一种强岩溶发育地层帷幕灌浆施工方法

摘要

本发明属于水利水电施工工程领域，尤其涉及一种强岩溶发育地层帷幕灌浆施工方法。本发明所述施工方法，在施工中采用高压冲洗置换技术创新技术，解决了深层岩溶发育地层帷幕灌浆的成孔技术难题，使工程能顺利实施；根据不同的地质条件，通过在水泥浆液中掺加各种掺合剂和化学处理剂来调节浆液的粘稠度、剪切力和塑变参数，加以一定的灌注措施和手段，从而控制浆液的注入量和扩散度，不仅可达到最佳的灌浆效果，也可减少浆液不必要的损耗。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电施工工程领域，尤其涉及一种强岩溶发育地层帷幕灌浆施工方法。

背景技术

中国从70年代开始在岩溶发育地区修建大坝，在岩溶地区建设水利工程面临两大课题，一是选择适用、高效、准确的勘察手段，以查明岩溶工程地质条件；二是根据条件选用经济合理、技术可行的地基与基础处理方法。由于岩溶地质的特殊性-碳酸盐的可溶性所造成的溶洞、溶塌体及复杂的地下管网系统，不仅增加了地勘工作的难度、经费和周期，更增大了地基处理的难度和复杂性，对岩溶地层处理有采用置换、灌浆、打灌注桩、旋喷桩、钢管桩等方法。

强岩溶发育地层通常情况下是指有大断层、大溶洞发育的岩层，处于强溶蚀区段的在灌浆施工中出现无压力无回浆等大漏量现象的岩层。在该地层上帷幕灌浆施工主要存在以下施工技术难点：(1)由于灌浆工程量大，耗用的灌浆材料多，施工复杂，施工历时也长，因此，帷幕的造价高。(2)强岩溶发育地层的帷幕灌浆施工时注入量大，孔段复灌次数多，灌浆历时长，采用孔口封闭灌浆法进行施工。孔口封闭灌浆法的主要缺点是在灌注浓浆时间长时，灌浆管容易在孔内被水泥凝住。特别是在灌注深孔时，灌浆管很长，孔内浆液粘稠，稍有不慎，灌浆管就可能被浆液凝固铸死，造成孔故。(3)强岩溶帷幕钻孔施工时经常遇到全充填型溶洞，充填物为黄泥砂。在浅层遇全充填型溶洞时，能够采用大流量水冲行进冲洗，将孔内大部份的砂带出孔外，从而达到成孔的目的。在深层时，因为砂的比重大，采用大流量水进行冲洗时，泵输出的水流压力只能将极少量的砂带出孔外，大量的砂仍留在孔内，所以起钻后孔内的砂垮塌无法成孔。且在进行深层全充填溶洞段钻进时，因冷却水水压小，钻机在往下钻进时，孔内的泥砂会进入到钻杆内，堵塞钻杆，导致冷却水无法循环，出现烧钻的现象。(4)岩溶地区的地质情况多变，在灌浆施工过程中也经常遇到溶洞、溶蚀裂隙，在施工过程中主要表现为钻孔时出现掉钻、钻进中进尺加快、塌孔、漏水、涌水及灌浆时出现注入量大且多次复灌仍无法达到结束标准等异常现象。

发明专利申请公开号为CN 103485345公布了一种覆盖层孔口封闭高压帷幕灌浆施工方法，它包括以下步骤：(1)非灌浆段施工；(2)灌浆段造孔；(3)灌浆段长划分；(4)灌浆压力确定；(5)灌浆方法确定。本发明采用套管跟进至非灌浆段，泥浆固壁造孔，能够极大地提高钻孔速度和成孔率，解决了深厚覆盖层地层的成孔困难问题；在深厚覆盖层采用高的灌浆压力，灌浆注入量明显增加，扩散半径增大，灌浆效果好；在覆盖层中采用孔口封闭帷幕灌浆施工工法，灌浆质量有保证，且基本上解决了灌浆过程中经常出现的“抱管”孔内事故，提高了施工效率。该专利仅说明覆盖层高压帷幕灌浆的成孔、灌浆方法，没有涉及在处理钻孔遇到的岩溶处理，也没有及针对不同类型的岩溶的具体的灌浆处理方法。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种强岩溶发育地层帷幕灌浆施工方法，其包括以下步骤：

