（地质工程专业论文）天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆的研究.pdf

摘要 近年来水电开发的兴起，在堤坝建筑物防渗补强方面，水泥灌浆技术 被广泛应用。高压固结灌浆是采用高压将浆液灌入岩石或土层的裂隙或破 碎带，以提高岩体的整体稳定性和抗变形能力的灌浆方法。 天生桥二级水电站i i i 号引水隧洞长度长，埋深大，外水压力高，沿 线工程地质和水文地质条件极其复杂。施工中存在断层破碎带、岩溶洞穴、 暗河等不良地质洞段，高压固结灌浆技术是水工建筑隧洞围岩处理中一种 重要工程措施 本文以天生桥二级水电站i i i 号引水隧洞围岩高压固结灌浆处理工 程技术为研究对象，首先介绍围岩高压固结灌浆理论、i i i 号引水隧洞的 地质特点，不良地质段的加固处理原则、围岩高压固结灌浆中防抬动变形 分析以及特殊地段的处理方法；其次通过灌浆试验研究了围岩灌浆技术参 数包括灌浆孔设计、灌浆压力、灌浆段长、灌浆材料及配比、特殊情况的 处理、灌浆结束标准及封孔，以及灌浆施工的灌浆方法和工艺流程；最后， 隧洞固结灌浆后，对其进行了现场质量检测，并对检测结果进行了分析和 评价，结果证明研究所得到的灌浆技术方案和防i i i 号隧洞抬动变形方案 完全达到工程技术要求，具有较大的实用价值，可在水电开发同类别工程 中推广应用。 关键词固结灌浆，隧洞，抬动变形。 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sw i t ht h er i s eo fh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n t ，l o t so fd a m s n e e dt ob er e p a i r e da n dr e i n f o r c e d ，t h ec e m e n tg r o u t i n gi sw i d e l yu s e di nd a m a n t i s e e p a g ea n dr e i n f o r c e d h i g hp r e s s u r er e i n f o r c e m e n tg r o u t i n gi sf i l l i n g c e m e n tg o u ti n t oc r e v a s s eo rt h ec r u s h e dz o n ei ns o i lo rr o c kl a y e rw i t hh i g h p r e s s u r e ，i no r d e rt oi m p r o v ei n t e g r i t ya n d a n t i d i s t o r t i o na b i l i t yo f r o c k t h en o 3d i v e r s i o nt u n n e lo ft i a n s h e n g q i a o - 2h y d r o p o w e rs t a t i o ni s c h a r a c t e r i z e dw i t l l l a r g el e n g t h , c o n s i d e r a b l e e m b e d d e d d e p t h h i g h o u t e r - w a t e r p r e s s u r e ，v e r yc o m p l i c a t e dg e o l o g i ca n dh y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o n s d u r i n gc o n s t r u c t i o n ，t h eu n f a v o r a b l et u n n e ls e c t i o n sw i t hf a u l ta n df r a g m e n t ， k a r s tc a v e sa n db l i n dr i v e r sa r es t r e n g t h e n e dw i t he i t h e rt h eh i g h p r e s s u r e c o n s o l i d a t i o ng r o u t i n go ri n s t a l l i n gb o l t si ng r o u t i n gh o l e s a n dh i p r e s s u r e r e i n f o r c e m e n tg r o u t i n gt e c h n i q u ei sai m p o r t a n tm e t h o dt od e a lw i t hr o c k m a s so f w a t e rc o n s e r v a n c yt u n n e la r c h i t e c t u r ee n g i n e e r i n g h i g hp r e s s u r er e i n f o r c e m e n tg r o u t i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nn o 