS80E型螺杆式灌浆泵,灌浆过程中严格控制灌浆压力,实行动态控制,采用“孔口循环”的方法,及时调整灌浆压力,并在孔口安装压力表,即时测量灌浆压力并进行控制。灌浆记录采用灌浆自动记录仪记录。
4)堵水灌注结束标准在达到堵水灌浆的设计灌浆压力下,C-GS1膏状浆液注入率不大于1L/min后,继续灌注10min结束堵水灌浆;或达到堵水的设计灌浆压力后,C-GS1膏状浆液无明显注入结束堵水灌浆。
(3)封堵顶拱部位加密的堵水孔
因堵水需要,加密布置于顶拱部位的堵水孔3并不属于设计的固结灌浆孔,阻水帷幕4灌浆完成后,还需要对其固结灌浆孔段,即0m~6m段进行封堵处理。由于顶拱部位加密的堵水孔3为孔口朝下的仰孔或倒向孔,边墙部位增打的堵水孔3为水平孔,故采用水灰比0.5:1的纯水泥浆液按照“孔口封闭、纯压式全孔灌浆法”进行封孔。具体的,封孔的灌浆压力选取0.5MPa,灌浆设备使用JK-800型高压灌浆机和SNS130/20型柱塞式灌浆泵,灌浆记录采用灌浆自动记录仪或人工记录,浆液注入量达到6m段Φ50mm钻孔内充填满后即可结束,然后关闭孔口阀待凝。
(4)阻水帷幕缺陷部位补灌
阻水帷幕4施工完成后不进行压水试验检查,其阻水效果通过深排水孔2封堵或闭水试验进行检验。如果在深排水孔2封堵过程中或闭水试验时,个别部位出现堵水孔内出水或岩面裂隙再次渗水情况,则选择对出水孔进行扫孔或在出水孔旁边补打钻孔以及在岩面渗水部位补打钻孔的方式补灌,补灌孔孔深要求进入阻水帷幕内0.5m~1m,本工程选用补灌孔孔深7m,采用纯压式全孔一次性灌浆,灌浆压力与堵水灌浆压力相同,即P=3MPa。灌浆材料选用水灰比0.5:1的纯水泥浆液,灌浆设备使用JK-800型高压灌浆机和SNS130/20型柱塞式灌浆泵,灌浆记录采用灌浆自动记录仪,在确定的堵水灌浆压力下反复进行扫孔补灌,直至渗水量可控到不影响后续施工或无渗水为止。
S3.封堵深排水孔
(1)封堵次序阻水帷幕4灌浆完成后,对深排水孔2进行封堵。深排水孔2的封堵按照逐级分序的原则进行,即先封堵随机布置的深排水孔2,后封堵系统布置的深排水孔2;先封堵顶拱位置的深排水孔2,再按高~低的顺序封堵边墙位置的深排水孔2。系统布置的深排水孔2同一环内间隔封堵,分两序进行,先封堵I序孔、后封堵Ⅱ序孔,其中Ⅰ序孔为同一环内中的编号次序为单号的深排水孔,Ⅱ序孔为同一环内中的编号次序为双号的深排水孔;同一排的深排水孔2采取自孔内~孔口分两段进行灌浆,第1段为孔底~孔深6m段(即阻水帷幕内边线),第2段为孔深6m~0m(孔口)段。
(2)封堵方法
1)第1段封堵采用“纯压式高压顶水灌浆法”进行封堵,安装灌浆塞前拆除孔口法兰盘。灌浆塞类型选用机械式高压灌浆塞,封堵灌浆压力与堵水灌浆压力相同,即P=3MPa。灌浆材料选用C-GT1堵水浆材。GT堵水材料为环保无毒性的液体高分子材料,与水泥浆液拌合后形成C-GT1堵水浆材,C-GT1堵水浆材具有良好的水下抗冲蚀和水下抗分散性能,是高效的堵水灌浆材料,使用时不改变常规灌注工艺和常用灌注设备配置。该浆材的初凝时间可以根据GT材料掺用量在10min~45min内任意调节,具有良好的可操作性。C-GT1堵水浆材配合比采用“(GT液体+水)∶水泥=0.5∶1”,其灌浆工艺同阻水帷幕灌浆施工,灌浆结束标准为:达到规定的灌浆压力后C-GT1堵水浆液无明显注入时即可结束。
2)第2段封堵采用“孔口封闭、纯压式全孔灌浆法”进行封孔。灌浆选用水灰比0.5∶1的纯水泥浆液灌注,灌浆压力选取0.5MPa。灌浆设备使用JK-800型高压灌浆机和SNS130/20型柱塞式灌浆泵,灌浆记录采用灌浆自动记录仪记录。在规定的灌浆压力下,注入率不大于1L/min后,继续灌注10min即可结束,然后关闭孔口阀进行待凝。
