高外水压力动水作用下水工洞室固结灌浆施工方法研究

颉建军 周 荣

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130

摘 要：以多诺水电站重建放空洞地下闸室固结灌浆施工为背景，研究了高外水压力动水条件下地下洞室岩体固结灌浆施工方法，形成了“深排水孔将渗水泄压引排、外围采取高压顶水灌浆法灌注膏状浆液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”的成套施工方法，达到了预期的灌浆效果、满足了质量标准要求。其施工方法丰富和完善了水工隧洞固结灌浆施工技术，对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：固结灌浆；高外水压力；地下洞室；涌水

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

Study on consolidation grouting construction method of hydraulic cavern under high external water pressure and dynamic water action

XIE Jianjun ZHOU Rong

(China Power Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 611130, Sichuan China)

Abstract: Based on the consolidation grouting construction of underground sluice chamber in reconstruction of Duonuo Hydropower Station, the consolidation grouting construction nginmethod of underground cavern rock mass under high external water pressure and dynamic water condition is studied. A complete set of construction methods has been formed, which include " deep drainage hole will guide the seepage and pressure relief, periphery is filled with paste slurry by high pressure top water grouting method to form a circumferential water blocking curtain to isolate leakage and water gushing, sealing deep drainage holes with high-pressure grouting, sealing with waterproof cloth on rock surface, reinforced concrete lining is a cover body,piding irrigation areas according to the surrounding rock characteristics of grouting areas, intra-ring piding order and within-ring gradually encrypt in the within the same irrigation area, high-pressure cement grouting, non-circulation grouting in single slurry full hole one-time perfusion, water pressure test inspection of consolidation grouting, supplementary grouting". Thus achieving the expected results and meet the requirements of quality standards. Its construction method enriches and perfects the consolidation grouting construction technology of hydraulic tunnel, and has certain reference value for similar projects.

Key words: consolidation grouting; high external water pressure; underground caverns; water gushing

1 问题的提出

我国现行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T 5148-2012）^[1]中，对于水工隧洞固结灌浆的相关技术要求，仅适合于灌浆钻孔内呈干孔状态或孔内虽有地下水但水位在孔口高程以下的情况，而当遇到隧洞或地下洞室位于地下水位以下、岩体裂隙发育且渗水来源补给充足（如隧洞穿越河、湖底部或隧洞位于水库岸坡的山体内）、且渗透压力较大时，往往在灌浆钻孔完成后孔内有大量渗水持续涌出，在这种无盖重体动水作用条件下进行固结灌浆施工，其灌浆效果很不理想。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，但如果将这种方法照搬到高外水压力动水作用条件下洞室固结灌浆施工中，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，采用该方法灌浆则串浆、漏浆严重，灌浆压力难于提升。

有鉴于此，研究在高外水压力动水作用条件下水工地下洞室固结灌浆新的施工方法，以达到技术合理可行、质量可控的目标，就显得非常必要。

位于四川省阿坝州九寨沟县境内的多诺水电站，在九寨沟“8.8”地震灾后重建过程中，重建放空洞的地下闸室就布置于近坝库岸右岸山体内，闸室施工期间水库处于正常蓄水运行状态，且时段正好在主汛期，由于水库调蓄作用，库水位与地下闸室之间的水头差通常高达70m～100m左右，又因为库岸岩体以中强透水为主、岩体裂隙发育，地下闸室在固结灌浆施工时就遇到了高外水压力条件下灌浆孔和围岩裂隙普遍存在大量涌水的问题，使固结灌浆难以按常规技术要求进行。本研究就是以此为依托进行的，其地下闸室围岩固结灌浆布置图参见图1。

2 技术路线

解决渗漏涌水问题，避免动水作用对固结灌浆的影响是本项研究的关键所在。技术路线为：采取对渗漏涌水深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地下闸室衬砌混凝土浇筑和后续固结灌浆施工的条件。

3 施工程序

施工程序为：（1）打深排水孔，将渗漏涌水集中进行引排，以达到涌水泄压和实现涌水集中有序排放、防止漫流的目的。（2）打堵水孔，在围岩固结灌浆范围线以外，灌注堵水浆材，沿地下闸室外围岩体内形成一圈相对封闭的环状阻水幕体，阻止渗漏涌水进入闸室衬砌混凝土浇筑和固结灌浆施工区域。（3）采用高压顶水灌浆法灌注膏状浆液，封堵渗漏涌水引排孔。（4）在岩面布设透水式排水软管并铺设土工防水布，进一步封闭岩面以防止透过阻水帷幕的渗漏水。（5）浇筑地下闸室衬砌混凝土，形成固结灌浆盖重体。（6）按照常规固结灌浆技术要求，进行闸室固结灌浆施工。