3 d i v e r s i o nt u n n e lo f t i a n s h e n g q i a o - 2h y d r o p o w e rs t a t i o nw a ss t u d i e dt h i sp a p e r f i r s t l y , t h eh i g hp r e s s u r eg r o u t i n ga n dr e i n f o r c e m e n tg r o u t i n gi nt u n n e lt h e o r y , n o3d i v e r s i o nt u n n e l g e o l o g i c a lc h a r a c t e r s ，r e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l e s i n u n f a v o r a b l et u n n e l s e c t i o n s ， a n t i - d e f o r m a t i o na n a l y s i si n h i g hp r e s s u r e r e i n f o r c e m e n t g r o u t i n g c o n s t r u c t i o n m e t h o d si i l s p e c i a l s e c t i o n sw e r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y , b a s e do ng r o u tt e s t , i t sg r o u t i n gt e c h n o l o g yi n d e x e s ， s u c ha st h ed e s i g no fg r o u t i n gh o l e ，t h eg r o u t i n gp r e s s u r e ，t h el e n g t ho f g r o u t i n gs e c t i o n ，g r o u t i n gm a t e r i a l ，r a t i o ，t h ep r o c e s s i n gi ns p e c i a lc o n d i t i o n ， t h ef i n i s hg r o u t i n gs t a n d a r da n ds e a l ，t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n di t sc r a f t s f l o ww e r es t u d i e sa n da n a l y z e d f i n a l l y , a f t e rr e i n f o r c e m e n tg r o u t i n gi nt u n n e l ， q u a l i t ym o n i t o r i n g w a sd o n ei ns i t u a t i o n ，a n dm o n i t o r i n gr e s u l t sw e r e a n a l y z e da n de v a l u a t e d i tw a sp r o v e dt h a tg r o u t i n gt e c h n i c a lp r o g r a ma n d n o 3t u n n e la n t i d e f o r m a t i o n p r o g r a m r e a c h e n g i n e e r i n g t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt e c h n o l o g yp r o v i d ee x p e r i e n c e f o rr e f e r e n c ec o n c e r n i n gh i g hp r e s s u r er e i n f o r c e m e n tg r o u t i n g k e yw o r d s ：r e i n f o r c e m e n t g r o u t i n g ，t u n n e l ，r a i s i n gd e f o r m a t i o n 硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 隧洞围岩灌浆的主要特点有二：一是隐蔽性工程，灌入的浆液在坝基中充填的情 况，无法直观评定，施工质量也难于直观判断。为此施工单位一定要做好资料整理与 分析工作，而做好这项工作的前提是要求原始记录必须填写得准确、详细、清楚，并 应配备有专职的资料整理人员。二是灌浆工程设计由于未知因素较多，例如：各地区 地质条件各不相同，施工工艺也多种多样，难于用数学方法或数学公式准确地计算。 为了使灌浆设计更符合实际工况，布置更为合理，常常需要在设计以前，先在工地进 行灌浆试验，以灌浆试验所得的成果结合己取得的地质、勘探、压水和其他各项试验 等有关资料做为进行坝基灌浆设计和编写施工技术要求的主要参考资料，细心研究， 尽量消除或减少重大的意外情况。