(3)闭水试验
预留每环或每排系统布置的深排水孔2上游侧边墙和两头端墙最下部的一个深排水孔2暂时不进行封堵,利用预留的深排水孔2进行闭水试验,待闭水试验完成后再进行封堵。闭水试验的目的在于检验阻水帷幕4在现实条件下的防渗效果和检查是否还存在新的渗漏点。其具体做法为:在预留深排水孔2的孔口管上安装压力表,封闭全部预留的深排水孔2闸阀。定时测量并记录各孔的压力表读数,并观察地下闸室内洞壁岩面的渗水情况,闭水试验时间不小于2d。闭水试验完成后,如发现洞周岩壁面仍有渗漏出水点,则打开所有闭水试验孔孔口闸阀继续排水,然后再对检查出的阻水帷幕缺陷部位进行补灌处理,补灌结束后待强7d,再重新进行闭水试验。如此反复,直至岩面无渗水为止。
作为闭水试验的深排水孔2最后进行封堵,封堵采取“高压顶水灌注、孔口封闭灌浆法”,使用单一浆液纯压式全孔一次性灌注工艺。其施工主要技术参数如下:封堵灌浆压力与堵水灌浆压力相同,即P=3MPa。灌注浆液采用水灰比0.5∶1水泥浆(含外加剂,如分散剂、增粘剂、水玻璃或其他高分子树脂堵水材料等)或M20规格的水泥砂浆。闭水试验孔封堵可视灌浆效果重复进行扫孔灌注,直到孔口不出现渗漏水为止。
S4.封闭岩面
向地下洞室1的岩体打永久排水孔,永久排水孔的深度小于堵水孔3的固结灌浆孔段的长度,在岩体表面永久排水孔的孔口之间安装透水式排水软管,再在岩面表面铺设防水层。本工程设计永久排水孔孔径Φ50mm,深入岩石1.5m,间、排距2m,在岩石表面按照环形向每隔2m安装D50透水式排水软管,然后再在岩面全面铺设土工防水布或安装1.2mm厚EVA防水板,形成排水隔水系统,达到对岩石表面进行封闭的目的,以进一步防止透过阻水帷幕的少量渗水对后续衬砌混凝土浇筑和固结灌浆施工造成影响,保证混凝土浇筑仓内无流水积水。
S5.在地下洞室岩面施工衬砌混凝土并形成固结灌浆盖重体
在地下洞室岩面施工衬砌混凝土5,衬砌混凝土5为钢筋混凝土并起到固结灌浆盖重体的作用。本工程地下闸室周长43m、闸室高度9.7m,故采用厚度1.4m的钢筋混凝土为衬砌混凝土5。为保证闸室结构的整体完整性,减少出现边墙施工缝渗水的可能,采取闸室边墙整体浇筑、不分竖向施工缝,只设置水平向施工缝的方式进行施工。整个衬砌混凝土5分两仓浇筑完成,第1仓浇筑6m高边墙,第2仓将剩余1.47m边墙和顶拱一次性浇筑成形。为防止闸室运行期间施工分缝面出现渗水,在施工分缝处靠岩面一侧混凝土内需加设一圈橡胶止水。为避免后续固结灌浆施工时钻孔穿过盖重混凝土对衬砌结构造成损坏,在混凝土浇筑仓位准备时,按照设计的固结灌浆孔位布置,在相应位置预埋Φ50mm钢管作为导向管,灌浆时作为孔口管。衬砌混凝土5在需要固结灌浆的位置预埋导向管,导向管的前端与堵水孔3的位置对应。导向管应定位准确,并利用内、外层结构钢筋网牢靠加固和固定,以防止混凝土浇筑过程中变形错位。仓位准备时,边墙和顶拱的钢筋网一次性安装到位。衬砌混凝土为C25W8F50,浇筑采用高流态自密实混凝土,在拌合站拌制完成后通过混凝土搅拌运输车运送至洞口,再经过混凝土输送泵泵送入仓。衬砌混凝土5浇筑完成,待混凝土强度达到50%设计强度后,拆除顶拱浇筑时支撑体系的中间部分脚手架,将顶拱支撑体系进行减半处理,然后即开始固结灌浆钻孔作业。顶拱模板在混凝土龄期达到28d后进行拆除,边墙模板在混凝土浇筑完成7d后进行拆除,以方便固结灌浆钻孔作业。浇筑混凝土时搭设的脚手架经过改造后作为固结灌浆施工的脚手架继续使用,并在灌浆完成后拆除。
S6.对衬砌混凝土与阻水帷幕之间的区域进行固结灌浆
灌浆区划分及灌浆次序确定
