水工隧洞灌浆试验：设计纲要

尽管水工隧洞灌浆的目的多种多样并可分为4 类，但在实际生产中，多将其合而为一，通过一次灌浆达到各种目的。本书从水工隧洞灌浆的工程地质水文地质观点出发，认为只要充分利用已有地质资料，进行全面分析，并同时开展如下的必要灌浆试验，前列水工隧洞灌浆的4项任务都是可以完成的。

（一）水工隧洞围岩浆液可灌性分类

目前国内外流行的无论是水利水电工程围岩分类方法、还是RMR地质力学分类法抑或Q系统围岩分类法，都不适合用于围岩可灌性分类，因为这些分类都是为选择围岩支护措施而进行的围岩稳定性分类。迄今为止，世界上还没一种从围岩可灌性角度进行的分类，本书拟提出如下的供围岩可灌性分析的分类：

（1）围岩可灌性类别划分，根据围岩是否遭受过内、外动力作用而进行分类：

1）Ⅰ类围岩。指经受过风化卸荷作用的岩体（Ⅰ）；

2）Ⅱ类岩体。指经受过断层作用的岩体（Ⅱ）；

3）Ⅲ类岩体。指未经受过较强内外动力作用的深埋远离大断层的岩体（Ⅲ）。

（2）根据内外动力的强弱，可将Ⅰ类围岩再分为强烈风化卸荷岩体（Ⅰ-1）型；一般风化卸荷岩体（Ⅰ-2）型。也可将Ⅱ类围岩再分为强烈断层影响岩体（Ⅱ-1）型；一般断层影响岩体（Ⅱ-2）型。

（3）根据岩性（根据岩体的单轴抗压强度）把各型围岩分为各个亚型。例如砂、页岩地区，对于Ⅲ类围岩，可根据岩性将其分为硅质细砂岩（Ⅲ-O-l）、钙、硅质细砂岩（Ⅲ-O-2）、钙质细砂岩（Ⅲ-O-3）、泥质粉砂岩（Ⅲ-O-4）和粉砂质泥岩（Ⅲ-O-5）等5个亚型围岩。

对各个亚型的围岩，用金属塞尺测量岩体的裂隙宽度。例如前述5个亚型围岩的层面裂隙宽度分别为0.053mm、0.036mm、0.021mm、0.02mm和小于0.02mm；其构造裂隙宽度变化于0.04～0.5mm。

（4）围岩可灌性分类。根据各个亚型岩体裂隙的宽度以及拟用灌浆水泥的标号（厂家提供水泥的颗粒级配）来划分岩体的可灌性。围岩的可灌性是相对的，某亚型岩体，对普通硅酸岩水泥来说不具可灌性，而对磨细水泥来说，就可能具有可灌性了。

一般地说，Ⅰ-1类围岩和Ⅱ-1类围岩，岩体可灌性好，可以渗透性各向同性对待，用普通硅酸岩水泥浆液灌浆就可以了；对于Ⅰ-2类围岩、Ⅱ-2类围岩和Ⅲ-O-1、Ⅲ-O-2等亚型围岩，透水性大多是各向异性。灌浆钻孔的产状最好用GJM软件进行优选，其裂隙宽度大多在0.05～0.08mm之间，可选择525号或比它较细水泥作为浆液进行灌浆。对于Ⅲ-O-4 和Ⅲ-O-5亚型的围岩，其透水裂隙间距大，宽度比工程磨细水泥颗粒还要窄细，可以认为它们不具水泥可灌性。

（二）软弱结构面分类试验

各个岩类在成岩过程中就形成有许多软弱结构面，在构造力作用下形成有不同产状的错动面，在后期的化学作用下也形成有不同类型的溶蚀面等。它们在遭受比其本身固有的临界浆力劈裂压力大的灌浆压力作用时，尽管都可以发生浆力劈裂，但在复灌的作用下，能否提高其抗浆力劈裂能力，却表出不同的特性来：

1.硬质软弱结构面

该类结构面以不含泥（构不成含泥面）为特点，如层理、层面、局部冲刷面、无泥溶蚀面、成岩裂隙面、侵入体与围岩接触面、喷发沉积间断面、缓倾角的片理、片麻理、板劈理、缓倾角的张节理、断层面、层间面等。

2.软质软弱结构面

该类结构面以含泥（构成含泥层面）为特点，如软弱夹层、古风化面、缓倾角云母岩脉、古风化壳、缓倾角风化夹层、泥化夹层、次生泥化夹层、硬软岩接触面和高含水量软弱粘土岩等。(https://www.xing528.com)