即使是这样，在灌浆施工过程中，根据施工实践和 已灌孔灌浆资料的分析而对灌浆设计做部分修改的情况仍会发生，例如：在某些地段 需要增补，或者可能减少几个灌浆孔或一排灌浆孔；某些灌浆孔的深度可能需要加深 或是可以减少；某些地段施工工艺略有改变等等，所以在设计上做或多或少的变更是 正常现象，而成不变却是少见的。多数工程实践证明，设计、施工与监理三方密切 合作，相互协商，共同研究，实事求是地解决有关问题，是保证坝基灌浆工程优质、 快速和经济的重要关键。尽管新技术、新材料不断发展，可是在基础处理及大坝防渗、 补强等工程中，水泥灌浆仍然在技术上、经济上保持着最为重要的地位。 1 2 灌浆技术、理论概述 通过钻孔或置入的孔管，向地层或构筑物中的孔隙灌入一种或几种浆液，这种浆 液最终能形成具有一定强度和阻水性能的“结石”，这样的工程施工法称为灌浆法。 灌浆技术是一项实用性强，应用范围广的工程技术，它已被广泛的应用于矿山、地下 建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁、土木工程等各个领域。主要用于减小岩土的渗透性、 增加其强度或减小地基土的压缩性。为了达到预期的目的，钻机将灌浆孔钻到预定的 土层后，将浆液以压力注入，直到浆液点周围孔隙或裂隙被浆液填充到满足设计要求 为止。另外，灌浆技术也被用来修复各种构筑物的混凝土裂缝。 1 2 1 灌浆技术的发展简述 灌浆技术的发展已有一百多年的历史。法国人开辟了灌浆施工的先河；英国于 1 8 6 4 年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥灌浆对井筒进行灌浆堵水，成功的解决了井筒漏 水问题。随着硅酸盐水泥的发明，水泥开始成为灌浆的主要材料。1 9 1 0 年，采用了自 硕士学位论文 第一章绪论 动记录压力表，根据记录的灌浆性状，作了系统的研究，建立了灌浆压力和渗透性之 间的关系。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师e j j o o s t e n 首次论证了化学灌浆的可靠性，采用 了水玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于1 9 2 6 年取得了专利。灌浆技术有 系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛( h o o v e rd a m ) 水坝的帷幕灌浆，为了补救 因基坑开挖引起的裂缝，进行了加固灌浆。根据胡佛坝基的灌浆工程实践，首次制定 了灌浆工程设计和施工规范。本世纪4 0 年代，灌浆技术的研究和应用得到了迅速的 发展，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，特别是6 0 年代以来，各国大力发展新型 灌浆材料，灌浆工艺和设备得到了空前的发展，其应用范围越来越广“。 我国对灌浆技术的研究和应用起步较晚，但发展很快，某些方面已达到世界先进 水平。5 0 年代初期，我国开始了矽化法的研究，在固矽、防止湿陷性黄土的湿陷、加 固构筑物方面做了大量工作；同时，矿山行业逐渐采用井巷灌浆技术；5 0 年代后期， 灌浆技术在水坝防渗和加固工程中逐步应用；6 0 年代以后，我国已开始注意化学灌浆 的毒害及环境污染问题，并提出了一系列的改进方法，其应用范围日益广泛嘲嘲。 1 2 2 灌浆理论的研究现状 灌浆浆液的流动过程是浆液和介质共同作用的结果，因此，对灌浆浆液和被注介 质的认识是研究灌浆渗流过程的基础。 4 ( 1 ) 岩体结构理论的研究现状m 岩体孔隙或裂隙是浆液流动的通道，由于岩体结构的不同，造成浆液流经的方式 和途径不同，从而产生不同的灌浆效果。因此，对岩体结构的研究是整个灌浆理论的 基础。 多孔介质理论。该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体的通道， 根据其孔隙分布情况，又可分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介质。 拟连续介质理论。该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过该理论应用等效原理 处理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内每一点上都同 时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流动。 裂隙介质理论。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内通过 裂隙网络流动。 孔隙和裂隙双重介质理论。该理论认为岩体是由孔隙性差而透水性强的裂隙系 统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时，既可在介质中 流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。 ( 2 ) 灌浆渗流理论的研究现状 近几十年来，国内外学者对渗透灌浆法进行了广泛而深入的研究，发展了一系列 灌浆渗透理论。