(1)成孔

在灌浆过程中遇到充填型溶洞或溶蚀裂隙时，通过联合高压水冲洗置换成孔或者采用灌浆泵注入冷却水进行钻孔，冲出后回填1.5g/cm3的水泥浆；

(2)划分灌浆段长

灌浆段长为5m，岩体破碎孔壁不稳时，灌浆段长缩短至2～3m，混凝土结构与基岩接触处的灌浆段段长为2m；

(3)控制灌浆压力

以孔口回浆压力为标准，压力控制在3.0～5.0MPa；

(4)确定灌浆方法

采取“孔口封闭，自上而下分段循环”灌浆法，其包括以下步骤：

1)灌浆使用高压灌浆泵，与灌浆自动记录仪配套使用；

2)水泥浆比级由稀至浓，逐级变换，水与灰质量比为3:1、2:1、1:1、0.8:1和0.5:1五个比级，进行灌浆的水与灰比为3:1。

进一步的，步骤(1)所述的联合高压水冲洗置换成孔技术的步骤是：把相邻两孔均钻到溶洞段的同一高程，两孔同时进行高压水冲洗处理，使两孔串通，待返水中的含砂量少、无泥浆时结束；取出一个孔的钻杆，把另一个孔的孔口进行封闭，用两台注浆泵同时对有钻杆的孔内进行高压水冲洗，所述高压水的压力控制在3.0MPa，把泥砂从没有钻杆的孔内冲出。

进一步的，步骤(4)所述确定灌浆方法，充填型溶洞或溶蚀裂隙灌浆方法如下：

(1)按水与灰比为3：1的水泥浆开灌，按照灌浆管路控制阀的压力表上显示的值进行控制，浆液变换达到的比级大的浆液灌注时流量大于30L/min或者注入干耗量超过500kg/m，采用水泥与粉煤灰混合浆液灌注，并按以下措施进行处理：

1)在灌浆管路控制阀的压力表上显示的大值压力下降20％，灌注l小时，若压力或注入率无变化，再降低当前压力的20％，灌注l小时后，若压力或注入率无变化，即待凝8h；待凝后复灌，经复灌后的压力或注入率与待凝前相近，即改用待凝前的水泥与粉煤灰混合浆液灌注；经复灌后的压力或注入率与待凝前相比较有变化，则采用3:1的水与灰比的水泥浆灌注，按间隔0.5MPa分级升压；实施复灌后的压力小于1Mpa，则采用水泥浆掺砂灌注，直至灌浆压力达到l.0Mpa后待凝，待凝时间8h；

2)在灌浆管路控制阀的压力表上显示的大值压力下降20％，灌注l小时，出现压力升高或注入率有降低的情况，继续灌注，直至结束，避免待凝。

进一步的，步骤(4)所述确定灌浆方法，无充填或半充填型溶蚀裂隙灌浆方法如下：

(1)若灌浆时不返浆且溶蚀裂隙大，采用水泥浆灌注；若不返浆且溶蚀裂隙小时，采用水泥浆掺砂灌注，直至回浆且压力≥1Mpa，待凝时间不小于8h；

(2)若有返浆且压力≥1Mpa，出现回浆，利于孔内充分循环，开灌采用水与灰比为3：1的水泥浆，根据规范要求进行浆液变换至比级大的浆液，当注入率大于30L/min或者单位注入干耗量超过500kg/m，采用水泥与粉煤灰混合浆液灌注，首次灌注7.5～10t干灰量后，待凝时间不小于8h；

(3)待凝后复灌，采用水与灰比为3：1的水泥浆，当出现压力和注入率与待凝前相近，即改用待凝前的水泥与粉煤灰混合浆液灌注，在出现回浆的情况下灌注干灰量7.5～l0t后，按以下方法掺加水玻璃灌注且待凝时间不小于8h：

1)灌注水泥浆与水玻璃混合浆液；

2)采用水玻璃和水泥浆分开灌注，先灌注200L水玻璃，再灌注比级0.5:1的水泥浆400L；

(4)在灌浆过程中，在压力升高的情况下，按0.5Mpa分级升压。

进一步的，步骤(4)所述确定灌浆方法，无充填或半充填型溶洞的灌浆方法如下：

(1)溶洞小，掉钻0.5m以下，采用水泥浆掺砂，采用孔口加砂，掺砂量按水泥量的50％、70％、l00％灌注，待出现回浆后采用以下方法进行处理：

1)出现回浆后，采用水泥与粉煤灰混合浆液灌注，干灰量达7.5～10t后，掺加水玻璃灌注，待凝时间不小于8小时；

2)待凝后复灌，采用水与灰比为3：1水泥浆，出现压力和注入率与待凝前相近，即改用待凝前水与灰比的水泥浆灌注；当出现回浆，用干灰量7.5～10t掺加水玻璃灌注，待凝不小于8小时；

