導流洞圍巖巖溶系統灌漿處理快速施工技術

王 勇，李 麗

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

1 工程概況與地質條件

某水利工程導流洞位于涪江右岸，洞長120m，圍巖地質條件較差，周邊發育有多個巖溶系統，在導流洞施工過程中已經對洞室周邊巖溶系統采取了清挖、回填混凝土、回填灌漿等方法進行處理，保證了導流洞施工導流需要。為保證水庫正常下閘蓄水，保證水庫下閘后工程安全，設計單位提出對導流洞前段周邊巖溶系統采取固結灌漿處理，以截斷巖溶滲漏通道，切斷上下游水力聯系，保證導流洞封堵體（堵頭）正常施工，后期水庫正常運行。

導流洞封堵體前段固結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，固結灌漿在地表鉆孔，要求對EL610高程以下基巖進行固結灌漿處理。該部位固結灌漿位于壩橫0＋550～0＋600段、壩縱0－002．0～0－027．0范圍內，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排固結灌漿孔位于邊坡上，邊坡傾角約為70～80°不等。

導流洞圍巖以硬質灰巖為主，巖溶發育，據勘察資料顯示，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 設計要求

固結灌漿采用矩形布置，間排距3．0m，共布置9排92個灌漿孔，鉆孔開孔孔徑為130mm，終孔孔徑不小于76mm。為節約工程投資，控制漿液控制范圍，每個灌漿孔只要求對EL610～576m高程范圍內的孔段進行灌漿處理，EL610m高程以上孔段下設護壁套管，以隔離巖上部巖溶空腔。灌漿施工采用孔口封閉、孔內循環、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，排內分二序孔施工，灌漿段長5．0m，每排導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，灌漿過程應連續，中間不得停等待凝，直至灌漿結束。檢查孔透水率要求小于5Lu。

3 固結灌漿施工

3．1 施工難點

（1）邊坡上施工，設備搬遷難度大；

（2）工程量大，鉆孔工程量6200m，且有斜孔，腳手架上施工，工作場面狹小，工期短（時間1個月）；

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

（4）注漿質量不易控制。因導流洞山體內巖溶發育，孔內漿液易于流失，需要采取技術措施，控制漿液擴散，即要保證灌漿效果，又要避免漿液浪費。

3．2 鑲孔口管

采用Ф130mm鉆頭開孔，鉆進至基巖2．0m后下設Ф127mm護壁管，再采用Ф91mm鉆頭鉆進，鉆進至EL610高程后鑲鑄Ф89mm孔口管；在鉆進過程中遇大的巖溶空腔立即停止鉆進，采用Ф110mm鉆頭擴孔直至巖溶空腔，下設Ф108mm護壁管，然后繼續采用Ф91mm鉆頭鉆進。造孔完成后向孔內注入0．5∶1水泥漿，鑲鑄Ф89mm孔口管，待凝24h后進行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；固結灌漿檢查孔孔徑≥76mm。

（2）鉆孔機具及鉆進參數：根據特殊的地質條件，綜合對比地質鉆機回轉鉆進和潛孔錘鉆進的特點，為滿足工期要求，確定采用液壓鉆機沖擊回轉鉆進工藝，鉆機選用無錫探礦機械廠生產的YG－60型工程鉆機，該型鉆機為全液壓動力頭式鉆機，鉆機結構為分體式，全液壓驅動，可實現無級調速，操縱簡單，并可遠距離操縱，具有維修保養方便，可拆性好，搬遷、安裝迅速方便，適合合金回轉鉆進、螺旋鉆進、潛孔錘鉆進、跟管鉆進多種鉆進工藝方法。

鉆機主要技術參數

潛孔錘（沖擊器）選用QCW80、QCW90型無閥式風動沖擊器，該沖擊器具有結構簡單、性能優良、工作可靠、維修方便、耗風量低、能量利用率高等特點。該沖擊器在中高風壓時效率很高，取得了較好的鉆進效果。

