純壓式深孔巖溶帷幕灌漿技術(shù)

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

在國(guó)內(nèi)水電帷幕灌漿中，多采用小段長(zhǎng)孔口封閉循環(huán)灌漿法，而在礦山帷幕灌漿中，若防滲標(biāo)準(zhǔn)相較水利帷幕灌漿低時(shí)，為了節(jié)約漿材、減少上部試段受灌次數(shù)，可采用純壓式灌漿。武宣防護(hù)盤龍鉛鋅礦東帷幕工程根據(jù)巖溶發(fā)育類型、成本及工期管理需要，采取純壓灌漿方法，同時(shí)比較礦山和水利行業(yè)的帷幕灌漿要求，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在規(guī)范互適、鉆孔偏斜控制、巖溶處理等問題上總結(jié)出了可靠經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。

1 工程概況

武宣防護(hù)盤龍鉛鋅礦東帷幕工程布置在大嶺礦段東側(cè)2號(hào)勘探線上，旨在防止大藤峽庫(kù)區(qū)蓄水后，黔江回水位上漲，威脅附近礦區(qū)生產(chǎn)安全。帷幕在平面上主要阻隔東部黔江地下水補(bǔ)給，南以泥盆統(tǒng)郁江組(D1y)為隔水層，北以下泥盆統(tǒng)二塘組(D1e)為相對(duì)隔水層，軸線全長(zhǎng)1308m，基巖面作為幕頂，-125m標(biāo)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?？辈旖Y(jié)果表明，區(qū)域碳酸巖廣泛發(fā)育，溶蝕作用明顯，遇巖溶概率高。東帷幕巖溶發(fā)育分帶情況見表1。

表1 東帷幕巖溶發(fā)育分帶

2 工程特點(diǎn)

盤龍東帷幕灌漿工程兼具水利、礦山帷幕灌漿特點(diǎn)，水利、礦山兩種規(guī)范互適，對(duì)灌漿技術(shù)、思路拓展、行業(yè)互通等具有重要意義。

2.1 孔深距大

傳統(tǒng)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(guān)鐵礦帷幕灌漿最深孔達(dá)810m[1]，本工程對(duì)孔斜要求嚴(yán)格，成孔偏斜率小于終孔孔深的1%。因此，對(duì)灌漿技術(shù)要求很高，在溶蝕強(qiáng)度高的區(qū)域，超深孔難以采取自上而下孔口封閉灌漿。

2.2 防滲標(biāo)準(zhǔn)

大多礦山灌漿采取的防滲標(biāo)準(zhǔn)較低，帷幕能起到一定阻水作用即可。本工程較為嚴(yán)格，采取5Lu質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧中金嶺南礦區(qū)實(shí)際滲排水流量效果，具有較大施工難度。

2.3 充填溶蝕

先導(dǎo)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(tuán)礫狀、砂狀。巖芯表明鐵錳質(zhì)沉積明顯，節(jié)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(zhì)化，溶蝕強(qiáng)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(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有泥沙狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)充填。

3 純壓式灌漿工藝

在帷幕灌漿中，以有無(wú)漿液循環(huán)為依據(jù)，將灌漿方式分為純壓式和循環(huán)式兩類，其中循環(huán)式灌注效果最好，適用于較為嚴(yán)苛的1～5Lu防滲標(biāo)準(zhǔn)，考慮到巖溶裂隙發(fā)育較為密集和節(jié)約漿材兩個(gè)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(shè)備配置

3.1.1 鉆灌機(jī)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(jié)束后，采取無(wú)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(zhuǎn)鉆機(jī)難以滿足施工要求，因此，東帷幕工程選用XY-44型巖心鉆。對(duì)于灌漿泵，選取黑旋風(fēng)3SNS型灌漿泵即可，其流量波動(dòng)較小，流量不均勻系數(shù)為1.04，國(guó)內(nèi)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(chǔ)漿設(shè)備

工程選用一套智能綜合制儲(chǔ)漿系統(tǒng)，可根據(jù)設(shè)計(jì)配合比，自動(dòng)投料、攪拌，根據(jù)作業(yè)單元需要，輸送至各制漿中轉(zhuǎn)站，由中轉(zhuǎn)站泵送至灌漿機(jī)組。單一灌漿機(jī)組按照“4臺(tái)巖心鉆機(jī)，2臺(tái)灌漿泵”配設(shè)，因此，須設(shè)置獨(dú)立儲(chǔ)漿罐，容量不小于600L,滿足水泥漿液、水泥黏土復(fù)合漿液儲(chǔ)灌需要。