图1 多诺水电站放空洞地下闸室固结灌浆孔布置示意图（单位：高程m，其余cm）

4 施工方法及主要技术措施

4.1 渗漏涌水集中引排

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，故采取系统与随机相结合的方式布置深排水孔，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。排水孔孔径选用Φ110mm，孔深要求穿过拟施工的环形阻水帷幕外边线2m～3m。本地下闸室设计固结灌浆孔深6m，因闸室内岩体渗水量较大，所以阻水帷幕幕体选用较厚的宽度，取值3m。故设计的深排水孔钻孔深度为11m～12m。实际施工中，深排水孔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，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）垂直闸室四周岩壁面，每隔3m～4m左右并避开堵水孔位置，在两排堵水孔之间布置一圈或一排深排水孔。直墙段排水孔间距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，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排水孔，以满足渗漏涌水堵水施工的基本条件为原则。本工程采取的深排水孔布置方式参见图2。

深排水孔钻孔完成后，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。

4.2 岩体内外围环形阻水帷幕施工

4.2.1 堵水孔布置

为减少钻孔工程量，除顶拱部位需要加密布置放射状堵水钻孔外，本工程的其余堵水孔全部结合设计图中的固结灌浆钻孔进行布置，全部利用设计的固结灌浆孔进行加深钻孔后形成堵水孔。堵水孔孔径与设计的固结灌浆孔孔径相同，采用Φ50mm。堵水孔孔深为9m（固结灌浆孔深度+阻水帷幕宽度）。堵水孔环向间距选取1.5m～2m，结合固结灌浆孔环向位置的设计进行布置。环内堵水孔孔位布置完全与设计的固结灌浆孔位置一致（设计固结灌浆孔环内间距2m），考虑到顶拱部位孔向为放射状布置，为保证阻水帷幕灌浆时浆液扩散范围，在顶拱每两个设计固结灌浆孔之间再加密布置1个“加密阻水灌浆孔”。本工程堵水孔孔位布置参见图2。

4.2.2 阻水帷幕施工

（1）堵水孔钻孔 采用100B潜孔钻机进行钻孔。钻孔完成后，对钻孔使用压力水进行裂隙冲洗，冲洗压力≤1MPa。

（2）堵水孔灌浆 采用在水泥基浆液中掺加特种外加剂，制备成膏状浆液，对堵水孔6m～9m段进行纯压式高压顶水灌浆，形成阻水帷幕体。通过分析计算，选用堵水灌浆压力P_堵=3MPa。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。采用单一浆液纯压式一次性灌浆工艺进行灌注，浆液水灰比0.5:1。对于拟进行固结灌浆的孔段（0m～6m段）在本次堵水灌浆时不进行灌注。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

图2 渗漏涌水排水及阻水帷幕施工示意图（单位：高程m，其余cm）

浆结束标准为：在达到堵水的设计灌浆压力下，膏状浆液注入率不大于1L/min后，继续灌注10min即可结束。或达到堵水的设计灌浆压力后膏状浆液无明显注入即可结束。

（3）加密阻水灌浆孔封堵 因堵水需要布置于顶拱部位或边墙上的加密阻水灌浆孔不属于设计图中的固结灌浆孔，阻水帷幕灌浆完成后，还需要对其0m～6m段进行封堵处理。采用水灰比0.5:1的纯水泥浆液进行“孔口封闭、纯压式全孔灌浆法”进行封孔。灌浆压力选取0.5MPa，浆液注入量达到6m段钻孔内充填满后即可结束，然后关闭孔口阀待凝。

（4）阻水帷幕缺陷检查与补强 阻水帷幕施工完成后不进行压水试验检查，其阻水效果通过渗漏涌水引排孔封堵或闭水试验进行检验。如果在渗漏涌水引排孔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_堵=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。

4.3 渗漏涌水引排孔封堵

（1）封堵次序 堵水孔阻水帷幕灌浆完成后，需要对渗漏涌水引排孔进行封堵。封堵按照逐级分序的原则进行。即：先封堵随机排水孔，后封堵系统排水孔；先封堵顶拱位置的排水孔，再按从高～低的顺序封堵边墙位置的排水孔。

（2）封堵方法 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，封堵灌浆压力与堵水灌浆压力相同，即P_堵=3MPa。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 预留闸室内每环（或每排）系统深排水孔边墙和两头端墙最下部的一个排水孔暂时不进行封堵，进行闭水试验。闭水试验的目的在于检验阻水帷幕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：在预留引排孔孔口管上安装压力表，封闭全部预留引排孔闸阀。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。作为闭水试验的引排孔最后进行封堵，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。封堵灌浆压力P_堵=3MPa。灌注浆液采用水灰比0.5:1水泥浆。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。

4.4 岩面封闭

结合闸室永久排水孔（本工程设计排水孔孔径Φ50mm，深入岩石1.5m，间、排距2m）布置，在岩石表面按照环形向每隔2m（排水孔的位置上）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。

