復雜巖溶地區基巖灌漿技術措施探討

楊國平, 郭浩東

(1.宜興市水利局,江蘇 宜興 214200,2.葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091)

1 工程概述

江蘇宜興油車水庫左岸基礎防滲由上部覆蓋層的高壓旋噴灌漿和基巖的帷幕灌漿組成,軸線長 2.4 k m,帷幕灌漿平均深度 60 m,孔距 2 m,主要設置單排帷幕,局部位置設置 2排或 3排,灌漿工程量約9.6萬m。根據C T物探檢測,沿帷幕灌漿軸線分布有大小不一的溶洞群,溶洞之中或多或少有充填物存在。根據設計要求,對巖溶區的基巖灌漿壓力見表 1。

表 1 巖溶地區基巖防滲帷幕灌漿壓力表

根據鉆孔揭示的巖石情況,溶洞主要分布在上青龍組厚層灰巖和下青龍組的淺表層,即基巖灌漿的 1～4段內,巖溶地區左岸帷幕巖體透水率見表 2。目前發現的溶洞最大高度為 28.7 m,軸線聯通長度 140 m。巖溶形態以溶洞、溶隙為主,大多數溶洞有 1/3～2/3的泥土(漿)、碎(塊)石等充填物。

表 2 巖溶地區左岸帷幕巖體透水率表

2 技術方案的確定及施工重、難點問題分析與解決辦法

(1)技術方案的確定。

通過多種方案試驗(水泥砂漿、水泥粉煤灰膨潤土漿液、回填級配料、水泥膨潤土漿等)的比選,結合水利部孫釗專家及天津基礎局胡迪煜教授的咨詢意見,最終選用“水泥 +膨潤土”的膏狀漿液進行溶洞及大的裂隙灌注。左岸帷幕灌漿軸線物探檢測典型地質構造情況見圖 1。

(2)深厚覆蓋層下接觸段灌漿問題。

接觸段灌漿由于其處于基巖和覆蓋層接觸地段,在深厚覆蓋層下及基巖中溶溝溶槽發育的情況下,通常采取的措施是一次鉆孔到基巖 1 m以上,埋管待凝灌漿。但是這樣就不能保證接觸段的灌漿質量,存在漏灌的孔段,從而給安全蓄水帶來很大的質量隱患。因此,采取特殊措施確保基巖接觸段的灌漿質量是一個極大的成本投入(水庫左岸軸線長 2 400 m,覆蓋層平均深 20 m,2 m間距/孔,需要多用 φ 108鋼管 1 200×20=24 000 m和重復掃孔的工作量)。

在實際施工時,采用二次埋管。第一次埋管深度以鉆孔接觸到基巖為止,鉆孔孔徑 130 m m,下入 φ 108套管,采用孔口封閉的純壓式灌漿埋管,待凝 48 h后,掃孔鉆進至基巖 2 m,進行接觸段灌漿,灌漿壓力須達到 0.3 M P a才能結束(根據物探結果(圖 1),該段巖石比較破碎,需要反復多次復灌才能達到設計壓力)。接觸段灌漿正常結束后,埋入 φ 89套管至基巖 2 m(即接觸段全部埋完),之后正常灌注以下孔段。

(3)溶洞的填充物取樣問題。

根據常規溶洞施工方案和資料,對于所發現的溶洞,需要取出溶洞的充填物以確定處理方案,但是,溶洞里面一般都有泥漿存在,充填物的取出存在很大困難。

圖 1 左岸防滲帷幕物探G T探測成果示意圖

根據這種情況,咨詢了數位專家,根據專家意見,對于溶洞內的充填物不再鉆取,直接根據溶洞的透水情況和大小灌注膏狀漿液,利用膏狀漿液的灌漿壓力把溶洞內的充填物進行擠壓密實,以達到防滲目的。

(4)膏狀漿液施工設備的配置。

通常,溶洞灌注膏狀漿液需要采用專用的高壓螺桿泵,但是,高壓螺桿泵一則費用較高,二則移動不便,在合同單價偏低的情況下,如何合理配置灌漿設備是加快施工進度,縮短施工周期,增加效益的關鍵。具體的設備配置見表 3。

