純壓式深孔巖溶帷幕灌漿技術

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

在國內水電帷幕灌漿中，多采用小段長孔口封閉循環灌漿法，而在礦山帷幕灌漿中，若防滲標準相較水利帷幕灌漿低時，為了節約漿材、減少上部試段受灌次數，可采用純壓式灌漿。武宣防護盤龍鉛鋅礦東帷幕工程根據巖溶發育類型、成本及工期管理需要，采取純壓灌漿方法，同時比較礦山和水利行業的帷幕灌漿要求，取長補短，在規范互適、鉆孔偏斜控制、巖溶處理等問題上總結出了可靠經驗，應用效果良好。

1 工程概況

武宣防護盤龍鉛鋅礦東帷幕工程布置在大嶺礦段東側2號勘探線上，旨在防止大藤峽庫區蓄水后，黔江回水位上漲，威脅附近礦區生產安全。帷幕在平面上主要阻隔東部黔江地下水補給，南以泥盆統郁江組(D1y)為隔水層，北以下泥盆統二塘組(D1e)為相對隔水層，軸線全長1308m，基巖面作為幕頂，-125m標高作為幕底，平均孔深190m，最深孔超過240m，采取雙排雙序布置，排距3m，孔距6m。勘察結果表明，區域碳酸巖廣泛發育，溶蝕作用明顯，遇巖溶概率高。東帷幕巖溶發育分帶情況見表1。

表1 東帷幕巖溶發育分帶

2 工程特點

盤龍東帷幕灌漿工程兼具水利、礦山帷幕灌漿特點，水利、礦山兩種規范互適，對灌漿技術、思路拓展、行業互通等具有重要意義。

2.1 孔深距大

傳統水利灌漿，孔距2～4m居多，除溪洛渡、觀音巖、兩河口等大型水電站外，孔深多為20～100m。而礦山灌漿，孔距多為8～20m，孔深多為300～600m，中關鐵礦帷幕灌漿最深孔達810m[1]，本工程對孔斜要求嚴格，成孔偏斜率小于終孔孔深的1%。因此，對灌漿技術要求很高，在溶蝕強度高的區域，超深孔難以采取自上而下孔口封閉灌漿。

2.2 防滲標準

大多礦山灌漿采取的防滲標準較低，帷幕能起到一定阻水作用即可。本工程較為嚴格，采取5Lu質量檢查標準，同時兼顧中金嶺南礦區實際滲排水流量效果，具有較大施工難度。

2.3 充填溶蝕

先導孔取芯及鉆孔情況記錄表明，沿帷幕軸線，溶蝕作用明顯，巖芯平均采取率50%，多呈短柱狀、團礫狀、砂狀。巖芯表明鐵錳質沉積明顯，節理裂隙面受溶蝕劇烈，沿表面分布串珠式溶孔或刀砍狀溶槽，部分呈泥質化，溶蝕強度具有明顯分帶性。部分孔段存在較大充填空腔和失水、掉鉆現象，發現有泥沙狀結構物質充填。

3 純壓式灌漿工藝

在帷幕灌漿中，以有無漿液循環為依據，將灌漿方式分為純壓式和循環式兩類，其中循環式灌注效果最好，適用于較為嚴苛的1～5Lu防滲標準，考慮到巖溶裂隙發育較為密集和節約漿材兩個因素，東帷幕工程選取了純壓式灌漿法，即漿液依靠泵壓和漿柱自身重力滲透至孔隙，而不再返回。

3.1 設備配置

3.1.1 鉆灌機械

依施工圖紙，帷幕灌漿孔開孔孔徑不小于110mm，終孔孔徑不小于75mm，單孔結束后，采取無壓封孔措施，即射漿管入孔底，濃漿返出孔口即可。受孔深、孔徑、封孔條件影響，采用XY-2型回轉鉆機難以滿足施工要求，因此，東帷幕工程選用XY-44型巖心鉆。對于灌漿泵，選取黑旋風3SNS型灌漿泵即可，其流量波動較小，流量不均勻系數為1.04，國內灌漿工程多選用該型，施工人員熟悉操作、維修工藝。

3.1.2 制儲漿設備

工程選用一套智能綜合制儲漿系統，可根據設計配合比，自動投料、攪拌，根據作業單元需要，輸送至各制漿中轉站，由中轉站泵送至灌漿機組。單一灌漿機組按照“4臺巖心鉆機，2臺灌漿泵”配設，因此，須設置獨立儲漿罐，容量不小于600L,滿足水泥漿液、水泥黏土復合漿液儲灌需要。

