導(dǎo)流洞圍巖巖溶系統(tǒng)灌漿處理快速施工技術(shù)

王 勇，李 麗

（1．中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；2．陜西工程勘察研究院，陜西 西安 710104）

1 工程概況與地質(zhì)條件

某水利工程導(dǎo)流洞位于涪江右岸，洞長(zhǎng)120m，圍巖地質(zhì)條件較差，周邊發(fā)育有多個(gè)巖溶系統(tǒng)，在導(dǎo)流洞施工過程中已經(jīng)對(duì)洞室周邊巖溶系統(tǒng)采取了清挖、回填混凝土、回填灌漿等方法進(jìn)行處理，保證了導(dǎo)流洞施工導(dǎo)流需要。為保證水庫(kù)正常下閘蓄水，保證水庫(kù)下閘后工程安全，設(shè)計(jì)單位提出對(duì)導(dǎo)流洞前段周邊巖溶系統(tǒng)采取固結(jié)灌漿處理，以截?cái)鄮r溶滲漏通道，切斷上下游水力聯(lián)系，保證導(dǎo)流洞封堵體（堵頭）正常施工，后期水庫(kù)正常運(yùn)行。

導(dǎo)流洞封堵體前段固結(jié)灌漿處理范圍為壩橫0＋550．0～壩橫0＋600．0段，距壩軸線上游29m范圍內(nèi)，固結(jié)灌漿在地表鉆孔，要求對(duì)EL610高程以下基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。該部位固結(jié)灌漿位于壩橫0＋550～0＋600段、壩縱0－002．0～0－027．0范圍內(nèi)，其中壩縱0－002．0～0－015．8段位于邊坡上，邊坡開口線自0＋550～0＋600段壩縱逐漸變小。下游方向的4排固結(jié)灌漿孔位于邊坡上，邊坡傾角約為70～80°不等。

導(dǎo)流洞圍巖以硬質(zhì)灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育，據(jù)勘察資料顯示，溶洞多為半充填型或巖溶空腔、溶隙，充填物以泥夾崩塌塊石為主，溶洞與上游地表落水洞相通，蓄水后存在滲漏通道。

2 設(shè)計(jì)要求

固結(jié)灌漿采用矩形布置，間排距3．0m，共布置9排92個(gè)灌漿孔，鉆孔開孔孔徑為130mm，終孔孔徑不小于76mm。為節(jié)約工程投資，控制漿液控制范圍，每個(gè)灌漿孔只要求對(duì)EL610～576m高程范圍內(nèi)的孔段進(jìn)行灌漿處理，EL610m高程以上孔段下設(shè)護(hù)壁套管，以隔離巖上部巖溶空腔。灌漿施工采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下灌漿法，灌漿孔排間不分序，按先下游排再上游排的順序施工，排內(nèi)分二序孔施工，灌漿段長(zhǎng)5．0m，每排導(dǎo)流洞頂部的灌漿孔最后施工，灌漿壓力1．0MPa，漿材采用P．O42．5純水泥，灌漿過程應(yīng)連續(xù)，中間不得停等待凝，直至灌漿結(jié)束。檢查孔透水率要求小于5Lu。

3 固結(jié)灌漿施工

3．1 施工難點(diǎn)

（1）邊坡上施工，設(shè)備搬遷難度大；

（2）工程量大，鉆孔工程量6200m，且有斜孔，腳手架上施工，工作場(chǎng)面狹小，工期短（時(shí)間1個(gè)月）；

（3）巖溶發(fā)育，需要鉆穿上部強(qiáng)巖溶發(fā)育地層，鉆孔過程中存在塌孔、掉塊、卡鉆等特殊情況；

（4）注漿質(zhì)量不易控制。因?qū)Я鞫瓷襟w內(nèi)巖溶發(fā)育，孔內(nèi)漿液易于流失，需要采取技術(shù)措施，控制漿液擴(kuò)散，即要保證灌漿效果，又要避免漿液浪費(fèi)。