（3）鉆進主要技術參數：鉆進技術參數的選擇是潛孔錘鉆進的一項關鍵問題，其合理與否直接影響鉆進效率和經濟效益。主要鉆進技術參數包括風量、風壓、鉆壓和轉數等。

①風量：要根據空壓機和潛孔錘的性能合理確定風量。為使潛孔錘正常工作且能排除巖粉，鉆桿和孔壁環狀間隙之間的最低上返風速要求不小于15m／s。如風量偏小，難以排除孔內巖粉，易形成重復破碎，從而影響鉆進效率。

風量確定公式為：Q＝VS，式中：Q為空壓機風量，m3／min；V為排渣上返風速，m／min；S為鉆桿與孔壁環狀空間面積，m2。假定V為900m／min，裸眼孔徑為110mm，鉆桿外徑為89mm，則風量應為2．95m3／min。

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

③鉆壓：從潛孔錘的碎巖機理來看，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揮作用的輔助力。對某一直徑的潛孔錘來說，鉆壓有一個合理范圍。本工程采用鉆壓控制在9～10kN范圍內。

④轉數：為使潛孔錘的沖擊功有效地傳到孔底，鉆具的轉數應按潛孔錘的沖擊頻率和所鉆巖石的性質來決定，它存在最優沖擊間隔。鉆具有轉數和沖擊頻率的配合，應使切削具在最優沖擊間隔的條件下工作。最優轉角、轉數與沖擊頻率之間的關系為：A＝360n／f，A 為 最優轉角，（°）；n為鉆 具轉數，（r／min）；f為沖擊頻率（次／min）。如最優轉角取11°，沖擊頻率為600次／min，可得轉數為18r／min；當沖擊頻率為1000次／min時，則轉數為31r／min。

（4）鉆孔偏差控制：鉆孔孔位必須滿足設計要求，控制開孔精度，把好開孔關?？诇\時加接鉆鋌，孔深時加鉆桿扶正器，扶正器長度不小于6m。嚴格按照規定的技術參數操作，每次下鉆，應先送風，待鉆頭在底面沖出小孔再輕壓回轉鉆進。鉆進風化層、破碎帶時，適當降低鉆壓，確保鉆孔垂直度。鉆進過程中應保持鉆孔環狀間隙暢通無阻。如遇坍塌掉塊現象，應反復提動鉆具，強行吹風沖擊，把掉塊擠碎吹出孔外。如發現偏斜過大，要及時采取糾偏措施。

（5）鉆孔時注意事項及特殊情況處理：嚴格按照鉆進技術參數操作，不能盲目追求進尺以防孔內事故發生。要隨時觀察氣壓表，如發現壓力急劇上升或下降，應立即提鉆，查明原因，排除故障。鉆進中如發現鉆桿抖得厲害，說明遇到破碎帶或較大裂隙，應立即提動鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過，防止造成鉆桿折斷等事故。如發現孔口不返氣、進尺緩慢，說明遇到大裂隙或溶洞，應反復上下提動鉆具進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。鉆進中應經常注意潛孔錘的沖擊工作聲響，如發現沖擊頻率變低或不穩定，則潛孔錘出現異常，應立即提鉆處理?；卮谓Y束后應上提鉆具0．3～0．5m進行強吹孔，待孔口不返巖屑時，才可停風加接鉆桿。停風時應緩慢關閉送風閥，不可突然中斷供風，防止潛孔錘倒吸巖粉，造成堵塞。下鉆時應邊回轉邊下放，當鉆具接孔底時應放慢速度。應經常保持孔底清潔，當鉆進中孔內巖粉過多時應進行專門吹孔。

3．4 鉆孔沖洗及壓水試驗

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

灌前簡易壓水：沖洗壓力為0．8MPa，沖洗至回水清潔時止，簡易壓水壓力為0．8MPa。壓水20min，每3min測讀一次壓入流量，取最后的流量值作為計算流量。

在巖溶、大斷層、遇水軟化等地特殊孔段，不進行裂隙沖洗和灌前簡易壓水。

3．5 灌漿

（1）灌漿材料

①水泥：灌漿采用普通硅酸鹽水泥，強度等級42．5，細度滿足規范要求。

②水：灌漿用水使用涪江水，通過供水系統供應至施工現場，經檢測符合規范要求。

③天然砂，細度模數不大于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攪拌，純水泥漿液的攪拌時間應不少于30s，自制備至用完時間宜小于4h，水泥砂漿的攪拌時間不應小于2min，自制備至用完時間不宜大于4h。