3.1.3 灌漿方法

純壓式灌漿根據(jù)所選灌漿泵種類差異，也有兩種方法，當(dāng)采用變流量灌漿泵時(shí)，只須配設(shè)一套進(jìn)漿管(見圖1)，受成本因素制約，國(guó)內(nèi)一般不采用。采用定流量泵時(shí)，須分別配設(shè)一套進(jìn)回漿路(見圖2)，國(guó)內(nèi)3SNS泵即可滿足要求，東帷幕工程選B型方案，A方案相對(duì)節(jié)約漿材，但B方案設(shè)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(wú)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(duì)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(duì)幾項(xiàng)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

3.2.1 灌漿壓力及段長(zhǎng)

灌漿壓力主要由試段深度、靜水位及設(shè)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?？咨钤?～50m區(qū)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(dòng)明顯，灌漿壓力可適當(dāng)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(zhǎng)多為2～5m，試段過長(zhǎng)會(huì)影響效果，但在礦山灌漿中，較為靈活。溶洞發(fā)育區(qū)段長(zhǎng)3～10m，斷層破碎帶5～20m；裂隙發(fā)育區(qū)段長(zhǎng)10～20m；裂隙不發(fā)育區(qū)段長(zhǎng)20～40m。其他地質(zhì)缺陷部位可適當(dāng)縮短段長(zhǎng)，靠近終孔段如巖體較完整，地質(zhì)條件較好，可適當(dāng)增加段長(zhǎng)。在純壓灌漿的條件下，采取較大段長(zhǎng)，須謹(jǐn)慎對(duì)待。

3.2.2 漿液變換

東帷幕工程純水泥漿液共有5級(jí)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(jí)，根據(jù)灌前壓水透水率情況，當(dāng)透水率在5～10Lu時(shí)，開灌比3∶1，當(dāng)透水率在10～50Lu時(shí)，開灌比2∶1，當(dāng)透水率大于50Lu時(shí)，開灌比1∶1。

在漿液比級(jí)變換方面，同水利灌漿有較大差異，設(shè)計(jì)要求當(dāng)某一比級(jí)漿液的注入量已達(dá)10m3以上或灌漿時(shí)間已達(dá)30min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，應(yīng)改濃一級(jí)，或者當(dāng)注入率大于150L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃[4]。在實(shí)際施工中，受灌漿泵排量和施工實(shí)際情況限制，某一比級(jí)漿液注入量達(dá)到10m3或注入率大于150L/min難以實(shí)現(xiàn)，造成漿液變換困難，稀漿注入量較多。

當(dāng)采取水泥黏土復(fù)合漿液灌注時(shí)，只有1級(jí)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(duì)帷幕質(zhì)量影響程度相對(duì)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(huì)影響帷幕有效搭接。礦山帷幕灌漿對(duì)孔斜的控制標(biāo)準(zhǔn)近似于勘察工程標(biāo)準(zhǔn)，較為嚴(yán)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(xiàng)目，采取了加長(zhǎng)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(jù)灌前壓水情況，判斷地層情況，選取合適漿液進(jìn)行灌注，當(dāng)滿足正常灌漿結(jié)束條件時(shí)，即可完成該試段灌漿任務(wù)，進(jìn)入下一段鉆灌環(huán)節(jié)。東帷幕工程考慮到帷幕實(shí)體質(zhì)量，為了檢驗(yàn)本試段灌漿情況，在正常結(jié)束后或其他特殊情況，當(dāng)滿足灌后壓水實(shí)施條件時(shí)，即指當(dāng)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(jié)束)，須進(jìn)行該流程。灌后、灌前壓水全部采用單點(diǎn)法，當(dāng)灌后壓水透水率較大或注入率過高，難以升壓時(shí)，須進(jìn)行復(fù)灌。在實(shí)際施工中，巖溶發(fā)育地帶單次灌漿難以結(jié)束，當(dāng)達(dá)到結(jié)束條件時(shí)，進(jìn)行灌后壓水，結(jié)果表明，多數(shù)情況仍須繼續(xù)灌注。

3.3 效果分析

帷幕灌漿單元或分部工程結(jié)束后，須對(duì)其灌注效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)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(jìn)而考察工藝技術(shù)的合理性，及時(shí)提出解決方案。