4.5 衬砌混凝土浇筑施工

本工程地下闸室采用厚度1.4m的钢筋混凝土衬砌，闸室固结灌浆将混凝土衬砌结构作为灌浆盖重体。地下闸室周长43m、闸室高度9.7m，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。整个闸室衬砌混凝土分两仓浇筑完成，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。衬砌混凝土中预埋Φ50mm钢管作为灌浆孔导向管。衬砌混凝土为C25W8F50，浇筑采用高流态自密实混凝土，混凝土输送泵泵送入仓。

4.6 灌浆区划分及灌浆次序确定

根据固结灌浆的设计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。

4.7 固结灌浆钻孔及灌注

4.7.1 钻孔

对于堵水时利用的固结灌浆孔，在原孔位进行扫孔即可，扫孔深度为设计的固结灌浆孔深6m。其余的固结灌浆孔需重新进行钻孔，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。钻孔在灌浆前需要采用压力水进行裂隙冲洗。灌浆前在各序孔中选取5%的灌浆孔进行简易压水试验，本工程简易压水试验压力采用1MPa，其简易压水试验具体要求遵照施工规范执行。

4.7.2 灌浆

采用“孔口封闭、纯压式单一浆液全孔灌浆法”灌注。灌浆用水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，浆液水灰比0.5:1。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）。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调整，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 。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，即可结束灌浆。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，采用相应的处理措施进行处置。灌浆结束后，采用“全孔灌浆封孔法”封孔，封孔灌浆压力选取1MPa。

4.8 固结灌浆质量检查

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。压水试验压力选用1MPa。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。压水试验结束后，采用“全孔灌浆封孔法”对检查孔封孔，封孔灌浆压力选取1MPa，浆液采用水灰比0.5:1的纯水泥浆。

4.9 缺陷部位补灌

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，则采取措施探明固结灌浆不合格的范围，然后对缺陷部位补打钻孔、采取补灌措施。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。

5 工程应用实例及效果

本研究成果应用于多诺水电站重建放空洞地下闸室的渗漏涌水封堵及固结灌浆施工。堵水施工开始前，经过现场实际观察和测量，闸室渗漏涌水量随库水位升降略有变化，但当水库水位在正常蓄水位以下5m范围内波动时总体变化幅度不十分明显，无陡升陡降现象，渗漏汇流量基本维持在350L/s左右。施工作业于2020年8月初开始进行闸室内渗漏涌水的引排、封堵， 2020年8月31日堵水作业全部完成，历时近1个月。地下闸室涌水封堵效果良好，封堵前、后的工程对比照片参见图3。

2020年9月1日开始进行地下闸室衬砌混凝土施工，9月26日衬砌施工全部完成。由于堵漏效果良好，避免了渗漏涌水对混凝土浇筑的影响，保证了混凝土衬砌施工质量。2020年10月13日开始先进行地下闸室顶拱部位的回填灌浆，然后紧接着进行地下闸室固结灌浆施工，按照本研究成果的固结灌浆施工工艺和方法，于10月24日固结灌浆全部结束。2020年11月5日经过对地下闸室固结灌浆部位进行压水试验检查，检查成果全部满足设计要求，无质量缺陷。施工结束后的地下闸室实物照片见图4，压水试验检查成果见表1。

通过工程实际应用表明，本研究针对高外水压力动水作用条件下提出的地下洞室固结灌浆施工方法技术思路明确、施工措施合理可行、实施效果良好，可进一步在类似工程施工中推广应用。

堵水前闸室内渗漏涌水情况 渗漏涌水封堵后闸室内情况

图3 地下闸室内渗漏涌水封堵前、后实物对比照片

表1 放空洞地下闸室围岩固结灌浆压水试验检查成果表

注：设计规定的透水率合格标准为q≤3Lu～5Lu。

图4 地下闸室施工结束后的实物照片

6 结语

（1）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仅在喷混凝土支护完成后就进行无盖重固结灌浆施工，由于钻孔内和岩体裂隙涌水影响导致浆液扩散效果较差、浆液流失严重、灌浆压力也难以提升，是无法保证围岩固结灌浆施工质量的。在这种情况下，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。本研究的涌水解决方案为：采取深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作用影响且在有混凝土盖重体条件下进行固结灌浆施工。

（2）本研究针对高外水压力动水作用条件下水工地下洞室固结灌浆施工，提出的“深排水孔将渗水泄压引排、外围采取高压顶水灌浆法灌注膏状浆液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”的成套施工方法，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。

参考文献：

[1]《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T 5148-2012）；北京：中国电力出版社；2012.3。

收稿日期：2020-11-

作者简介：颉建军（1963— ），甘肃陇西人，本科，正高级工程师，注册一级建造师，从事水利水电工程施工技术及总承包项目管理工作，Email：353735008@qq.com。 周荣（1986- ），湖北荆州人，本科，工程师，从事总承包项目管理工作。