3 施工總體方案的優化比選

3.1 常用施工方法的使用條件及優缺點

宜興油車水庫左岸基礎防滲主要采用灌漿處理,其中常規的溶洞處理多采用大口徑鉆孔,灌注水泥砂漿、回填級配碎石、灌注細骨料、膏狀漿液灌注等。灌注水泥砂漿主要適用于基本封閉的小型溶洞;回填級配碎石和灌注細石混凝土主要適用于溶洞空腔比較大、填充物較少或沒有的情況;膏狀漿液主要適用于有動水情況下或鉆孔直徑較小、且有充填物的情況。膏狀漿液主要有以下幾種:

(1)水泥 +粉煤灰 +膨潤土。其稱重計量需要配置兩套稱重計量設備,其強度上升較慢,灌漿待凝時間長,鉆機功效不高,人員、設備窩工嚴重且操作程序復雜;

(2)水泥 +粉煤灰。其初期強度較高,但稱重計量亦需配置兩套稱重計量設備,成本較高;

(3)水泥 +膨潤土。只在集中制漿站配置0.5∶1的原漿,經過輸漿系統管道到達灌漿孔口的攪漿桶內,由人工將整袋的膨潤土倒入攪漿桶內進行攪拌后即可直接灌注,設備較簡單,但是需多配置一套高速攪漿設備。

3.2 施工方法的確定

經過上述比較且根據鉆孔資料和物探結果查出孔段有溶洞存在時,不需再專門費工費時把充填物取出來,也不再進行溶洞的沖洗,而是直接進行膏狀漿液的灌注,以水∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.1開灌,灌注量按照 1 000 L控制,第二級改用水 ∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.2,灌注量按照 2 000 L控制,第三級按照水∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.25,灌注量按照 2 000～3 000 L控制,第四級按照水∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.3,一次灌注總量按照溶洞高度及水泥凈漿 2 t/m控制,如溶洞洞高為5 m(洞高包含充填物部分),則一次灌注總量按照水泥 10 t控制。上述幾個比級同時也按照 30 m i n控制,兩個控制指標滿足一個即改換下一等級。一個循環灌注結束待凝 24 h后掃孔壓水檢查,如果透水率大于 50 L u,再采用上述膏漿繼續灌注,程序同上;若透水率較小,則根據實際情況采用膏漿開灌或者水泥漿 0.5∶1開灌,直至灌注壓力達到 3 M P a為止。

3.3 施工配比強度指標及現場照片

(1)膏狀漿液照片(圖 2)。

圖 2 膏狀漿液拌制圖

圖 3 膏漿灌漿工藝流程圖

第一張照片為現場實際拌制情況,第二張照片為試驗室拌制的水∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.3;第三張照片為現場實際拌制的水∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.2。

(2)膏狀漿液指標(表 3)。

表 3 帷幕灌漿膏狀漿液試驗指標表

4 溶洞治理采用的灌漿施工技術

4.1 膏狀漿液的制備及灌漿流程

根據溶洞灌漿施工確定的灌注方案,采用灌注“水泥 +膨潤土”的膏狀漿液,膏狀漿液工藝流程見圖 3。

從圖 3可以看出,膏狀漿液制備流程為:

(1)集中制漿站配置 0.5∶1水泥漿;

(2)通過輸漿管道,采用灌漿泵輸送 0.5∶1水泥漿到特制的慢速攪拌機;

(3)慢速攪拌機按照一定比例(0.1/0.2/0.25/0.3)摻加膨潤土,初步拌制膏狀漿液;

(4)初步形成的膏狀漿液通過慢速攪拌機自流入特制的高速攪拌機中經高速攪拌后甩入灌漿桶中;

(5)灌漿桶中拌制完成的膏狀漿液通過“灌漿泵 +高壓灌漿管道”進行溶洞灌漿。

4.2 設備配置

按灌注膏狀漿液性能需要配置的機械設備見表4。

表 4 灌注膏狀漿液設備配置表

表 4僅為一個灌注機組(4臺鉆機)使用的灌注膏狀漿液設備的配置。根據對前期的試驗情況和目前實際的灌漿功效進行分析,若要在 2011年9月 30日之前全部完成左岸帷幕灌漿,需投入鉆機 100臺套。

4.3 適用的灌漿距離

灌注膏狀漿液時,普通灌漿泵可以灌注的距離為 120 m,但在灌注“水∶水泥∶膨潤土 =0.5∶1∶0.25～0.3”時容易堵管,此時要求將灌注距離限制在 80～100 m以內,如果距離超出該范圍,則使用螺桿泵進行接力灌注,以保證灌漿連續、不中斷。