3．2 鑲孔口管

采用Ф130mm鉆頭開孔，鉆進(jìn)至基巖2．0m后下設(shè)Ф127mm護(hù)壁管，再采用Ф91mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至EL610高程后鑲鑄Ф89mm孔口管；在鉆進(jìn)過程中遇大的巖溶空腔立即停止鉆進(jìn)，采用Ф110mm鉆頭擴(kuò)孔直至巖溶空腔，下設(shè)Ф108mm護(hù)壁管，然后繼續(xù)采用Ф91mm鉆頭鉆進(jìn)。造孔完成后向孔內(nèi)注入0．5∶1水泥漿，鑲鑄Ф89mm孔口管，待凝24h后進(jìn)行EL610高程以下造孔灌漿。

3．3 鉆孔

（1）鉆孔孔徑：孔口段孔徑130mm；終孔孔徑≥76mm；固結(jié)灌漿檢查孔孔徑≥76mm。

（2）鉆孔機(jī)具及鉆進(jìn)參數(shù)：根據(jù)特殊的地質(zhì)條件，綜合對(duì)比地質(zhì)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和潛孔錘鉆進(jìn)的特點(diǎn)，為滿足工期要求，確定采用液壓鉆機(jī)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆機(jī)選用無(wú)錫探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的YG－60型工程鉆機(jī)，該型鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)為分體式，全液壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，操縱簡(jiǎn)單，并可遠(yuǎn)距離操縱，具有維修保養(yǎng)方便，可拆性好，搬遷、安裝迅速方便，適合合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)、潛孔錘鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)多種鉆進(jìn)工藝方法。

鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

潛孔錘（沖擊器）選用QCW80、QCW90型無(wú)閥式風(fēng)動(dòng)沖擊器，該沖擊器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、工作可靠、維修方便、耗風(fēng)量低、能量利用率高等特點(diǎn)。該沖擊器在中高風(fēng)壓時(shí)效率很高，取得了較好的鉆進(jìn)效果。

（3）鉆進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)：鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)的選擇是潛孔錘鉆進(jìn)的一項(xiàng)關(guān)鍵問題，其合理與否直接影響鉆進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。主要鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)包括風(fēng)量、風(fēng)壓、鉆壓和轉(zhuǎn)數(shù)等。

①風(fēng)量：要根據(jù)空壓機(jī)和潛孔錘的性能合理確定風(fēng)量。為使?jié)摽族N正常工作且能排除巖粉，鉆桿和孔壁環(huán)狀間隙之間的最低上返風(fēng)速要求不小于15m／s。如風(fēng)量偏小，難以排除孔內(nèi)巖粉，易形成重復(fù)破碎，從而影響鉆進(jìn)效率。

風(fēng)量確定公式為：Q＝VS，式中：Q為空壓機(jī)風(fēng)量，m3／min；V為排渣上返風(fēng)速，m／min；S為鉆桿與孔壁環(huán)狀空間面積，m2。假定V為900m／min，裸眼孔徑為110mm，鉆桿外徑為89mm，則風(fēng)量應(yīng)為2．95m3／min。

②風(fēng)壓：潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與風(fēng)壓有密切關(guān)系。潛孔錘鉆進(jìn)常用風(fēng)壓是鉆進(jìn)參數(shù)重要指標(biāo)之一。通常情況下，鉆速與風(fēng)壓成正比。本次施工采用的潛孔錘為中高壓潛孔錘，所需風(fēng)壓為0．8～1．2MPa。因本工程有斜孔作業(yè)，為鉆至指定靶區(qū)，對(duì)孔斜要求較高，鉆速不宜太快，風(fēng)壓選為0．8～1．0MPa。

③鉆壓：從潛孔錘的碎巖機(jī)理來(lái)看，巖石主要是在沖擊功的作用下破碎的，鉆壓是保證沖擊功率并發(fā)揮作用的輔助力。對(duì)某一直徑的潛孔錘來(lái)說，鉆壓有一個(gè)合理范圍。本工程采用鉆壓控制在9～10kN范圍內(nèi)。