3.1.3 灌漿方法

純壓式灌漿根據所選灌漿泵種類差異，也有兩種方法，當采用變流量灌漿泵時，只須配設一套進漿管(見圖1)，受成本因素制約，國內一般不采用。采用定流量泵時，須分別配設一套進回漿路(見圖2)，國內3SNS泵即可滿足要求，東帷幕工程選B型方案，A方案相對節約漿材，但B方案設備成本較低[2]。

圖1 純壓式灌漿A型

圖2 純壓式灌漿B型

3.2 施工工藝

純壓式灌漿整體施工程序同其他灌漿方法并無明顯差異，亦須完成孔口管鑲注后，自上而下逐段壓水、灌漿，基本流程為覆蓋層鉆孔鑲管、試段鉆孔、沖洗、灌前壓水、灌漿、待凝、灌后壓水(須滿足一定條件)、封孔[3]，其中灌后壓水是在一定條件下對試段灌漿效果的初檢。東帷幕工程在工藝上受礦山帷幕灌漿影響，同水利灌漿相比存在一定異同，下面對幾項重要環節進行分析。

3.2.1 灌漿壓力及段長

灌漿壓力主要由試段深度、靜水位及設備等因素決定，其中，Ⅰ序孔一般選取2.0倍靜水壓力，Ⅱ序孔選取2.5倍靜水壓力。孔深在0～50m區間，最大灌漿壓力一般選取0.5～1MPa，超過50m孔深，每增加50m，灌漿壓力增加1MPa。在入基巖第1、2試段，若遇斷層破碎帶或地表冒漿、抬動明顯，灌漿壓力可適當減少，控制在0.3～1.0MPa。最大灌漿壓力選取范圍見表2。

表2 最大灌漿壓力選取范圍

一般的水利帷幕灌漿，試段段長多為2～5m，試段過長會影響效果，但在礦山灌漿中，較為靈活。溶洞發育區段長3～10m，斷層破碎帶5～20m；裂隙發育區段長10～20m；裂隙不發育區段長20～40m。其他地質缺陷部位可適當縮短段長，靠近終孔段如巖體較完整，地質條件較好，可適當增加段長。在純壓灌漿的條件下，采取較大段長，須謹慎對待。

3.2.2 漿液變換

東帷幕工程純水泥漿液共有5級漿液濃度，包括3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1，不同于水利灌漿的是，沒有5∶1比級，根據灌前壓水透水率情況，當透水率在5～10Lu時，開灌比3∶1，當透水率在10～50Lu時，開灌比2∶1，當透水率大于50Lu時，開灌比1∶1。

在漿液比級變換方面，同水利灌漿有較大差異，設計要求當某一比級漿液的注入量已達10m3以上或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改濃一級，或者當注入率大于150L/min時，可根據具體情況越級變濃[4]。在實際施工中，受灌漿泵排量和施工實際情況限制，某一比級漿液注入量達到10m3或注入率大于150L/min難以實現，造成漿液變換困難，稀漿注入量較多。

當采取水泥黏土復合漿液灌注時，只有1級漿液濃度。

3.2.3 孔斜控制

水利帷幕灌漿中，孔深小，孔距密，鉆孔偏斜對帷幕質量影響程度相對低(見表3)，礦山灌漿中，孔距和孔深都較大，鉆孔偏斜程度過高會影響帷幕有效搭接。礦山帷幕灌漿對孔斜的控制標準近似于勘察工程標準，較為嚴格，要求成孔平均偏斜程度小于1%的孔深，在施工中，孔斜成為了主控項目，采取了加長巖芯管鉆具、繩索取心雙管鉆具、減壓吊打等多種方法控制孔斜。

表3 水利水電帷幕灌漿鉆孔允許偏斜程度 單位：m

3.2.4 灌后壓水

水利灌漿中，只須根據灌前壓水情況，判斷地層情況，選取合適漿液進行灌注，當滿足正常灌漿結束條件時，即可完成該試段灌漿任務，進入下一段鉆灌環節。東帷幕工程考慮到帷幕實體質量，為了檢驗本試段灌漿情況，在正常結束后或其他特殊情況，當滿足灌后壓水實施條件時，即指當試段灌前透水率大于5Lu或單位注灰量大于85kg/m或其他特殊情況(如非正常結束)，須進行該流程。灌后、灌前壓水全部采用單點法，當灌后壓水透水率較大或注入率過高，難以升壓時，須進行復灌。在實際施工中，巖溶發育地帶單次灌漿難以結束，當達到結束條件時，進行灌后壓水，結果表明，多數情況仍須繼續灌注。