根据固结灌浆的布孔情况和闸室围岩的工程地质条件,闸室环向按照每4~5个环为一组,划定为一个灌浆区,闸室两头端墙各划分为一个灌浆区。根据施工资源配置和闸室内施工空间占用情况,间隔或相邻的灌浆区可同时进行钻灌作业。同一灌浆区先钻灌奇数环,后钻灌偶数环。同一环内分两序进行钻灌,先钻灌Ⅰ序孔,后钻灌Ⅱ序孔。原则上采用单孔灌浆,但为了加快工程进行,同一环同一序上的灌浆孔可并联灌浆,但并联孔数不宜多于3个。同一环每序灌浆孔均由低处向高处依次进行灌注作业。
步骤S6具体包括以下步骤:
(1)钻孔或扫孔在衬砌混凝土5与堵水孔3对应的位置钻孔,并在衬砌混凝土5钻设新固结灌浆孔,新固结灌浆孔的深度为堵水孔3的固结灌浆孔段的长度加上衬砌混凝土5厚度。固结灌浆孔由两种方式形成,第一种是向堵水孔3孔口位置直接钻设,或者在预埋导向管的位置进行扫孔即可,扫孔深度为衬砌混凝土5与堵水孔3的固结灌浆孔段长度之和。或者,在衬砌混凝土(5)钻设新固结灌浆孔,钻孔的次序依照灌浆的先后顺序进行,钻孔孔径为Φ50mm,孔深6m。固结灌浆钻孔和扫孔采用100B潜孔钻机或手风钻钻孔,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执行。
(2)钻孔冲洗固结灌浆孔在灌浆前均需进行裂隙冲洗。具体的,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1MPa。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15min。冲洗作业时应当注意:当邻近有正在灌浆的孔或邻近的孔灌浆结束不足24h时,不得进行冲洗作业;钻孔冲洗结束后24h内必须进行灌浆作业,否则灌前要重新进行冲洗。
(3)钻孔压水试验灌浆前在各序孔中选取5%的固结灌浆孔进行简易压水试验,当按比例选取的简易压水试验孔数量不足以满足固结灌浆单元工程质量评定需要时,可根据施工现场固结灌浆单元工程划分范围,在每个单元工程中按照质量评定需要适当增加。简易压水试验结合裂隙冲洗进行,在裂隙冲洗完成后即可紧接着进行,压水试验设备与固结灌浆设备相同。本工程简易压水试验压力采用1MPa,其压水试验具体要求是:1)孔口用橡胶塞堵塞,灌浆孔全段6m作为试验段。2)在稳定压力下,压水时间为20min,每5min测读一次压入流量,取最后的流量读数作为计算流量。简易压水试验成果以岩体透水率q表示,其计算公式同单点法压水试验透水率计算。
(4)固结灌浆
1)固结灌浆材料及固结灌浆参数选取固结灌浆用水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥,浆液使用水灰比0.5:1的单一纯水泥浆。固结灌浆不分段,6m孔深一次性灌注。由于有1.4m厚的钢筋混凝土衬砌结构作为盖重体,且采用浓浆灌注,故选用较大的灌浆压力进行施灌,固结灌浆压力选取3.0MPa,与堵水灌浆压力相同。固结灌浆前,首先进行固结灌浆生产性工艺试验,验证所选取的灌浆参数是否合理并进行适当微调,同时固化相应的施工工艺过程,然后方可进行大量孔位的施灌作业。
2)固结灌浆采用孔口封闭灌浆法,固结灌浆工艺为:在有盖重条件下进行“单一浆液纯压式全孔一次性高压灌浆”。固结灌浆使用的浆液由设置在洞口旁的制浆站集中制备,并采用SNS130/20灌浆泵经
Figure GDA0003367201670000121
高压胶管输送至洞内灌浆点。灌浆设备使用JK-800型高压灌浆机和SNS130/20型柱塞式灌浆泵,灌浆记录采用灌浆自动记录仪记录。采用“孔口循环”的方法,及时调整灌浆压力,并在孔口安装压力表,即时测量灌浆压力并进行控制。固结灌浆的结束标准为:在灌浆压力3.0MPa下,当注入率不大于1L/min后,继续灌注30min,即可结束固结灌浆。
