用新理论设计环形灌浆方案

上述介绍的现行隧洞环形灌浆设计成果，可以说是当今中国、美国和德国最先进的设计。由于这些国家的隧洞环形灌浆设计时，设有工程地质人员参加，或参加时并没有充分研究隧洞的工程水文地质条件，因而使隧洞加固设计没有与隧洞的工程地质条件相适应，当然就引起了一系列值得讨论的问题。

本节内，著者欲从详细分析灌浆资料，充分分析影响灌浆的因素以及寻找最大注灰量钻孔方向等方面来研究，以期改进环形灌浆设计。

（一）应对加固洞体进行工程水文地质分段

现行灌浆段的划分，主要是根据隧洞的不同组成部分进行划分：进行塔、进口渐变段、中闸室上游洞段、中闸室、断层带、出口渐变段、挑流鼻坎段等。按这些隧洞组成单元，分别检查了固结灌浆单位注灰量（表13-8）和岩体灌浆前后透水率变化（表13-9）等项目。

1.固结灌浆各序孔平均单位注灰量成果所反映出来的问题

从表13-8所列资料可以隐隐约约地看出，各序孔注灰量的多少，主要决定于被灌浆岩体的岩性，以软岩为主的围岩（进口段、渐变段和挑流鼻坎段）的Ⅰ序孔平均单位注灰量都在15.63L/m以下，基本上是属于不吃浆的。以坚硬岩体为主夹有部分软岩的中间室等洞段的围岩，Ⅰ序孔的平均单位注灰量变化于21.30～45.60L/m之间，其可灌性（主要指坚硬岩体）是较好的。以软硬岩互层组成的断层段要比坚硬岩体组成的断层段，Ⅰ序孔的平均单位注灰量少得多，但它们的Ⅰ序孔平均单位注灰量普遍比无断层的相应岩体的Ⅰ序孔平均单位注灰量大得多。

分析表13-8所列资料后可知，在进水塔段内，Ⅰ序孔灌浆仅使Ⅱ序孔灌浆段的平均单位注灰量（与Ⅰ序孔相比）少了19.19%～31.9%，合适的孔间距应使其减少50%以上，这说明间距4.8m的Ⅰ序孔，其间距是偏大了一些。2、3号导流洞的挑流鼻坎段，Ⅰ序孔的间距也偏大了一些。其他绝大部分洞段的Ⅰ序孔灌浆都使Ⅱ序孔的平均单位注灰量与Ⅰ序孔相比，平均减少了77.28%，应该说这个效果是令人满意的。但若从充分发挥每个灌浆孔的作用来说，减少50%是理想的情况。若以此标准分析，Ⅰ序孔的理想间距可扩大到7.42m（孔距与减少量成反比）。

如果灌浆隧洞是按工程水文地质条件，特别是按岩性、构造及其它们的埋藏条件来划分，也就说按吸浆能力来划分，我们得出的结论远不是前述的含混结论：它有可能告诉我们，有些洞段的岩体根本没有可灌性，不管怎么“折腾”也仍是不吃浆的；而有些洞段岩体，有较好的可灌性，只要采用合适的工艺，是容易达到灌浆目的的。

2.固结灌浆前的压水试验成果所反映出来的问题

尽管表13-9所列灌前压水试验成果，没有按岩性分层进行压水试验，若遇单孔为一种岩性的压水试验成果的情况，我们还是可以清楚地看出，透水性几乎完全决定于岩性。也就是说、等软岩，几乎都在3Lu以下，不进行固结灌浆之前就可以满足要求，而又何必一定要灌浆呢？事实上灌后的Lu值减少也是极其有限的。

（二）应充分研究影响围岩可灌性的因素

一个好的隧洞环形灌浆设计者和隧洞工程地质工作者，理应在灌浆之前，对被灌洞段的影响围岩可灌性的因素就应该心中有“数”，只有这样，当一旦出现异常情况时，才不致会视什么情况都是异常的。当然，这种理论水平和经验主要来自于对影响围岩可灌性诸因素的长期研究，只有这样，才能不断提高隧洞环形灌浆设计的理论水平，才能不断丰富隧洞环形灌浆施工的实践经验。具体到该工程来说，影响3条导流洞围岩可灌性因素主要有以下4 方面。