3.3 效果分析

帷幕灌漿單元或分部工程結束后，須對其灌注效果進行評價，根據灌注的先后次序，分析透水率變化情況、單灰注灰量變化情況，進而考察工藝技術的合理性，及時提出解決方案。

根據表4分部工程壓水灌漿情況可知，下游排帷幕Ⅱ序孔透水率相對Ⅰ序孔遞減率為30.17%，上游排帷幕孔Ⅱ序孔透水率相對Ⅰ序孔遞減率為3.72%，上游排總平均透水率相對下游排遞減率為53.73%。下游排帷幕灌漿Ⅱ序孔平均單位注入量相對Ⅰ序孔遞減率為15.98%，上游排帷幕灌漿Ⅱ序孔平均單位注入量相對Ⅰ序孔遞減率為35.01%，灌漿效果明顯。

表4 東帷幕工程某分部壓水灌漿統計

綜上所述，按照分排分序原則，后序孔及后序排透水率、單位注入量都有減小趨勢，說明純壓式灌注起到了明顯效果。但從整體透水情況分析，透水率超過防滲5Lu標準的段次不在少數，說明地層可灌性較好。實際情況表明，透水率超過100Lu的段次集中在覆蓋層入基巖接觸帶部分，須對該情況重點關注。

3.4 特殊情況處理

帷幕灌漿工程是典型的隱蔽工程，除漿液制備、管路環節可直觀感受外，其他數據都須依靠儀表測量，整個作用過程也無法肉眼觀察，孔內情況較難控制，因此就會發生各種各樣的特殊情況。

3.4.1 地表冒漿及抬動

東帷幕工程覆蓋層厚度分布在10～27m之間，不在受灌范圍內，因此在基巖靠近覆蓋層部分灌漿時，易發生地表冒漿、抬動現象[5]。此時，記錄儀數據會顯示注入率持續升高，壓力突然下降。檢查灌漿塞有無卸壓栓塞，并在灌漿孔周圍查找滲漏點，確定冒漿后，應降低壓力，限制流量，必要時越級增濃漿液。發生抬動后，應停止灌注，以防抬動土體影響孔口管垂直度，造成鉆孔偏斜甚至套管脫落事故，也可低壓少量灌注濃漿，進行待凝，一般不少于6～8h。

3.4.2 串漿

受溶蝕作用影響，部分相鄰孔段呈連通狀態，或在灌漿壓力作用下，發生劈裂，產生具有連通作用的通道，當該孔正在灌漿時，漿液即可通過地下通道串至鄰孔。發生串漿時，若孔序、高差條件滿足，可同時對串漿孔和灌漿孔進行灌漿，當條件不具備時，應用機械塞對串漿孔進行封堵，灌注較濃漿液后，進行待凝。

3.4.3 孔內事故

孔內事故是鉆灌過程中常見問題，超深孔灌漿時，更為顯著，包括埋鉆、燒鉆、栓塞、鉆具卡斷等。處理孔內事故時應注意方法，正確使用吊錘、撈矛等工具，鉆孔作業前，檢查鉆桿異徑接頭有無裂紋、變形等金屬疲勞損傷，在鉆進過程中，注意沖洗液循環流量變化。同時，對鉆桿接頭進行內外加厚，保證鉆孔垂直度，減少鉆桿彎曲變形。

4 存在問題及建議

4.1 孔內漿液沉淀

采用純壓式灌漿，注漿管距孔底較遠，漿液不能循環。長時間灌注時，漿液會因自重而沉淀，致使周圍裂隙通道被封堵，影響灌漿效果，表現為注入率突然降低，注入率曲線出現陡坡，這是純壓式灌漿的弊端。因此，須盡可能縮小試段長度，并提升灌漿壓力，利用劈裂效應，使漿材擠入裂縫，同時注重灌后壓水情況，綜合考慮。

4.2 接觸段效果差

由于覆蓋層未灌漿，且覆蓋層同基巖接觸部分風化、溶蝕作用強烈，造成帷幕幕體上部復灌次數較多，容易發生冒漿、抬動等特殊情況。對于此類問題，應考慮改變漿液材料，使用膏狀漿液灌注，同時加密孔距，或者采取袖閥管灌漿[6]技術，對接觸段專門處理。

4.3 充填型巖溶發育

充填型巖溶區的砂化、泥化灰巖充填物易受溶蝕作用影響，結構強度差，透水性較好。鉆灌試段遇到該地層時，灌前透水率較大，使用水泥黏土復合漿液灌注時，很難一次灌注成功，滿足結束條件，個別孔段復灌多達20數次，嚴重制約工程進度，同時，漿液擴散范圍較廣，造成漿材浪費的同時，很難保證帷幕質量。因此，須對該種地層進行專門處理，使用膏狀漿液灌注，或者在巖溶孔段周圍布孔，采取群孔封堵方法，切斷滲水通道。