3)特殊问题的处理在固结灌浆施工过程中遇到钻孔串浆、大量耗浆、灌浆中断等特殊情况时,采用以下措施进行处理:
①串浆邻近孔出现串浆时可采取固结灌浆孔和串浆孔同步灌浆方案,或将串浆孔用止浆塞进行封堵,待固结灌浆孔结束灌浆后立即对串浆孔进行扫孔灌浆。
②大量耗浆当耗浆量较大,灌注经历一段时间注入量仍无明显降低且孔口压力没有升高时,可采取间歇性灌浆、灌注速凝剂浆液、灌注混合浆液或膏状浆液等方式,待孔口压力回升后再改回正常灌浆方式灌注,直至灌浆达到结束标准。
③灌浆中断除因串浆、大量耗浆等以及其它情况下的间歇灌浆外,正常情况下灌浆过程不允许中断,灌浆工作必须保持连接不间断地进行。若因机械故障、停电、待料、孔内返浆等原因造成灌浆过程中断,则应采用相应处理措施,尽可能早的恢复固结灌浆工作。若灌浆中断时间超30min,则立即进行冲洗钻孔,然后恢复固结灌浆;若浆液已经凝固无法冲洗或冲洗无效,则进行扫孔,然后再恢复固结灌浆。
4)灌浆孔封堵固结灌浆结束后,排除钻孔内的积水和污物,采用“全孔灌浆封孔法”封孔,封孔灌浆压力选取1MPa。
高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,还包括以下两个步骤:
S7.固结灌浆质量检查
(1)检查孔布置检查孔数量按照不少于固结灌浆孔总数的5%选取,并应以满足每个灌浆区单元工程质量评定需要为原则。检查孔孔位由监理人在现场随机选取,孔深与固结灌浆孔孔深相同,本工程为6m孔深。
(2)检查孔压水试验固结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3d以后,压水试验压力选用1MPa,压水试验设备与固结灌浆设备相同。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3min~5min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1L/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。单点法压水试验的成果按下式计算:
Figure GDA0003367201670000131
公式4中:q-试段透水率(Lu);Q-压入流量(L/min);p-作用于试段内的全压力(MPa);L-试段长度(m)。
(3)固结灌浆质量合格标准检查合格标准为:85%以上试段的透水率不大于设计规定的3Lu~5Lu,其余试段的透水率不超过设计规定值的150%,且分布不集中。
(4)检查孔封堵压水试验结束后,排除检查孔内的积水和污物,采用“全孔灌浆封孔法”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。对于压水试验检查质量不合格的检查孔,暂不进行封堵,留作该缺陷部位的补灌孔,待补灌结束后再进行封堵。
S8.缺陷部位补灌
(1)缺陷部位的判定在固结灌浆质量检查过程中,如有压水试验不合格的检查孔,则该检查孔将作为补灌孔。与此同时,在质量不合格的检查孔四周一定范围内再加密布置检查孔,孔间距与固结灌浆孔的间距相同,例如为2m,然后再进行压水试验检查。如果加密的检查孔压水试验合格,则对该检查孔进行封堵;如加密的检查孔压水试验不合格,则留作补灌孔。然后继续重复上述过程,直至探查清楚固结灌浆不合格的范围边界线,该边界内即为固结灌浆质量存在缺陷的部位。
(2)缺陷部位补灌利用压水试验检查时留作补灌用的检查孔,对缺陷部位采取补灌措施。补灌的施工工艺与正常固结灌浆施工工艺相同。补灌结束后,对补灌孔进行封堵,封堵方式同正常固结灌浆孔的封堵。