(2)溶洞大，掉钻0.5m以上，扩大孔径，回填自密实混凝土或高流态混凝土，或采用碎石与混凝土交换回填，回填饱和后，再进行灌注，使用水泥浆或水泥与粉煤灰混合浆。

进一步的，所述水泥与粉煤灰混合浆液，水：水泥+粉煤灰＝0.5：1～0.7：1；粉煤灰掺量为水泥重量的20％～30％；水泥浆掺砂，掺砂量通常按水泥量的10％、20％、30％、40％、50％、70％或100％。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述施工方法，在施工中采用“高压冲洗置换技术”、“返砂技术”等创新技术，解决了深层岩溶发育地层帷幕灌浆的成孔技术难题，使工程能顺利实施；根据不同的地质条件，通过在水泥浆中掺加各种掺合剂和化学处理剂来调节浆液的粘稠度、剪切力和塑变参数，加以一定的灌注措施和手段，从而控制浆液的注入量和扩散度，不仅能达到最佳的灌浆效果，也能减少浆液不必要的损耗。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

隘口水库的具体施工工艺流程如下

1、总体施工工艺流程

强岩溶发育地层帷幕灌浆采用孔口封闭，孔内循环，自上而下分段灌浆，每施工单元内的灌浆总体施工工艺流程按照先下游排→上游排→中间排的排序施工，同排内相邻先序孔施工完后即能施工后序孔。施工程序：清理施工现场→测量放孔位→施工平台安装及验收(坡面)→钻机对准整平锚固→抬动孔钻孔→安装抬动变形观测装置(并测试)→先导孔→Ⅰ序孔施工→Ⅱ序孔施工→Ⅲ序孔施工→检查孔施工。

2、单孔施工工艺流程

钻机对中孔位→整平固定钻机→第一段造孔→测孔深、孔斜→下阻塞器→洗孔→压水→灌浆→下孔口管，待凝72h→第二段造孔→测孔深、孔斜→洗孔→压水→灌浆→…第五段造孔→奇数段测斜→…全孔验收→压水→终孔段灌浆→机械封孔→人工封孔。

3、浆液配合比

3.1、水泥浆的水与灰比采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1五个比级，开灌采用3:1的水与灰比的水泥浆灌注；

3.2、需在灌浆浆液中添加辅助胶凝材料、外加剂等，灌浆浆液经试验确定，采用配合重量比如下：

水：水泥+粉煤灰＝0.5：1～0.7：1；

粉煤灰掺量为水泥重量的20％～30％；

膨润土掺量为水泥重量的1％，塑化剂掺量为水泥重量的1.0～1.2％；

水泥膏浆根据裂隙大小和孔内涌水流量情况配制。

4、灌浆段长及压力

灌浆段长一般为5m，岩体破碎孔壁不稳时，灌浆段长缩短至2～3m，混凝土结构与基岩接触处的灌浆段段长为2m。

以孔口回浆压力为标准，压力控制在3.0～5.0MPa。

5、结束标准

5.1、在设计压力下，灌浆注入率不大于1.0L/min时，持续灌注60min。

5.2、帷幕灌浆终孔段透水率大于设计要求的透水率标准或单位注入量大于100kg/m时，钻孔应继续加深，每次加深段长5m，最多加深3段，计15m。

6、异常岩溶类型或岩溶异常孔段的灌浆施工方法

在强岩溶发育地层帷幕灌浆时主要有以下岩溶类型或岩溶异常孔段：(1)、充填型溶洞或溶蚀裂隙；(2)、无充填或半充填型溶蚀裂隙；(3)、无充填或半充填型溶洞；(4)、塌孔或涌水。

6.1、所述充填型溶洞或溶蚀裂隙灌浆方法如下：

(1)开灌采用3:1的水与灰比的水泥浆灌注，按照灌浆管路控制阀的压力表上显示的值进行控制，浆液变换达到的比级大的浆液灌注时流量大于30L/min或者注入干耗量超过500kg/m，采用水泥与粉煤灰的混合浆液灌注，并按以下措施进行处理：

1)在灌浆管路控制阀的压力表上显示的大值压力下降20％，灌注l小时，若压力或注入率无变化，再降低当前压力的20％，灌注l小时后，若压力或注入率无变化，即待凝8h；待凝后复灌，经复灌后的压力或注入率与待凝前相近，即改用待凝前的水泥与粉煤灰混合浆液灌注；经复灌后的压力或注入率与待凝前相比较有变化，则采用3:1的水与灰比的水泥浆灌注，按间隔0.5MPa分级升压；实施复灌后的压力小于1Mpa，则采用水泥浆掺砂灌注，直至灌浆压力达到l.0Mpa后待凝，待凝时间8h；