如马格理论( 球形扩散理论) 、柱形扩散理论、卡罗尔理论、刘嘉才 的单平板裂隙灌浆渗透模型、b a k e r 公式、g l o m b a d 公式等踟“”。 ( 3 ) 灌浆加固体强度理论及本构关系研究现状 2 硕士学位论文 第一章绪论 含裂隙岩体灌浆加固后，其强度和抗渗性能将有所提高。被注岩体的强度、抗渗 性能的提高程度以及对结构稳定性的影响，受岩体结构、灌浆材料和灌浆过程的控制。 因此，对灌浆加固后岩体力学特性的本构关系的研究，是研究灌浆理论不可缺少的一 个方面。目前，国内在这方面的研究不多，只有一些定性的结论“0 “，一些学者曾用 从现场取得的不同胶结形式的灌浆加固体进行了一系列试验，并得出了灌浆后岩体的 平均内摩擦角和粘聚力均有所提高的结论。 1 2 3 灌浆模拟试验的研究现状 ( 1 ) 前苏联曾进行了细砂层中浆液扩散参数的试验研究，试验中以确定灌浆压力为 条件，得出了灌浆压力、浆液流量、渗流速度、灌浆时间和浆液扩散半径之间的关系 c i o 】【1 2 】： r = 2 8 3 8 2 p 0 5 3 m o 2 3 t - o 8 3 t o ” q = 15 6 4 5 p 1 ”m 0 4 3 邶 v = 6 1 8 6 p 1 ”m o ”。0 ” ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 式中：胄扩散半径( 锄) ，一灌浆时问( m i n ) p 一灌浆压力( m p a ) 浆液粘度( m p a s ) q 一浆液注入量( l h ) m 一砂子的粒度模数，肘= 2 5 5 5 x1 0 2 k x 介质的渗透系数( m s ) 矿一渗流速度( e m s ) ( 2 ) 奥地利进行了单裂隙中浆液流动过程的模拟试验。试验采用了3 种不同的模型， 第1 种模型是将浇筑好的2 m x l m l m 的混凝土块用特殊的方法将其劈裂，对劈裂后的 裂缝进行灌浆模拟试验，建立灌浆流量、灌浆压力及渗透距离之间的关系；第2 种模 型是利用2 块直径为1 4 m 、厚度为0 3 m 的混凝土块构成模拟裂隙，并在模型的中间 钻孔进行灌浆，使浆液在裂缝中呈轴对称流动，测得不同间距下裂隙流量、灌浆压力 及浆液粘度之间的关系；第3 种模型是用2 块2 0 m 0 3 m x 0 3 m 的钢板拼成裂隙，并 在给定的粗糙度下进行灌浆，分析了粗糙度对灌浆流量和浆液扩散距离的影响 【l 帕【i 幻【l 町 ( 3 ) 国内在灌浆参数方面也开展了一系列灌浆模拟试验研究。如中国水利水电科学 研究院研制的平板型灌浆试验台“帅邪”，通过试验，建立了牛顿流体在水平光滑裂隙 面内的扩散方程，得出了扩散半径与灌浆压力、浆液粘度及灌浆时间之间的关系： r = 9 0 0 5 + t o ( 1 4 ) 硕士学位论文第一章绪论 式中：r 一扩散半径 最一灌浆压力( m p a ) 只裂隙内地下水压力( m p a ) 丁一灌浆时间( m i n ) 口一裂隙张开度( 锄) 灌浆孔半径( 锄) 一浆液粘度( c p 一厘帕) 东北大学研制了槽形反扁圆柱状试验台“，并用它研究了多孔介质体中灌浆渗流 过程的压力分布及其随扩散距离而衰减的规律： r = 8 7 p 0 4 7 9 8 k o3 “7 4 7 4 9 f 0 1 5 凹丁o3 2 4 0 h 0 2 7 嘶 ( 1 5 ) 式中：r 一浆液的实际扩散距离( 锄) p 一灌浆压力( 獬a ) k 一被注介质的渗透系数( m s ) 胁一浆液的初始粘度( m p a s ) f 一灌浆时间( s ) r 灌浆胶凝时间( s ) h 一灌浆段高度( m ) 1 2 4 灌浆材料 灌浆材料一般可分为水泥浆材和化学浆材。其浆液的性质取决于组成成分及温 度、时间和渗透速度等。根据灌浆的目的、岩土条件、工程性质、施工技术及造价高 低等因素来选择适宜的浆材及合适的浆液配合比。目前，采用较稠浆液和使用增塑剂 及高效减水剂己成为一种发展趋势。 ( 1 ) 水泥浆材 水泥浆材“”具有固结体强度高、耐久性好、材料来源丰富、工艺设备简单、成本 较低等特点，所以在各类工程得以广泛应用。但这种浆液容易离析和沉淀、稳定性较 差，此外，因固体颗粒较大，使浆液难以注入岩土层中的细小裂隙或孔隙中。为改善 水泥材料的性质，以适应各种不同工程的需要，可在浆液中加入各种添加剂。近年来， 超细水泥的开发克服了水泥浆材难以渗入较细( y 。h ( 2 1 ) 式中凡水的容重 办灌注点以下地下水高度 在钻孔中，过剩压力只对孔壁产生一种径向压力，该压力在岩石中引起一种切向 应力盯。，二者绝对值相等，而符号相反，即； 1 4 硕士学位论文 第二章隧洞围岩高压固结灌浆研究 o o = i - 昂l ( 2 q ) 负号表示这个应力是张力即拉应力。 在孔壁上由过剩压力最引起的切向应力，将叠加在原来集中作用在孔壁上的应 力之上。原有的应力如图2 1 所示，由于孔壁是个自由表面，所以主应力轴的方向应 该垂直于和平行于这个面，这里应该注意由原来两个水平主应力q 和盯。( 假定钻孔 是垂直的) ，在孔壁上引起的切线应力。对我们研究的问题而言，特别有意义的是 其中最小切线应力。假如两个水平主应力不相等，而是盯， o r ，那么a 点和c 点将产生最小切线应力，即： m = 3 c r y 一吒 ( 2 - 3 ) 图2 - 1 过剩压力引起的切线应力 o j 图2 - 2 垂直作用于钻孔孔壁上的两个主应 力引起的切线应力 a t 脚j n _ 力异引起的切线应力o 0 ，将叠加在这个应力( 血) 之上，从而可得 符合应力以。