④轉(zhuǎn)數(shù)：為使?jié)摽族N的沖擊功有效地傳到孔底，鉆具的轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)按潛孔錘的沖擊頻率和所鉆巖石的性質(zhì)來(lái)決定，它存在最優(yōu)沖擊間隔。鉆具有轉(zhuǎn)數(shù)和沖擊頻率的配合，應(yīng)使切削具在最優(yōu)沖擊間隔的條件下工作。最優(yōu)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)數(shù)與沖擊頻率之間的關(guān)系為：A＝360n／f，A 為 最優(yōu)轉(zhuǎn)角，（°）；n為鉆 具轉(zhuǎn)數(shù)，（r／min）；f為沖擊頻率（次／min）。如最優(yōu)轉(zhuǎn)角取11°，沖擊頻率為600次／min，可得轉(zhuǎn)數(shù)為18r／min；當(dāng)沖擊頻率為1000次／min時(shí)，則轉(zhuǎn)數(shù)為31r／min。

（4）鉆孔偏差控制：鉆孔孔位必須滿足設(shè)計(jì)要求，控制開孔精度，把好開孔關(guān)?？诇\時(shí)加接鉆鋌，孔深時(shí)加鉆桿扶正器，扶正器長(zhǎng)度不小于6m。嚴(yán)格按照規(guī)定的技術(shù)參數(shù)操作，每次下鉆，應(yīng)先送風(fēng)，待鉆頭在底面沖出小孔再輕壓回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)風(fēng)化層、破碎帶時(shí)，適當(dāng)降低鉆壓，確保鉆孔垂直度。鉆進(jìn)過程中應(yīng)保持鉆孔環(huán)狀間隙暢通無(wú)阻。如遇坍塌掉塊現(xiàn)象，應(yīng)反復(fù)提動(dòng)鉆具，強(qiáng)行吹風(fēng)沖擊，把掉塊擠碎吹出孔外。如發(fā)現(xiàn)偏斜過大，要及時(shí)采取糾偏措施。

（5）鉆孔時(shí)注意事項(xiàng)及特殊情況處理：嚴(yán)格按照鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)操作，不能盲目追求進(jìn)尺以防孔內(nèi)事故發(fā)生。要隨時(shí)觀察氣壓表，如發(fā)現(xiàn)壓力急劇上升或下降，應(yīng)立即提鉆，查明原因，排除故障。鉆進(jìn)中如發(fā)現(xiàn)鉆桿抖得厲害，說明遇到破碎帶或較大裂隙，應(yīng)立即提動(dòng)鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過，防止造成鉆桿折斷等事故。如發(fā)現(xiàn)孔口不返氣、進(jìn)尺緩慢，說明遇到大裂隙或溶洞，應(yīng)反復(fù)上下提動(dòng)鉆具進(jìn)行周期性碎巖和吹孔工作，把大顆粒巖屑沖成粉末吹入裂隙中，以保證正常鉆進(jìn)。鉆進(jìn)中應(yīng)經(jīng)常注意潛孔錘的沖擊工作聲響，如發(fā)現(xiàn)沖擊頻率變低或不穩(wěn)定，則潛孔錘出現(xiàn)異常，應(yīng)立即提鉆處理。回次結(jié)束后應(yīng)上提鉆具0．3～0．5m進(jìn)行強(qiáng)吹孔，待孔口不返巖屑時(shí)，才可停風(fēng)加接鉆桿。停風(fēng)時(shí)應(yīng)緩慢關(guān)閉送風(fēng)閥，不可突然中斷供風(fēng)，防止?jié)摽族N倒吸巖粉，造成堵塞。下鉆時(shí)應(yīng)邊回轉(zhuǎn)邊下放，當(dāng)鉆具接孔底時(shí)應(yīng)放慢速度。應(yīng)經(jīng)常保持孔底清潔，當(dāng)鉆進(jìn)中孔內(nèi)巖粉過多時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門吹孔。

3．4 鉆孔沖洗及壓水試驗(yàn)

灌漿孔在灌漿前進(jìn)行鉆孔沖洗，孔內(nèi)沉積厚度不得超過20cm，并返清水5min以上后停止。

灌前簡(jiǎn)易壓水：沖洗壓力為0．8MPa，沖洗至回水清潔時(shí)止，簡(jiǎn)易壓水壓力為0．8MPa。壓水20min，每3min測(cè)讀一次壓入流量，取最后的流量值作為計(jì)算流量。

在巖溶、大斷層、遇水軟化等地特殊孔段，不進(jìn)行裂隙沖洗和灌前簡(jiǎn)易壓水。

3．5 灌漿

（1）灌漿材料

①水泥：灌漿采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)42．5，細(xì)度滿足規(guī)范要求。