根據(jù)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(duì)Ⅰ序孔遞減率為30.17%，上游排帷幕孔Ⅱ序孔透水率相對(duì)Ⅰ序孔遞減率為3.72%，上游排總平均透水率相對(duì)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(duì)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(duì)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(tǒng)計(jì)

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(shì)，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(biāo)準(zhǔn)的段次不在少數(shù)，說明地層可灌性較好。實(shí)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(duì)該情況重點(diǎn)關(guān)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(huán)節(jié)可直觀感受外，其他數(shù)據(jù)都須依靠?jī)x表測(cè)量，整個(gè)作用過程也無(wú)法肉眼觀察，孔內(nèi)情況較難控制，因此就會(huì)發(fā)生各種各樣的特殊情況。

3.4.1 地表冒漿及抬動(dòng)

東帷幕工程覆蓋層厚度分布在10～27m之間，不在受灌范圍內(nèi)，因此在基巖靠近覆蓋層部分灌漿時(shí)，易發(fā)生地表冒漿、抬動(dòng)現(xiàn)象[5]。此時(shí)，記錄儀數(shù)據(jù)會(huì)顯示注入率持續(xù)升高，壓力突然下降。檢查灌漿塞有無(wú)卸壓栓塞，并在灌漿孔周圍查找滲漏點(diǎn)，確定冒漿后，應(yīng)降低壓力，限制流量，必要時(shí)越級(jí)增濃漿液。發(fā)生抬動(dòng)后，應(yīng)停止灌注，以防抬動(dòng)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(jìn)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(tài)，或在灌漿壓力作用下，發(fā)生劈裂，產(chǎn)生具有連通作用的通道，當(dāng)該孔正在灌漿時(shí)，漿液即可通過地下通道串至鄰孔。發(fā)生串漿時(shí)，若孔序、高差條件滿足，可同時(shí)對(duì)串漿孔和灌漿孔進(jìn)行灌漿，當(dāng)條件不具備時(shí)，應(yīng)用機(jī)械塞對(duì)串漿孔進(jìn)行封堵，灌注較濃漿液后，進(jìn)行待凝。

3.4.3 孔內(nèi)事故

孔內(nèi)事故是鉆灌過程中常見問題，超深孔灌漿時(shí)，更為顯著，包括埋鉆、燒鉆、栓塞、鉆具卡斷等。處理孔內(nèi)事故時(shí)應(yīng)注意方法，正確使用吊錘、撈矛等工具，鉆孔作業(yè)前，檢查鉆桿異徑接頭有無(wú)裂紋、變形等金屬疲勞損傷，在鉆進(jìn)過程中，注意沖洗液循環(huán)流量變化。同時(shí)，對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行內(nèi)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(nèi)漿液沉淀

采用純壓式灌漿，注漿管距孔底較遠(yuǎn)，漿液不能循環(huán)。長(zhǎng)時(shí)間灌注時(shí)，漿液會(huì)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(xiàn)為注入率突然降低，注入率曲線出現(xiàn)陡坡，這是純壓式灌漿的弊端。因此，須盡可能縮小試段長(zhǎng)度，并提升灌漿壓力，利用劈裂效應(yīng)，使?jié){材擠入裂縫，同時(shí)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(fēng)化、溶蝕作用強(qiáng)烈，造成帷幕幕體上部復(fù)灌次數(shù)較多，容易發(fā)生冒漿、抬動(dòng)等特殊情況。對(duì)于此類問題，應(yīng)考慮改變漿液材料，使用膏狀漿液灌注，同時(shí)加密孔距，或者采取袖閥管灌漿[6]技術(shù)，對(duì)接觸段專門處理。

4.3 充填型巖溶發(fā)育

充填型巖溶區(qū)的砂化、泥化灰?guī)r充填物易受溶蝕作用影響，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，透水性較好。鉆灌試段遇到該地層時(shí)，灌前透水率較大，使用水泥黏土復(fù)合漿液灌注時(shí)，很難一次灌注成功，滿足結(jié)束條件，個(gè)別孔段復(fù)灌多達(dá)20數(shù)次，嚴(yán)重制約工程進(jìn)度，同時(shí)，漿液擴(kuò)散范圍較廣，造成漿材浪費(fèi)的同時(shí)，很難保證帷幕質(zhì)量。因此，須對(duì)該種地層進(jìn)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。