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(chǔ)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(shè)置單排帷幕,局部位置設(shè)置 2排或 3排,灌漿工程量約9.6萬m。根據(jù)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(jù)設(shè)計要求,對巖溶區(qū)的基巖灌漿壓力見表 1。

表 1 巖溶地區(qū)基巖防滲帷幕灌漿壓力表

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

表 2 巖溶地區(qū)左岸帷幕巖體透水率表

2 技術(shù)方案的確定及施工重、難點問題分析與解決辦法

(1)技術(shù)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(jié)合水利部孫釗專家及天津基礎(chǔ)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(zhì)構(gòu)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(fā)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(zhì)量,存在漏灌的孔段,從而給安全蓄水帶來很大的質(zhì)量隱患。因此,采取特殊措施確?；鶐r接觸段的灌漿質(zhì)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(fù)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(jié)束(根據(jù)物探結(jié)果(圖 1),該段巖石比較破碎,需要反復(fù)多次復(fù)灌才能達到設(shè)計壓力)。接觸段灌漿正常結(jié)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(jù)常規(guī)溶洞施工方案和資料,對于所發(fā)現(xiàn)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(jù)這種情況,咨詢了數(shù)位專家,根據(jù)專家意見,對于溶洞內(nèi)的充填物不再鉆取,直接根據(jù)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(nèi)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(shè)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(shè)備是加快施工進度,縮短施工周期,增加效益的關(guān)鍵。具體的設(shè)備配置見表 3。

3 施工總體方案的優(yōu)化比選

3.1 常用施工方法的使用條件及優(yōu)缺點

宜興油車水庫左岸基礎(chǔ)防滲主要采用灌漿處理,其中常規(guī)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(shè)備,其強度上升較慢,灌漿待凝時間長,鉆機功效不高,人員、設(shè)備窩工嚴重且操作程序復(fù)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(shè)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(jīng)過輸漿系統(tǒng)管道到達灌漿孔口的攪漿桶內(nèi),由人工將整袋的膨潤土倒入攪漿桶內(nèi)進行攪拌后即可直接灌注,設(shè)備較簡單,但是需多配置一套高速攪漿設(shè)備。

3.2 施工方法的確定

經(jīng)過上述比較且根據(jù)鉆孔資料和物探結(jié)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(huán)灌注結(jié)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(xù)灌注,程序同上;若透水率較小,則根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)

4.1 膏狀漿液的制備及灌漿流程

根據(jù)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(jīng)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(shè)備配置

按灌注膏狀漿液性能需要配置的機械設(shè)備見表4。

表 4 灌注膏狀漿液設(shè)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(shè)備的配置。根據(jù)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(nèi),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(xù)、不中斷。

4.4 鉆 孔

根據(jù)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(xiàn)場普通的地質(zhì)鉆機即可完成鉆孔。鉆孔采用地質(zhì)鉆配備金剛石或硬質(zhì)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(dǎo)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(wěn)機身,輕壓慢轉(zhuǎn)。芯樣的最大長度應(yīng)限制在 3 m以內(nèi)。一旦發(fā)現(xiàn)芯樣卡鉆或被磨損,應(yīng)立即取出。除監(jiān)理人員另有指示,對于長度 1 m或大于 1 m的鉆進循環(huán),若芯樣獲得率小于80%,則下一次應(yīng)減少循環(huán)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(yīng)更換鉆孔機具或改進鉆進方法。

芯樣從巖芯管內(nèi)取出時應(yīng)卸掉鉆頭,緩慢自巖芯管內(nèi)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(nèi)的巖芯牌統(tǒng)一采用塑料牌。每個巖芯箱內(nèi)的巖芯牌必須齊全、樣式統(tǒng)一、填寫清晰。每節(jié)巖芯采用紅油漆準確標識其“鉆次→節(jié)數(shù)/總節(jié)數(shù)”;每箱巖芯應(yīng)在巖芯箱一側(cè)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(guī)灌漿法進行阻塞灌漿,將阻塞器阻塞在套管內(nèi)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(nèi)循環(huán)法”灌注。

4.8 壓力控制

灌漿時應(yīng)盡快達到設(shè)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(yè)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(shè)備、人員分析表

檢查孔在單元工程灌漿結(jié)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(zhì)量檢查按監(jiān)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(fā)現(xiàn)的漏水、掉塊、卡鉆、斷裂構(gòu)造、巖性變化、溶洞等均需做詳細記錄,以便判定巖溶地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況,為巖溶灌漿處理提供依據(jù)。

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(jié)合現(xiàn)場實際的灌注情況,可以得出以下設(shè)備、人員、功效等的分析,具體分析情況見表 7。

經(jīng)過對上述膏狀漿液灌注功效進行分析,在喀斯特地質(zhì)構(gòu)造條件下,溶洞灌漿占據(jù)著 60%以上的工程量,如何進行資源配置和灌注封堵直接關(guān)系到工程施工的工期、施工質(zhì)量和成本。

6 結(jié) 語

根據(jù)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(zhì)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(zhì)量,達到了節(jié)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(chǔ)處理專家孫釗和國內(nèi)膏狀漿液研制者——天津基礎(chǔ)局胡迪煜教授的肯定和認可,上述灌漿技術(shù)措施可以在類似的巖溶地區(qū)加以推廣應(yīng)用。