(3)补灌质量检查补灌完成后,在补灌部位再随机布置一个检查孔,进行压水试验检查,透水率达到设计规定值后才能结束补灌。否则,需要重复进行补灌,直至达到合格标准为止。

Claims (9)

1.高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1.向地下洞室(1)的岩体打深排水孔(2),对渗漏涌水进行集中引排,深排水孔(2)孔深的计算公式为:
L=L+B 公式1a
或:
L=L+D+B 公式1b,
公式1a和1b中:L-深排水孔(2)孔深;L-堵水孔(3)孔深;L-设计的固结灌浆孔段长度;D-拟定的环形阻水帷幕(4)幕体厚度;B-深排水孔(2)穿过环形阻水帷幕(4)后深入岩体内的长度;
S2.向地下洞室(1)的岩体打堵水孔(3),堵水孔(3)的前段为阻水帷幕孔段、后段为固结灌浆孔段,对堵水孔(3)的阻水帷幕孔段进行堵水灌浆,形成一圈封闭且呈环状的阻水帷幕(4);具体包括以下步骤:
S2.1设计堵水孔(3),确定堵水孔(3)钻孔深度,堵水孔(3)钻孔深度L的计算公式为:
L=L+D 公式2;
地下洞室(1)顶拱部位的堵水孔(3)呈放射状布置,并加密布置堵水孔(3);
S2.2首先钻堵水孔(3),钻孔完成后,对钻孔进行冲洗;其次,对堵水孔(3)的阻水帷幕孔段进行纯压式高压顶水灌浆,形成阻水帷幕(4)体;再次,将顶拱部位加密布置的堵水孔(3)封堵;最后,检验阻水帷幕(4)的阻水效果,并根据检验结果对阻水帷幕(4)缺陷部位补灌;其中,对堵水孔(3)的阻水帷幕孔段进行灌浆的灌浆压力计算公式为:
P=P+P 公式3a
P=K1P+K2P=1×10-6K1γH+K2P 公式3b,
公式3a和3b中:P-堵水孔(3)灌浆压力(MPa);P-堵水孔(3)内涌水压力(MPa);P-堵水孔(3)无涌水情况下的初定灌浆压力(MPa);P-钻孔承受的外水压力(MPa);P-固结灌浆孔的设计灌浆压力(MPa);K1-渗透压力折减率,取值≤1;K2-灌浆压力扩大系数;γ-水的比重(kN/m3);H-钻孔与库水位之间的水头差(m);
堵水灌浆浆材:堵水灌浆使用由水泥基浆掺加外加剂制得的C-GS1膏状浆液;
堵水灌浆工艺:堵水灌浆按环间不分序、环内加密的原则,从低处向高处的顺序进行施工,对阻水帷幕孔段采用单一浆液纯压式一次性灌浆工艺进行灌注,采用机械式高压灌浆塞进行灌浆段的封堵;
堵水灌浆结束标准:在达到堵水灌浆的设计灌浆压力下,C-GS1膏状浆液注入率不大于1L/min后,继续灌注10min结束堵水灌浆;或达到堵水的设计灌浆压力后,C-GS1膏状浆液无明显注入结束堵水灌浆;
S3.封堵深排水孔(2);
S4.封闭岩面:向地下洞室(1)的岩体打永久排水孔,永久排水孔的深度小于堵水孔(3)的固结灌浆孔段的长度,在岩体表面永久排水孔的孔口之间安装透水式排水软管,再在岩面表面铺设防水层;
S5.在地下洞室(1)岩面施工衬砌混凝土(5),形成固结灌浆盖重体;
S6.对地下洞室(1)进行固结灌浆,固结灌浆区(6)为衬砌混凝土(5)与阻水帷幕(4)之间的区域。
2.如权利要求1所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:步骤S1中,深排水孔(2)完成钻孔后,在孔口段预埋孔口管,并在孔口安装法兰盘,法兰盘上安装高压闸阀;采取系统与随机相结合的方式布置深排水孔(2);
地下洞室(1)为放空洞地下闸室,沿地下闸室四周边角线布置放射状深排水孔(2),顶拱部位边线处加密布置深排水孔(2);垂直地下闸室四周岩壁面间隔布置呈圈状或排状的深排水孔(2);顶拱部位布置放射状深排水孔(2);其它未布置深排水孔(2)的部位随机布置深排水孔(2)。