： 一曲= 3 0 y o x 一岛 ( 2 叫) 当以。等于负值( 出现拉应力) 时，将在a 点和c 点产生劈裂作用，并可能产 生破裂。是否破裂，这时就取决于地层的抗拉强度s t 。如果由过剩压力引起的拉应力 。超过( 如果拉应力取负号就小于) 地层的抗拉强度s 时，就将产生破裂。于是， 在钻孔壁上产生水力劈裂的必要而充分条件是： 仃；m = 3 0 y 一口。一p o s s | 或p o 3 盯，一吒一s ( 2 5 ) 式中地层拉抗强度s 应为正值。 众所周知，岩石的抗拉强度是较低的，尤其在裂缝面上常常是s t = 0 。大多数的 土层和沉积层也几乎没有抗拉强度。 当地层中不存在构造应力( 即地应力) 时，地层中近似于“静水压力条件”，垂 硕士学位论文 第二章隧洞围岩高压固结灌浆研究 直作用于孔壁上的两个主应力相等，即： o y2 0 x 。y b z 式中：，。为地层平均容重；z 为地层厚度。由主应力在孔壁上产生的切线应力为：c 7 0 = 常数= 2 九z 。也就是说，此种情况下的水力劈裂条件必须是过剩压力( p 。) 大于上覆 盖层压力的2 倍。但是，还应注意，在具有一定渗透性的地层中压水或灌浆时，实际 上只有其中一部分液体压力o s p 。是用在对孔壁的扩张上，而其余的一部分( ( 1 一 a 、) p 。是消耗在迫使液体进入空隙，引起向外作用的渗流力。这里吼是个无量纲的分 配系数，在基本上不透水的岩石中接近于l ，在强烈透水的岩土中接近于0 ，即矾在 l 0 之间。由于地层情况的多样性，事实上矾的值是很难预先掌握的。有资料指出， 对渗透性比较大的土层而言，正大致在同0 o 5 范围内：对孔隙度、比较低的裂隙而 言，仉大致在0 5 1 0 之间。 不难理解，随着灌浆作业的进行，地层越来越密实，作用到孔壁上引起孔壁扩张 的作用力o i p 。将随之增大。因此，在孔壁上开始产生水力劈裂的时机，将主要是发生 在灌浆过程的后期。这种劈裂的位置是对称钻孔轴线，产生最小应力的两个点处：裂 缝的方向与钻孔的方向一致。 此外，还有一种型式的劈裂，是发生在地层内部的弱面( 裂隙面、节理面、层面等) 上，其方向与该弱面的延展方向相一致。此种劈裂是由进到缝隙里去的液体渗流力所 引起，受渗流量、流体的平均压力和承受这一压力的裂缝面积所控制。在压水试验和 灌浆的初期，由于渗流量较大，若施加的压力亦较大，将易引起此种型式的劈裂。发 生在弱面、由渗流力引起的劈裂，将容易引起大范围的地面抬升，并诱发出一系列新 的应力裂缝。 在i w 法墨等人( 1 9 7 4 ) 的著作中提出了用两种方法来评价因灌浆而引起大规模 地基破坏的前景。这些方法分别假定：对土体而言存在着圆锥体破坏带：对岩石而言则 还有一系列的诱发裂缝呻3 。 对岩石的情况可根据能量平衡法进行分析。即：使浆液输入能量b e = e o 以( 其中 p 0 为平均灌注压力、西为在特定时间内所灌注的液体体积) 等于地层所贮存的能量a e s ( 岩石和液体中的弹性应变能) 和不可能恢复的能量玉( 主要是对岩土的水力劈裂中 以及克服液体摩擦牵引和抗剪阻力中所做的功) 之和。这一分析的含意是：一个可以 增长的微小能量随着浆源作用半径的逐渐增大和能量的不断输入，对引起水力劈裂有 决定意义。如果保持能量继续输入，最终能造成水力劈裂。摩根斯坦和沃恩得出的结 论是：用能量输入的办法比用其它任何办法更容易造成水力劈裂。 在灌浆中有两种情况被认为产生一些有控制的水力劈裂是有好处的“”。一是在 1 6 硕士学位论文第二章隧洞围岩高压同结灌浆研究 具有较多的微细裂隙而又比较坚固的岩层中，只要压力不是用得过大，所造成的劈裂 既不会蔓延得很远，也不致造成地面的抬升和好岩石的破坏，它却能挤密周围的岩体 ( 使小的裂隙闭合) ，提高可灌性并产生好的灌浆效果。但如果在具有较大裂隙的岩层 中采用大压力灌浆，就有可能会造成地面抬升和好岩石的破坏。这样的裂隙是不利的， 应当避免。二是在周围受到坚硬岩石圈包裹的、易受压缩变形的溶洞充填物、断层破 碎带及其它软弱夹层中有意使用较高一些的灌浆压力，使在其内部产生一些劈裂裂 隙，可以使这些软弱物质在灌浆中增实并最后被浆液结石脉穿插、包围起来，从而提 高其力学性能和抗渗破坏能力。 对于无侧限的地表沉积层、人工堆积层和大范围的岩石破碎带，是否要实行高压 劈裂灌浆，需根据具体情况而定“”1 。一般说来，在表层设有盖重的情况下采用高压 劈裂灌浆，大多数都会造成地面的严重抬动，而且无助于使地层增实。因此，一般是 无益的。但是，“土坝的劈裂灌浆”技术在我国被广泛采用，到目前为止至少己有几 百座土坝被制止了大量渗漏，使原来不能蓄水、濒临报废的水库恢复了功能。 2 2 3 扩缝效应对灌浆效果的影响 压力扩缝是指由于流体在缝隙内流动给两壁岩体以压缩应力，而引起的裂缝宽度 在原有基础上进一步扩宽的值，此种扩缝仅是由于岩体的弹性变形产生的。 根据p b 阿特维尔和i w 法默的研究( 1 9 7 4 ) ，在弱面上发生的、渗流半径为r 的 单位流体的渗流力可由下式求得： 一( 1 - a 1 1 。d p ：( 1 - a i ) p o ( 2 - 7 ) 7 d r ，i n ( r l a ) 式中p ，一半径为r 处的液体压力； a 钻孔半径； r 一浆液渗入半径。 