根据一次浆力劈裂的最大厚度为3cm（在层状地层中迄今为止的最厚记录），按软质软弱结构带的厚度，还可将其分为软弱带厚度小于2cm的薄层软弱带，它只可能发生一次浆力劈裂；软弱带厚度大于2cm 的厚层软弱带，它可以发生两次或两次以上的浆力劈裂。

根据大量观测和试验资料分析，上述各类软弱结构带，当灌浆压力超过它们的临界浆力劈裂压力时，它们的浆力劈裂特点是不一样的：硬质软弱结构带和薄层软弱结构带的劈裂特点是，当发生浆力劈裂的时候，虽然也出现灌浆压力下降，注浆量增大，但延时不会太长，压力又会抬高，最后灌浆工作又趋于正常，这样的劈裂除了浪费一些浆液之外，该灌浆段的其余灌段的影响不像其他软弱结构带影响那么大，虽然也需要第二次补灌，它的成功率是高的；厚层软弱结构带的劈裂特点是，当发生浆力劈裂的时候，灌浆压力下降，注浆量增大，如不采取相应措施，灌浆压力回升需要较长时间，如若停灌时间小于18h（在小浪底地区），复灌的浆力压力提高不了多少，如若停灌时间大于18h（其他地区浆液凝固时间需要试验确定），复灌的浆力劈裂压力将有明显的提高，但它们几乎都需要进行复灌；硬软岩接触带的软岩很厚时的浆力劈裂特点是，发生浆力劈裂的压力比前述的临界浆力劈裂压力都要高些，但通过复灌提高临界浆力劈裂压力的增量并不大。

根据上述软弱结构带（面）的浆力劈裂特点和设计对灌浆工作的要求以及现场的试验资料，我们有条件可以把灌浆工作做得更好些。

（三）预应力灌浆试验

在不透水的塑性岩体中，除了化学灌浆外，任何水泥灌浆都不会成功，当然也不适应预应力灌浆。如何做好预应力灌浆，王永年在其专著［15］中要求，要作好以下两项试验：

1.灌浆孔的布置形式

考虑到隧洞顶拱衬砌与围岩之间有空隙，对隧洞顶拱的钻孔必须特别注意，灌浆钻孔的最佳数量及其布置方式应根据具体情况而定，在确定灌浆方案时应考虑在较多工作面上进行施工试验。灌浆孔的方向一般与隧洞衬砌垂直，布置钻孔时，应尽量与衬砌呈锐角。灌浆钻孔在断面上布成像打开的倒伞形（面向洞里）。在选择灌浆孔方向时，必须注意裂隙与空隙的方向，以便钻灌浆钻孔时，尽可能地垂直穿过这些裂隙与孔隙，以便有大量的浆液能充填裂隙与空隙，它若与高压灌浆配合起来，不仅能使衬砌获得均匀的压应力，而且也能促进围岩的密实性。

灌浆孔的深度与隧洞的直径、岩体的类型及其力学特性有关，一般来说应是洞径的1.5～2倍。在有压隧洞内进行灌浆时，较佳孔径为46mm。

2.灌浆压力试验

在建立预应力时的灌浆压力应当比隧洞运行时内水压力高1～1.5 倍，采用较高的灌浆压力，可以消除混凝土和结石的收缩影响，以及混凝土和围岩的蠕变对应力松弛的影响。考虑到岩体的应力状态，灌浆压力应高于在洞壁上实测的平均围岩压力。原则上，灌浆压力应高于围岩的初始应力，而且这种压力必须保证隧洞在运行期间有足够的抗渗性能。

预应力灌浆对灌浆钻孔产状、灌浆压力都有特殊的要求，但在以前这些要求都很难达到，例如要求灌浆钻孔的方向尽可能与裂隙面垂直，如仅有一组裂隙尚可考虑，如若有2组、3组或4组的裂隙就很难考虑了。经过著者多年的研究，创造编制了GJM软件，并研究设计了可防止浆力劈裂的高压灌浆方法，才使王永年教授推荐的预应力灌浆方法有可能得以实现。

（四）灌浆钻孔产状的优选试验

编制灌浆钻孔最优产状的软件的时候，我们考虑了如下两个要求：

（1）隧洞顶拱岩体特别是层状岩体，极易出现沉陷拉缝，隧洞灌浆时应充填这些空隙；

（2）预应力灌浆要求灌浆钻孔的方向与衬砌呈锐角相交，而且钻孔方向尽可能与各组裂隙面呈正交。

在首先满足上述两个要求的前提下，我们编制了计算程序，可以计算满足前述两个条件的较优灌浆钻孔产状。