1.开挖对岩体的扰动程度

除了由于开挖方法不当或支护不力而造成松弛、坍塌以外，即使严格地采取合适的开挖方法和适时的支护，也难免在隧洞围岩内形成松弛圈。在缓倾角层状地层内发育有陡倾角结构面的洞段，结构面的法向线与隧洞径向线夹角愈小，向中心的卸荷量愈大，形成宽大卸荷裂隙的可能性也愈大，特别是断层结构面除了形成断层时形成的张裂隙外，向洞中心的卸荷裂隙更加宽大，这里常常是形成大量吃浆的地方（图13-4）。具体来说，在隧洞的顶拱处常沿层面下沉裂开；在隧洞两侧，陡倾结构面向洞心卸荷拉开；在底拱部分也会形成上抬拉开裂隙。所有这些卸荷结构面都会造成大量的吃浆，增大施工投资。

表13-8　导流洞各洞段固结灌浆各序孔平均单位注灰量表

表13-9　导流洞各洞段用压水试验方法检查固结灌浆质量的成果表（灌前、灌后的吕荣值变化量）

图13-4　1 号导流洞（桩号0+158.34）固结灌浆地质剖面图

夹有薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩的巨厚层硅质、钙硅质细砂岩；—地层层面或岩性界线；—断层；E5—Ⅰ序灌浆孔编号，孔旁数字为平均单位注灰量；SXG—钙硅质砂岩；Fn—泥质粉砂岩与粉砂质页岩

2.地层岩性的强度

在相同应力场中，不同强度的岩性，对构造力反应敏感程度有很大的差异：坚硬岩体中结构面宽度、密度都大，长度也长；而较软弱岩体中，结构面窄疏，长度也短。这些结构面的性状差别，在环状Ⅰ序孔灌浆的注灰量方面表现得非常明显；在夹有薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩的巨厚层硅质、钙硅质细砂岩中，平均单位注灰量为150.69kg/m；在厚层、巨厚层状泥质粉砂岩中平均单位注灰量仅为2.37kg/m；而在坚硬砂岩与较软岩互层的与岩组中，平均单位注灰量的大小介于两者之间（除断层带外），约为41.14kg/m。

3.岩体结构面的性状

岩体结构面包括断层、构造裂隙和层面裂隙3部分。

（1）断层。发育在坚硬岩体与发育在较软弱岩体的张性与压性断层，松弛带与无松弛影响的断层，平均单位注灰量都有极大的差别。例如3 号导流洞桩号0+951.2断面上的环状灌浆中，紧靠洞右侧的F9 断层的平均单位注灰量竟高达438.6kg/m。

（2）构造裂隙。它们的发育程度同样与岩性有关，特别是在隧洞两侧，陡倾角的构造裂隙的法线与隧洞径向线几乎平行，受隧洞开挖卸荷扰动严重，同时灌浆孔与构造裂隙交角也大，因此，在没有其他因素影响的情况下，环状钻孔中近于水平孔的斜孔效益系数较大，单位注灰量也是大的。

（3）层面裂隙。它们的宽度也与岩性有关，在非卸荷松弛的条件下，单位注灰量都不大，但在大直径隧洞开挖中，含缓倾角层面的地层像板梁一样，在顶部发生沉降弯曲，引起层面张开，在导流洞环状钻孔中，向上的3个灌浆钻孔平均单位注灰量都很大，这是本区环状灌浆的一大特点。

4.灌浆序次

隧洞内环状灌浆钻孔大都伸入到隧洞松弛带以里不深的地方，因而钻孔所遇到的结构面大都遭受过一定程度的卸荷，有较好的贯通性，加之环状灌浆孔比较密且有先后灌浆的规定。先灌孔浆液运移较远，甚至超过后灌孔的位置（图13-5）。如先灌A6 孔，单位注灰量为2193.01kg/m；后灌的A5 孔几乎不吃浆；第3 次灌的A4 孔，单位注灰量为145.86kg/m；第4次灌的A3 孔又几乎不吃浆。

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图13-5　3 号导流洞（桩号0+951.2）固结灌浆地质剖面图

—钙质、钙泥质粉砂岩夹于厚层砂岩中；—少量钙质、钙泥质粉砂岩夹于厚层硅质硅钙质砂岩层中；—地层层面或岩性界线；——断层；A6—Ⅰ序灌浆孔编号，孔旁数字为平均单位注灰量；SXG—硅钙质砂岩；Fn—泥质粉砂岩与粉砂质页岩