②水：灌漿用水使用涪江水，通過供水系統(tǒng)供應(yīng)至施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)檢測(cè)符合規(guī)范要求。

③天然砂，細(xì)度模數(shù)不大于2．0，最大粒徑不大于2．5mm，SO3含量小于1%，含泥量小于3%，有機(jī)物含量小于3%。

（2）漿液制備

①制漿站拌制0．5∶1的水泥漿液、水泥砂漿漿液，漿液輸送至灌漿點(diǎn)后，水泥漿液再配制成所需濃度的水泥漿，水泥砂漿直接灌注。

②水泥漿液、水泥砂漿采用高速攪拌機(jī)攪拌，純水泥漿液的攪拌時(shí)間應(yīng)不少于30s，自制備至用完時(shí)間宜小于4h，水泥砂漿的攪拌時(shí)間不應(yīng)小于2min，自制備至用完時(shí)間不宜大于4h。

（3）灌漿方法

本工程基巖固結(jié)灌漿采用孔口封閉孔底循環(huán)式灌漿方法，射漿管距孔底不得大于50cm。

（4）灌漿段長(zhǎng)及灌漿壓力

該部位固結(jié)灌漿段長(zhǎng)均為5．0m，灌漿壓力為1．0MPa。

（5）漿液變換

①灌漿漿液濃度應(yīng)由稀到濃，逐級(jí)變換。本工程固結(jié)灌漿漿液水灰采用3∶1、2∶1、1∶1、0．5∶1四個(gè)比級(jí)。開灌水灰比采用3∶1。

②當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。

③當(dāng)某一比級(jí)漿液的注入量已達(dá)300L以上或灌注時(shí)間已達(dá)1h，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，改濃一級(jí)漿液灌注。

④當(dāng)注入率大于30L／min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃。

⑤灌漿過程中，灌漿壓力或注入率突然改變較大時(shí)，應(yīng)立即查明原因，采取相應(yīng)的措施處理。

⑥當(dāng)采用最濃級(jí)漿液灌漿而注入率大于30L／min或當(dāng)本段注入最濃級(jí)漿液達(dá)2t后，注入率無(wú)明顯下降趨勢(shì)，灌漿壓力無(wú)明顯上升趨勢(shì)，開始在水泥漿中摻加灌漿用砂，摻入水泥量的50%、70%（重量比），具體摻加比例根據(jù)孔段鉆孔情況現(xiàn)場(chǎng)確定。

（6）灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1L／min時(shí)，繼續(xù)灌注30min后結(jié)束灌漿。

（7）封孔

灌漿孔采用“置換和壓力灌漿封孔法”進(jìn)行封孔。灌漿結(jié)束后，自孔底將余漿用0．5∶1的濃漿置換（如為0．5∶1的濃漿則置換）；取出灌漿管后，在孔口用最大灌漿壓力進(jìn)行閉漿1小時(shí)；待孔內(nèi)漿液凝固后，將孔內(nèi)上部空腔部分人工填滿M20砂漿。

3．6 特殊情況處理

（1）灌漿過程中，發(fā)現(xiàn)地表冒漿，采用鑲縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進(jìn)行處理。

（2）灌漿過程中發(fā)生串漿時(shí)，采用以下方法處理：

①如被串孔正在鉆進(jìn)，要立即停鉆。

②串漿量不大于1L／min時(shí)，可在被串孔內(nèi)通入水流。

③串漿量較大，在串漿孔具備灌漿條件時(shí)，盡可能與被串孔同時(shí)進(jìn)行灌漿，應(yīng)一泵灌一孔。否則應(yīng)將串漿孔塞住，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，串漿孔再行掃孔、沖洗，而后繼續(xù)鉆進(jìn)或灌漿。

（3）灌漿工作因故中斷，按照下述原則處理：

①盡可能縮短中斷時(shí)間，及早恢復(fù)灌漿。

②若中斷時(shí)間超過30min，則要沖洗鉆孔，如無(wú)法沖洗或沖洗無(wú)效，則應(yīng)進(jìn)行掃孔，而后恢復(fù)灌漿。

③恢復(fù)灌漿時(shí)，如注入率與中斷前的相近，即可改用中斷前比級(jí)的漿液繼續(xù)灌注。

④恢復(fù)灌漿后，如注入率較中斷前的減少很多，且在短時(shí)間內(nèi)停止吸漿，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