索瓦奇等解此方程，以获得在弹性连续体中因灌浆而在钻孔周围引起的应力，即 咿啪( 爿2 _ 0 砧。 焉石俐 c z q ， 咿鸭异( 爿2 书叫赤俐 c 搠， 式中 f ( ，) = 志( 而( 1 训- 2 删0 ，) 、( 1 一多 ( 2 - l o ) 1 7 硕士学位论文第二章隧洞围岩高压固结灌浆研究 一泊松比； 下标r 和t 表示与渗流方向垂直。 假设沿渗流方向( 纵向) 的应变为0 ，则纵向应力吒可用下式求得： o x ：掣所 ( ： l 一1 发生在弱面、由渗流力引起的劈裂，将容易引起大范围的地面抬升，并诱发出一系列 新的应力裂隙。 在i w 法默等人( 1 9 7 4 ) 的著作中提出了用两种方法来评价因灌浆而引起大规模 地基破坏的前景。这些方法分别假定：对土而言存在着截端圆锥体破坏带；对岩石而 言则还有一系列扩大的诱发裂缝。 在图2 - 3 中对土层的破坏进行了分析。对岩石的情况可根据能量平衡法进行分析。 即：使浆液输入能量8 e = p 。正( 其中p 0 为平均灌注压力、瓯为在特定时间内所灌注 的液体体积) 等于地层所储存的能量b e , ( 岩石和液体中的弹性应变能) 和不可能恢 复的能量& ( 主要是对岩土的水力劈裂中以及克服液体摩擦牵引和抗剪阻力中所做的 功) 。这一分析的含义是：一个可以增长的微小能量随着浆源作用半径的逐渐增大和 能量的不断输入，对引起水力劈裂有决定意义。如果保持能量继续输入、最终能造成 水力劈裂。摩根斯坦和俄恩得出结论是：用能量输入的办法比用其它任何办法更容易 造成水力劈裂。 在灌浆中有以下两种情况，被认为产生一些有控制的水力劈裂是有好处的。 ( 1 ) 在具有较多微细裂隙而又比较坚固岩层中，只要压力不是用得过大，所造成 的劈裂既不会蔓延得很远，也不致造成地面的抬升和好岩石的破坏，它却能挤密周围 ，抬升 一一一。 一一 地面 c a 灯、乒充 w i f劈灌浆压 图2 - 3 以截圆锥体类比的地面抬升条件 的岩体( 使小的裂缝闭合) ，提高可灌性、产生好的灌浆效果。然而不言而喻，如果 在具有较大裂隙的岩层中采用较大压力灌浆，就有可能会造成地面抬升和好岩石的破 硕士学位论文 第二章隧洞围岩高压固结灌浆研究 坏。这样的劈裂是不利的，应当避免。 ( 2 ) 在周围受到坚硬岩石圈闭的、易受压变形的溶洞充填物、断层破坏带及其它 软弱夹层中有意使用较高一些的灌浆压力，使在其内部产生些劈裂裂隙，可以使这 类软弱物质在灌浆中增实并最后被浆液结石脉穿插、包围起来，从而提高其力学性能 与抗渗破坏能力。这一点已被许多灌浆实践结果所证明。 对于无侧限的地表沉积层、人工堆积层和大范围的岩石破碎带，是否要实行高压 劈裂灌浆，需根据具体情况而定。一般说来，在表面设有盖重的情况下采用高压劈裂 灌浆，大多数都会造成地面的严重抬动，而且无助于使地层增实。因此，一般是无益 的。 但是有一种情况，即我国在土坝坝体中进行的灌浆，却是专门利用促使坝体劈裂 进行的，称为土坝的劈裂灌浆。这是我国在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代首先在山东省 境内为制止一些漏水土坝，在群众性的灌浆实践中逐步发展起来的一项经济而又有效 的灌浆技术。利用这项技术，到目前为止已有数百座土坝被制止住了大量漏水，使原 来不能蓄水、濒临报废的水库恢复了功能。在湖南等省，这项技术还被用来制止输水 渠道向两岸土体中的渗漏。 1 9 硕士学位论文第三章i i i 号隧洞围岩吲结灌浆试验 第三章i | l 号隧洞围岩固结灌浆试验 3 1 隧洞工程地质概况 3 1 。1 岩性及分布 南盘江天生桥二级( 坝索) 水电站引水隧洞平均长约9 7 k m ，引水隧洞上游进水 口段至桓权沟约8 k m 洞段穿越灰岩、白云岩地区；由挪权沟至中山包调压井1 5 k m 洞 段，隧洞穿越砂、页岩地区，埋深为8 6 3 0 0 m ，节理裂隙及断层发育。i i i 号引水洞 在8 + 5 0 0 m 桩号以前为灰岩、白云岩，其后为砂页岩，因此围岩岩性区别较大。1 。 隧洞穿越的主要地层有：三迭系飞仙关组( t l f ) 泥质灰岩、砂页岩夹薄层灰岩， 厚2 0 9 0 m ；水宁镇组( t 。) 灰质白云岩、白云质灰岩，厚2 7 5 2 8 3 m ；三迭系中统 青岩组( t 。) 白云质灰岩、白云岩，厚4 0 0 m ，边阳组( k ) 厚层块状灰岩、角砾状灰 岩及局部见生物礁及玛瑞状结构，厚4 0 0 m 以上。隧洞通过极权沟以后为江洞沟组 ( t 。，) 中厚层、薄层砂页岩互层问夹少量灰岩，总厚度大于7 0 0 m ，此外，与t 2 j 之 间为相交接触，灰岩与砂页岩互相穿插，岩性变化复杂。由于隧洞位于相变带附近， 岩石沉积环境、物质来源十分复杂，因此岩性复杂，种类繁多。除此以外，还分布一 种紫红色、浅灰色中曙硬以角砾岩为主的复杂岩带。 3 1 2 构造 隧洞区主要褶曲为尼拉背斜，在隧洞两侧附近还发育一系列次一级的小楷曲构造， 在隧洞以南还发育有拉线沟复式向斜构造。隧洞区裂隙以n n w 、n w w 和n n e 向h 组最 为发育，s n 和e w 向裂隙次之，对工程地质条件影响较小。 穿过i i i 号引水洞的主要断层有氏。、f 。0 。、f 4 、艮、f o 等1 6 条断层，对围岩稳 定性有一定影响。 