3.如权利要求1所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:步骤S2.2中堵水灌浆浆材的水泥基浆水灰比为0.5∶1,外加剂按水泥用量干重的3%~10%的剂量掺加。
4.如权利要求2所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:步骤S3中,封堵次序为:先封堵随机布置的深排水孔(2),后封堵系统布置的深排水孔(2);先封堵顶拱位置的深排水孔(2),再按高~低的顺序封堵边墙位置的深排水孔(2);封堵深排水孔(2)分两段进行封堵,第一段采用“纯压式高压顶水灌浆法”进行封堵,第二段采用“孔口封闭、纯压式全孔灌浆法”进行封孔;封堵深排水孔(2)时,每环或每排深排水孔(2)预留一个深排水孔(2)暂时不进行封堵,并进行闭水试验,闭水试验完成后再进行封堵。
5.如权利要求1所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:步骤S4中,在岩体表面铺设土工防水布或安装EVA防水板,形成排水隔水系统;
步骤S5中,衬砌混凝土(5)为钢筋混凝土,地下洞室(1)的边墙整体浇筑、不分竖向施工缝,只设置水平向施工缝的方式进行施工;衬砌混凝土(5)在需要固结灌浆的位置预埋导向管,导向管的前端与堵水孔(3)的位置对应。
6.如权利要求1所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:步骤S6中,划分灌浆区及确定灌浆次序为:地下洞室(1)环向按照每4~5个环划定为一组,一组为一个灌浆区,地下洞室(1)两头端墙各划分为一个灌浆区,间隔或相邻的灌浆区同时进行钻灌作业。
7.如权利要求6所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:步骤S6包括以下步骤:
S6.1钻孔或扫孔:在衬砌混凝土(5)与堵水孔(3)对应的位置钻孔,并在衬砌混凝土(5)钻设新固结灌浆孔,新固结灌浆孔的深度为堵水孔(3)的固结灌浆孔段的长度加上衬砌混凝土(5)厚度;
S6.2冲洗与堵水孔(3)对应的钻孔以及新固结灌浆孔;
S6.3抽选与堵水孔(3)对应的钻孔以及新固结灌浆孔分别进行压水实验;
S6.4对与堵水孔(3)对应的钻孔以及新固结灌浆孔进行灌浆,灌浆结束后进行封孔。
8.如权利要求1~7任一权利要求所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:还包括以下步骤:S7.固结灌浆质量检查;S8.缺陷部位补灌。
9.如权利要求8所述的高外水压力动水条件下地下洞室固结灌浆方法,其特征在于:
步骤S7中,固结灌浆质量检查采用钻孔压水试验的方法,压水试验结束后,对于质量合格的检查孔采用“全孔灌浆封孔法”封孔;对于质量不合格的检查孔,暂不进行封堵,待补灌结束后再进行封孔;
步骤S8中,将抽检的压水试验不合格的检查孔作为补灌孔,同时在补灌孔周围加密布置检查孔并进行压水试验检查,如果加密布置的检查孔压水试验合格,则对加密布置的检查孔进行封堵;若加密布置的检查孔压水试验不合格,则留作补灌孔;再重复上述过程,直至探查清楚固结灌浆不合格的边界线,边界线范围内为固结灌浆质量存在缺陷的区域;
对固结灌浆质量存在缺陷的区域进行补灌,补灌结束后,对补灌孔进行封堵;再在补灌部位再随机布置一个检查孔,进行压水试验检查,透水率达到设计规定值后才能结束补灌;否则,重复进行补灌,直至达到合格标准为止。
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