2)在灌浆管路控制阀的压力表上显示的大值压力下降20％，灌注l小时，出现压力升高或注入率有变化，继续灌注，直至结束，避免待凝。

6.2、所述无充填或半充填型溶蚀裂隙灌浆方法如下：

(1)若灌浆时不返浆且溶蚀裂隙大，采用水泥浆灌注；若不返浆且溶蚀裂隙小时，采用水泥浆掺砂灌注，直至回浆且压力≥1Mpa，待凝时间不小于8h；

(2)若有返浆且压力≥1Mpa，出现回浆，利于孔内充分循环，按水与灰比为3：1的水泥浆开灌，根据规范要求进行浆液变换至比级大的浆液，当注入率大于30L/min或者单位注入干耗量超过500kg/m，采用水泥与粉煤灰混合浆液灌注，首次灌注7.5～10t干灰量后，待凝时间不小于8h；

(3)待凝后复灌，采用水与灰比为3：1的水泥浆，当出现压力和注入率与待凝前相近，即改用待凝前的水泥与粉煤灰混合浆液灌注，在出现回浆的情况下灌注干灰量7.5～l0t后，按以下方法掺加水玻璃灌注且待凝时间不小于8h：

1)灌注水泥浆与水玻璃混合浆液；

2)采用水玻璃和水泥浆分开灌注，先灌注200L水玻璃，再灌注比级0.5:1的水泥浆400L；

(4)在灌浆过程中，有压力升高的情况下，按0.5Mpa分级升压。

6.3、所述无充填或半充填型溶洞的灌浆方法如下：

(1)溶洞小，掉钻0.5m以下，采用水泥浆掺砂，采用孔口加砂，掺砂量按水泥量的50％、70％、l00％灌注，待出现回浆后采用以下方法进行处理：

1)出现回浆后，采用水泥与粉煤灰混合浆液灌注，干灰量达7.5～10t后，掺加水玻璃灌注，待凝时间不小于8小时；

2)待凝后复灌，采用水与灰比为3：1水泥浆，出现压力和注入率与待凝前相近，即改用待凝前水与灰比的水泥浆灌注；当出现回浆，用干灰量7.5～10t掺加水玻璃灌注，待凝不小于8小时；

(2)溶洞大，掉钻0.5m以上，扩大孔径，回填自密实混凝土或高流态混凝土，或采用碎石与混凝土交换回填，回填饱和后，再进行灌注，使用水泥浆或水泥与粉煤灰混合浆。

6.4、遇有塌孔、涌水孔段的施工方法

(1)塌孔

塌孔段若为软弱地层(如粘土等)、破碎岩层，应根据实际情况缩短段长灌注。

塌孔段若为砂层，应根据塌孔情况和砂层厚度确定段长，通常为2m，采用清水冲洗，直到返水清洁后采用纯水泥浆灌注，避免灌注入水泥砂浆。

(2)涌水孔段

1)在有涌水的孔段，灌浆前需测记涌水压力和流量，通过采取缩短段长、加大灌浆压力、纯压式灌注、PVC管代替射浆尾管下入孔段灌注，掺加速凝剂、延长持续灌浆时间和待凝时间等控制措施来确保此类灌浆孔的施工质量效果。

2)灌浆过程中，每隔10～15min测定一次浆液浓度。当发现回浆变浓时，应加强浆液浓度检测的频率，并形成记录。回浆变浓时，灌浆应换用相同水与灰比为的新浆进行灌注，若效果不明显，延续灌注30min，即停止灌浆。

3)提高灌浆压力；提高结束标准，必须进行屏浆4小时以上，以遏止涌水；涌水未停止时，采用闭浆作为屏浆的补充手段，闭浆待凝24～48小时。

6.5、施工过程中保持灌浆的连续性，避免随意中断，一旦中断，要及时恢复灌浆，

隘口水库坝基属典型的喀斯特地貌，通过平洞开挖、防渗帷幕先导孔钻孔及电磁波CT探测等手段探明坝基防渗线部位地层岩溶极为发育，其中右岸及河床线岩溶率分别高达20.90％和31.32％，且以粉砂质粘土充填为主。其中：河床段的∈3m地层最为发育，主要分布高程为470～380m，分布深度达100多米，且以小于3m高度为主。右岸发育多个溶洞或溶洞群，最大的空腔体积大于4万m³。隘口水库在左右岸三层灌浆平洞布置了防渗帷幕，防渗幕体长1383m，工程量为15万m，最大灌浆压力3.5MPa，最大孔深201.37m。秀山隘口水库工程采用上述施工方法，使工程按期具备了蓄水条件，经过经济成本计算分析，降低工程成本1000万元，缩短建设工期8个月，经济效益显著。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。