3 1 3 地应力 隧洞在灰岩地区埋深一般为3 0 0 7 0 0 m ，岩体初始应力第一主应力为1 3 9 9 3 1 1 6 m p a ，隧洞开挖过程中多处发生岩爆，伴有掉块及塌落，连续岩爆段长达1 2 0 m ， 爆坑深一般为0 2 o 5 m ，局部坑深1 0 i i l 以上。 2 0 硕士学位论文 第三章i i i 号隧洞围岩固结灌浆试验 从围岩分类看，i i 类围岩共长4 7 5 4 m ，均分布在灰岩地段，占隧洞总长的4 8 5 ， i v 类围岩总长7 4 1 4 m ，占隧洞总长的7 5 ，v 类围岩3 6 7 m ，占隧洞总长的3 7 。 由于3 巧0 0 6 伺o o 桩号靠近尼拉背斜，隧洞围岩呈水平状。在砂页岩地区褶曲发 育，因此隧洞围岩稳定性较差。 i 号引水洞溶洞最大跨度小于3 0 m ，溶洞深度2 0 3 0 ； i i 号引水洞溶洞最大跨度小于6 0 m ，溶洞深度小于6 5 m ； i i i 号引水洞溶洞最大跨度小于7 0 m ，溶洞最大深度9 3 m 。 3 1 4 岩溶洞穴发育特点f 南盘江右岸河弯地区，岩溶发育的格局受地形地貌的影响，在坝索峡谷进口至极 权沟为一向北东凸突的半岛状河弯，河弯地带为雷公滩，集中落差1 8 0 m ，组成隧洞区 半封闭状的岩溶水文地质地块。在南部凹形状近东西向分布的相变线，以南为t 2 砂 页岩，相交线分布高程比南盘江高出1 0 0 4 0 0 m ，尼拉背斜将t 。p 2 。等隔水层抬高， 成为深部的隔水边界。由于地下水位高于隧洞约4 0 0 m ，在隧洞3 + 6 0 0 4 + 9 0 0 桩号 形成较大的外水压力。在隧洞区发育与地表洼地相通的地下暗河岩溶管道有岩宜暗 河、纳贡暗河支流系统、纳贡暗河系统、朱家洞暗河系统，这些暗河都与地表洼地相 通，地下水位随降雨变化明显，地下水活动强烈，隧洞穿过各种规模的溶洞、断层破 碎带、溶蚀夹泥裂隙带，雨季有大量水涌入隧洞，最大涌水量达l m 3 s 。 岩溶洞穴发育有以下特点： ( 1 ) 平面分布以管道形态为主，横剖面分布以峡谷形态为主，多呈狭缝状。 ( 2 ) 多数洞穴为填充、半填充型溶洞。溶洞内不同程度充填粘土、碎石和块石， ( 3 ) 断层对岩溶有控制作用，沿断层发育暗河、溶洞群和大溶洞。 3 1 5 | l i 号隧洞揭露的主要溶洞 隧洞8 5 的洞段为灰岩及白云岩，岩溶发育程度、规模和特点受岩性、构造、水 动力条件等控制i i i 号引水洞遇到溶洞段6 段，累计总长度4 3 6 m ，占隧洞总长的4 5 ， 其中大型溶洞3 个，跨越洞线的最大长度达5 0 7 0 m ，溶洞最大深度9 3 m ；大型溶洞 群1 段，跨越洞线的最大长度达1 8 0 m 。此外，尚有部分隐伏溶洞。 从总体地质条件看，岩层分界和结构面位置与己建成的i 号和i i 号隧洞基本相同， 但i i i 号洞更靠近河岸，埋深减少，岩溶活动更强烈，溶洞规模更大，充填物的物理 力学指标更差。i 号引水洞溶洞最大跨度小于3 0 m ，溶洞深度2 0 3 0 m ；i i 号引水洞 溶洞最大跨度小于6 0 m ，溶洞深度小于6 5 m ；i i i 号引水洞溶洞最大跨度小于7 0 m ， 2 1 硕七学位论文第三章i i i 号隧洞围岩同结灌浆试验 溶洞深度大于7 0 m ，其中i i i 号引水隧洞靠近河床，发育的溶洞规模比已建成的i 号 和i i 号引水隧洞大，处理难度也较大。 3 2 高压固结灌浆试验 3 2 1 不良地质段的加固处理原则 既要保证工程安全可靠，又要方便施工； 衬砌设计宜利用围岩承载能力，以固结灌浆和锚杆等措施加固围岩，使之与衬 砌共同承担荷载； 隧洞通过土石充填的较大溶洞段，宜加厚衬砌，以底梁或管梁型式通过，并对 土石充填物作高压固结灌浆和锚杆加固处理。土石充填物的高压固结灌浆应通过现场 灌浆试验确定有关参数、工艺和技术要求。灌浆压力超过4 o m p a 的高压，应分层、 分序逐步增压，并应研究对称灌浆等措施，防止灌浆过程中对衬砌产生抬动、过大变 形等不利影响； 在岩溶地下水活动强烈地段，应注意充填物的细颗粒有可能被冲蚀带走，使衬 砌架空，发生不均匀沉降。做好高压灌浆以加固围岩，特别是加固岩溶充填物，使其 密实并防止岩溶地下水冲蚀破坏是十分重要的。通过试验如水泥灌浆效果不好，有必 要考虑局部用化学灌浆处理； 外水压力的取值。对围岩较好韵洞段，可按常规方法折减采用：对岩溶管道、 暗河、涌水地段，按大部分水头作用考虑，并以排、堵措施解决，即加厚衬砌、固结 灌浆加固围岩，共同承担外水压力，并疏通原排水通道或另设排水设施解决； 山岩压力。土体( 充填物) 虽经固结灌浆处理，尚需考虑一定范围内的塌落土体 压力； 做好沉陷缝的设计。 3 2 2 灌浆试验 根据上述处理原则，在引水隧洞中对不良洞段的加固处理采取了以高压固结灌浆 为主的加固处理措施，并根据各不良洞段的地质特点。在结构上采取了加厚衬砌、桩 基、拱桥、管梁等措施解决基础沉降问题，这里着重对高压固结灌浆处理进行论述。 通过对岩石基础高压固结灌浆试验、旌工操作及工艺进行试验与分析，提出灌浆 质量标准、灌浆参数，为工程建设提供依据。 本工程设计灌浆压力为4 - - 6m p a 。在此以前我国水工隧洞的固结灌浆压力通常都 硕士学位论文 第三章i i i 号隧洞围岩固结灌浆试验 不大于2m p a 。乌江渡、龙羊峡和隔河岩水电站的防渗帷幕高压灌浆，以及龙羊峡坝 基断层破碎带高压固结灌浆，都是深孔灌浆，一般自基岩面以下5 5 一1 0 。5m 方达 到最大设计压力4 - - 6m p a ，且它们采用的都是孔口封闭灌浆法。