（三）应寻找围岩可灌性较优的方向灌浆

现行隧洞环形灌浆的钻孔方向几乎都与围岩开挖面呈直交的方向，我们稍加留意就可以发现，很多灌浆孔都是钻在岩块内，根本遇不到裂隙，这又何以言谈加固岩体裂隙呢？

我们在（二）部分中谈到4个影响围岩可灌性的因素，其中的第1 因素、第4 因素，是规律性因素，我们在灌浆时，只要了解这种因素就可以了，而不可能按“意图”从根本上对其进行改造；其中第2因素、第3因素，是属性因素，我们在灌浆时，要利用这种因素，从根本上对其进行改造。也就是说，利用灌浆要加固在坚硬岩体中的构造裂隙、断层和不同的卸荷带等工程地质缺陷。下面我们专门来谈谈如何寻找可以加固更多工程地质缺陷的最优钻孔产状。

1.隧洞加固区的划分

在隧洞围岩中，要划分出不同的相对均质区。新的灌浆孔设计理论与常规的灌浆孔设计方法不同之处在于后者的灌浆孔的方向是固定的，即与岩壁呈垂直方向；前者的灌浆方向是优选的，即在伞轴向外的伞形体钻孔群中，选择一个穿更多地质缺陷的灌浆孔。

一般来说，隧洞围岩灌浆孔，有4个、8个、11个等不同的数量，本书采用8个灌浆孔的加固形式。

根据在岩体内的相同方向上的钻孔穿软弱结构面的能力是相同的，即其效益系数是相同的原理，把洞径水平线以上划分成Ⅰ2Ⅲ2Ⅳ2 区；把洞径水平线以下划分成Ⅰ1Ⅲ1 和Ⅳ1区；位于水平两端的围岩划分成Ⅱ1 与Ⅱ2 区（图13-6）。

表13-10　某隧洞围岩软弱结构面产状统计表

表13-11　某隧洞围岩各区灌浆比较孔效益系数计算成果表

图13-6　地下洞室岩壁比较孔群布置示意图

→—伞形比较孔群；Ⅰ1—伞形比较孔群编号；γ—伞形比较孔群中标准孔的倾角或仰角；Z0—标准孔

2.应对加固洞体每个区的灌浆钻孔产状进行优选计算

传统的环形灌浆钻孔是不选择的，所有灌浆钻孔都是一个模式的固定方向，即于开挖面成垂直方向。事实上，环形灌浆钻孔方向存在着一个最优方向和一些较优方向。我们通过以下计算，可以把这个最优方向和一些较优方找出来。

（1）收集加固洞段软弱结构面资料。

在工程勘察后期，或者最晚在施工开挖阶段，对隧洞或探洞都要进行编录，我们将其整理成如表13-10 所示，以供计算使用。

（2）灌浆孔产状的优选计算。

如图13-6所示的8个（Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2）常规灌浆孔的地方，以常规孔为伞轴，在其周围布置24 个比较孔，围成一个伞顶朝向外的伞形孔群。只要隧洞方向和灌浆段桩号定了，常规孔的坐标也就确定了，而后，其周围的比较孔的孔口产状也就随之而确定了。将每个比较孔的产状输入著者创制的软件中，即可以计算出每个比较孔的效益系数，最后在24个效益系数中优选出可以采用的灌浆孔产状（表13-11、表13-12）。

表13-12　隧洞围岩各区的最优灌浆孔产状对比表

从表13-12所列资料中，我们非常高兴地发现它存在着非常明显的规律：

（1）在相同方向上，灌浆孔的效益系数是相同的；

（2）在以陡倾角为主的围岩内，在相同倾向上，倾角缓的灌浆孔效益系数大于倾角陡的灌浆孔效益系数；

（3）除Ⅰ1 区内的最优钻孔为Z122号外，其他都是Z62 号孔；

（4）除Ⅱ1 区与Ⅱ2 区外，其余各区都是相同的最优方向；

（5）只要计算出Ⅰ1、Ⅱ1 和Ⅳ1 区内最优灌浆孔方向，其余与其映像钻孔的最优方向都是相同的；

（6）效益系数最大的是Ⅰ区的灌浆孔，其余各区的优选孔都比常规灌浆孔的效益系数提高43%～48%。