4.4 鉆 孔

根據灌注膏狀漿液的施工特性,且因所使用的射漿管直接下到孔底,孔口封閉自上而下灌漿,因此所需要的鉆孔孔徑為 75 m m,不需要再增大孔徑,現場普通的地質鉆機即可完成鉆孔。鉆孔采用地質鉆配備金剛石或硬質合金鉆頭造孔,嚴禁使用碾砂鉆頭造孔。

4.5 孔斜控制

鉆孔孔斜按表 5控制。

表 5 鉆孔孔底最大允許偏差表

4.6 鉆孔取芯

(1)取芯孔及取芯部位。

先導孔及檢查孔均自接觸面以上 20 c m處開始取芯并保留。

(2)取芯的保證措施。

開鉆前,采用地錨固定鉆機,鉆機下部采用枕木支平墊穩機身,輕壓慢轉。芯樣的最大長度應限制在 3 m以內。一旦發現芯樣卡鉆或被磨損,應立即取出。除監理人員另有指示,對于長度 1 m或大于 1 m的鉆進循環,若芯樣獲得率小于80%,則下一次應減少循環深度 50%,以后依次減少 50%,直至 50 c m為止。如果芯樣的回收率很低,應更換鉆孔機具或改進鉆進方法。

芯樣從巖芯管內取出時應卸掉鉆頭,緩慢自巖芯管內倒出,嚴禁在倒芯時用鐵器敲擊巖芯管;擺放時,按巖芯管自上而下的順序擺放,嚴禁將巖芯倒置。

(3)巖芯的編錄與保存。

巖芯箱內的巖芯牌統一采用塑料牌。每個巖芯箱內的巖芯牌必須齊全、樣式統一、填寫清晰。每節巖芯采用紅油漆準確標識其“鉆次→節數/總節數”;每箱巖芯應在巖芯箱一側標識“鉆孔號-第 X箱 -共 Y箱”。

4.7 灌漿方法

(1)灌漿孔第一段(接觸段)采用常規灌漿法進行阻塞灌漿,將阻塞器阻塞在套管內基巖面以上 1 m處。

(2)第二段及以下各段采用“小孔徑鉆孔、孔口封閉、自上而下分段、孔內循環法”灌注。

4.8 壓力控制

灌漿時應盡快達到設計壓力。但在灌漿過程中注入率較大時,可采用分級升壓或間歇升壓法灌注,其壓力按表 6控制。當注入率超過 10 L/m i n時,灌漿壓力不得超過該段的最大灌漿壓力。

表 6 帷幕分級升壓或間歇升壓時的壓力控制表

所有帶壓作業工序的壓力,均按回漿管上壓力表的中值控制。所使用的壓力表的指針擺動范圍 ＜20%的灌漿壓力。

4.9 灌漿效果檢查

灌后檢查孔合格標準為透水率 q≤5 L u。第一段合格率為 100%,第二段及以下各段合格率不低于 90%。不合格孔段透水率 q≤10 L u且不集中為合格。

表 7 純水泥漿和膏漿灌注設備、人員分析表

檢查孔在單元工程灌漿結束 14 d后采用自上而下分段壓水試驗。檢查孔全孔壓水完畢,采用“全孔灌漿式封孔”。

帷幕灌漿封孔質量檢查按監理指定的孔位進行抽樣檢查。

4.10 特殊情況的記錄

在鉆進過程中發現的漏水、掉塊、卡鉆、斷裂構造、巖性變化、溶洞等均需做詳細記錄,以便判定巖溶地區的地質構造情況,為巖溶灌漿處理提供依據。

5 普通水泥灌漿和膏狀漿液施工對比

按上述灌漿工藝流程并結合現場實際的灌注情況,可以得出以下設備、人員、功效等的分析,具體分析情況見表 7。

經過對上述膏狀漿液灌注功效進行分析,在喀斯特地質構造條件下,溶洞灌漿占據著 60%以上的工程量,如何進行資源配置和灌注封堵直接關系到工程施工的工期、施工質量和成本。

6 結 語

根據目前油車水庫左岸帷幕灌漿施工情況,筆者所述的上述施工程序和質量控制、一次灌注量可以達到快速封堵溶洞的目的,最大限度的保證了溶洞灌漿質量,達到了節約成本、控制投資、確保灌漿進度的效果;同時,上述灌漿方法也得到水利部基礎處理專家孫釗和國內膏狀漿液研制者——天津基礎局胡迪煜教授的肯定和認可,上述灌漿技術措施可以在類似的巖溶地區加以推廣應用。