因此本工程施工时， 缺少前人经验借鉴。为了确保本工程稳妥可靠，进行了灌浆试验。 根据本工程施工初期的具体情况，确定在第1 不良地质段桩号0 + 8 3 争- o + 8 4 1 的底 部进行灌浆试验。该部位有f 。大型断层通过，沿断层破碎带发育成大溶洞，溶洞内 充填粘土夹块石、碎石，粘土质软可塑。试验区布置3 个灌浆孔，旌工分序、分段， 灌浆压力见表3 - 1 和图3 - 1 。3 个抬动观测装置安设在灌浆孔之间，在灌浆过程中严 密监测岩层和混凝土衬砌的变形。 表3 - 1 灌浆试验孔分段和压力 为防止抬动，施工中采取了“分层灌浆”的措施，即先灌完全部第1 序孔的第一 段，然后再钻灌第i i 序孔的第一段，第1 i i 序孔的第一段，即完成洞周的第一层灌 浆，再接着进行第2 层、第3 层的钻灌。 眺l ! | | i l | i 1 * 8展视罂bo + 8 3 8 截面 图3 - 1 灌浆试验布置图 具体施工程序为：镶铸孔口管钻孔神洗一压水试验一灌浆一转入本层下一孔 的钴灌。 试验施工中曾多次发生下列现象： 2 3 一 x ，鼍 麟； 蕈 纛，薯 t_，冀 硕士学位论文 第三章i i i 号隧洞围岩同结灌浆试验 串冒浆。由于衬砌混凝土裂缝较多，且衬砌混凝土浇筑质量较差，灌浆过程 中浆液自混凝土衬砌分缝处、裂缝处及蜂窝处冒漏出来，流串最远达6 0 m 漏浆点不仅 发生在隧洞的底部，侧壁、顶部均有； 部分孔灌浆时，从相邻钻孔中挤出软塑状粘泥： 在该试验段2 号孔第3 段灌浆时，压力达到2 8m p a ，水灰比0 5 ：l ， 注入率由3 0l m i n 持续1 5m i n 、增加到4 0l m i n 又持续i 0m i n 时，从t 。测点观测 到抬动值1 7 9 r a m ，t 。测点观测到2 8 5f i l m 。其它孔段灌浆未发生抬动。灌浆试验主要 成果如表3 - 2 。 表3 - 2 灌浆试验成果表 灌浆后压水检查透水率，满足设计要求。 从本次试验得到以下结论： 设计制定的灌浆工艺要求基本是可行的，灌浆后岩层透水性可达到设计指 标； 岩层的可灌性良好，压力较高的i l l 序孔注入率明显大于i 、i i 序孔，反 映出提高灌浆压力，特别是粘土的灌浆压力达到4 m p a 时，对增大注入率有明显作用。 严格控制灌浆压力和注入率，尽量控制注入量在2 0l m i n 以内，加强变 形观测，否则抬动混凝土衬砌的危险随时可能发生： 试验采取的分层、分段工序过于繁琐，可简化。 3 2 3 灌浆工艺 孔口封闭灌浆法就是把封闭器设置在孔口，自上而下分段钻进，逐段灌浆孔不待 凝的种分段灌浆方法。该法工艺简单，避免起下栓塞而造成堵塞不严，减少孔内阻 塞器损坏等事故发生：不需待凝，一段灌浆结束后，可立即进行冲洗、扫孔、钻灌下 段：全孔段自行复灌，自上面下压力逐渐递增时，能重新劈裂灌浆，使裂隙内水泥结 石强度更加提高。而纯压式灌浆，因无回浆管路，灌入孔内的浆液扩散到岩石裂隙不 再返回，在长时间灌注下孔内浆液浓度升高、沉淀加快、压力加高时水泥颗粒沉淀形 硕士学位论文 第三章i i i 号隧洞围岩固结灌浆试验 成结石的强度较高而堵塞孔隙致使灌浆较早结束。 具体施工过程中，因覆盖层厚度l 一1 0 m ，与基岩接触容易被劈裂，产生渗漏。压 水、灌浆施工前，采取了o 5 ：1 的浓水泥浆液接触灌浆，封堵接触缝隙，在灌浆孔 周围形成封闭层。 施钻时根据岩石变层、软硬情况，适时调整钻头的胎体硬度、钻进速度及压力控 制等钻进参数一般灌浆孔使用单管岩芯管为钻具，而检查孔施钻时，为了得到较高的 取芯率，试验中使用单管双动岩芯管作为钻具。钻孔完成后进行冲洗。 孔口段钻孔因上层岩石破碎、裂隙发育、灌浆稳定时间长，可能存在浆液扩散半 径过大，且容易发生水力劈裂，压力很难上去，且难以稳定，故在孔口段灌浆时尽量 控制水泥注量，且采用比原设计压力小的压力灌浆。在孔口灌浆结束后，用0 5 ：1 的浓浆将孔口管镶焊段内。 现场采取纯压式和孔口封闭联合方式进行灌浆，在压力作用下，孔内水泥浆更易 析水变浓、颗粒沉淀加剧，在孔底形成一定强度的水泥结石，封堵岩石裂隙。进浆管 往往被堵塞，设备无法正常运转，给施工造成一定难度。故对灌浆稳定时间、设备安 装等做适当调整。 终孔后，一般终孔灌浆后孔内形成的水泥结石高度超出孔口段高程，取出试验强 度高，密实性好，其等同于“假换压力灌浆”形成的封孔效果，也不必重新扫孔进行 灌浆封孔。 施工期间为了解和控制基础岩石抬动情况，在各个试验区布置两抬动观测孔，灌 浆时监测压力对岩层的抬动影响。另外序孔灌浆结束后，各序检查孔分别进行灌前灌 后岩体波速测试，其结果结合取芯岩石性质、风化程度，综合评价灌浆效果。 根据上述试验结果以及施工中的实践，本项工程的主要施工工艺为： ( 1 ) 灌浆方法。采用孔口管封闭或灌浆塞阻塞自上而下( 由深而浅) 分段纯压式灌 浆，同一环孔中允许分开对称的3 孔并联灌注。 ( 2 ) 灌浆次序、段长和压力参数如表3 3 ：每一环孔为同一个次序。一般孔段每段 表3 - 3 灌浆次序分段和压力 灌浆压力m p a 次序第1 灌浆段第2 灌浆段 ( o 5 _ 2 5 m )( 2 5 - 8 o m ) 灌浆前以1m p a 压力进行2 0m i n 裂隙冲洗和简易压水试验，大漏量溶洞和遇水易软 硕士学位论文第三章i i i 号隧洞围岩同结灌浆试验 化的填泥溶洞不作压水