（4）對(duì)注入量大，當(dāng)某一孔段注入最濃級(jí)漿液達(dá)2t后灌漿仍難以結(jié)束時(shí)，開始摻砂灌注，為了保證巖溶系統(tǒng)的完成充填，在進(jìn)行摻砂灌注過程時(shí)需連續(xù)進(jìn)行，直至注入率有明顯變化趨勢(shì)，壓力有所回升，采用0．5∶1水泥漿進(jìn)行灌注直至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4 小結(jié)

在施工場(chǎng)面受限制，工程量大，時(shí)間緊，任務(wù)重，施工難度大的情況下，通過在施工過程中采用適當(dāng)?shù)拇胧?，?jīng)過30天的施工，共計(jì)完成鉆孔6400m，注入水泥6300t，灌注砂2200t，圓滿完成了施工任務(wù)。后期布設(shè)質(zhì)量檢查孔4個(gè)，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)布設(shè)質(zhì)量檢查孔2個(gè)，通過鉆設(shè)檢查孔，采取到大量水泥結(jié)石心樣，導(dǎo)流洞頂部充填密實(shí)，壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，各孔段壓水試驗(yàn)結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。

歸納本工程經(jīng)驗(yàn)主要有以下幾點(diǎn)：一是鉆孔工藝選擇。選用沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔工藝，使用風(fēng)動(dòng)潛孔錘造孔，工效很高，解決了地質(zhì)鉆機(jī)成孔慢的問題，特別是上部存在較大巖溶空腔區(qū)域，如采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔存在漏漿不返水問題，解決了成孔問題，單機(jī)正常純機(jī)械鉆速可達(dá)15m／h，受地質(zhì)條件影響，存在擴(kuò)孔、處理孔內(nèi)事故時(shí)間，影響了鉆進(jìn)效率，但較地質(zhì)鉆機(jī)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工效提高幾倍，盡管漿液注入量大，但是因成孔速度快，保證了灌漿作業(yè)時(shí)間。二是采用套管隔離上部巖溶通道。通過鑲鑄隔離套管，阻斷了上部巖溶區(qū)域的滲漏通道，不僅減少了上部的漏漿問題，而且也節(jié)省了材料浪費(fèi)和灌漿時(shí)間。三是灌漿施工控制合理到位。在施工過程中，首先施工邊排灌漿孔，逐序向內(nèi)加密，在特殊地質(zhì)條件下如斷層、溶洞和特大漏漿部位，在水泥漿液中摻入質(zhì)地堅(jiān)硬的天然細(xì)砂或投入細(xì)石，減少漿液擴(kuò)散范圍，同時(shí)使灌漿區(qū)形成相對(duì)封閉區(qū)域，切斷與外部的滲漏通道，使灌漿區(qū)域內(nèi)的巖溶處理隨著灌漿的進(jìn)行逐步得到擠密，從灌漿成果資料分析，邊排孔耗漿量大，隨著逐排逐序加密，耗漿量呈遞減的趨勢(shì)，符合灌漿規(guī)律，遇特殊情況時(shí)，采用預(yù)定處理措施，及時(shí)解決灌漿過程中出現(xiàn)的問題，保證了施工的正常進(jìn)行，最終經(jīng)質(zhì)量檢查，工程質(zhì)量完全滿足設(shè)計(jì)要求。四是組織保障得力。在開工以前，作了充分的準(zhǔn)備工作，人員、材料、設(shè)備的組織配置到位，并對(duì)施工中可能出現(xiàn)的問題作出了預(yù)測(cè)，制定了切實(shí)可行的措施，保證了施工的正常進(jìn)行。

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是一種成熟的技術(shù)，盡管設(shè)備一次投入成本較高，特別是空壓機(jī)采購(gòu)原值高，并且動(dòng)力燃料消耗大，但憑借其高工效和較低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐步推廣開來(lái)，在水電灌漿規(guī)范中已經(jīng)取消了對(duì)風(fēng)動(dòng)沖擊器使用的限制，如能進(jìn)一步解決好施工中的防塵除塵問題，相信在以后的基礎(chǔ)處理施工中會(huì)得到廣泛應(yīng)用。