（3）灌漿方法

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

（4）灌漿段長及灌漿壓力

該部位固結灌漿段長均為5．0m，灌漿壓力為1．0MPa。

（5）漿液變換

①灌漿漿液濃度應由稀到濃，逐級變換。本工程固結灌漿漿液水灰采用3∶1、2∶1、1∶1、0．5∶1四個比級。開灌水灰比采用3∶1。

②當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率不變而壓力持續升高時，不得改變水灰比。

③當某一比級漿液的注入量已達300L以上或灌注時間已達1h，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級漿液灌注。

④當注入率大于30L／min時，可根據具體情況越級變濃。

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

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

（6）灌漿結束標準

在設計壓力下，當注入率不大于1L／min時，繼續灌注30min后結束灌漿。

（7）封孔

灌漿孔采用“置換和壓力灌漿封孔法”進行封孔。灌漿結束后，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行閉漿1小時；待孔內漿液凝固后，將孔內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，發現地表冒漿，采用鑲縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進行處理。

（2）灌漿過程中發生串漿時，采用以下方法處理：

①如被串孔正在鉆進，要立即停鉆。

②串漿量不大于1L／min時，可在被串孔內通入水流。

③串漿量較大，在串漿孔具備灌漿條件時，盡可能與被串孔同時進行灌漿，應一泵灌一孔。否則應將串漿孔塞住，待灌漿孔灌漿結束后，串漿孔再行掃孔、沖洗，而后繼續鉆進或灌漿。

（3）灌漿工作因故中斷，按照下述原則處理：

①盡可能縮短中斷時間，及早恢復灌漿。

②若中斷時間超過30min，則要沖洗鉆孔，如無法沖洗或沖洗無效，則應進行掃孔，而后恢復灌漿。

③恢復灌漿時，如注入率與中斷前的相近，即可改用中斷前比級的漿液繼續灌注。

④恢復灌漿后，如注入率較中斷前的減少很多，且在短時間內停止吸漿，應采取補救措施。

（4）對注入量大，當某一孔段注入最濃級漿液達2t后灌漿仍難以結束時，開始摻砂灌注，為了保證巖溶系統的完成充填，在進行摻砂灌注過程時需連續進行，直至注入率有明顯變化趨勢，壓力有所回升，采用0．5∶1水泥漿進行灌注直至達到結束標準。

4 小結

在施工場面受限制，工程量大，時間緊，任務重，施工難度大的情況下，通過在施工過程中采用適當的措施，經過30天的施工，共計完成鉆孔6400m，注入水泥6300t，灌注砂2200t，圓滿完成了施工任務。后期布設質量檢查孔4個，第三方檢測機構布設質量檢查孔2個，通過鉆設檢查孔，采取到大量水泥結石心樣，導流洞頂部充填密實，壓水試驗采用單點法，各孔段壓水試驗結果完全滿足設計要求。

歸納本工程經驗主要有以下幾點：一是鉆孔工藝選擇。選用沖擊回轉鉆孔工藝，使用風動潛孔錘造孔，工效很高，解決了地質鉆機成孔慢的問題，特別是上部存在較大巖溶空腔區域，如采用地質鉆機鉆孔存在漏漿不返水問題，解決了成孔問題，單機正常純機械鉆速可達15m／h，受地質條件影響，存在擴孔、處理孔內事故時間，影響了鉆進效率，但較地質鉆機金剛石回轉鉆進工效提高幾倍，盡管漿液注入量大，但是因成孔速度快，保證了灌漿作業時間。二是采用套管隔離上部巖溶通道。通過鑲鑄隔離套管，阻斷了上部巖溶區域的滲漏通道，不僅減少了上部的漏漿問題，而且也節省了材料浪費和灌漿時間。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，逐序向內加密，在特殊地質條件下如斷層、溶洞和特大漏漿部位，在水泥漿液中摻入質地堅硬的天然細砂或投入細石，減少漿液擴散范圍，同時使灌漿區形成相對封閉區域，切斷與外部的滲漏通道，使灌漿區域內的巖溶處理隨著灌漿的進行逐步得到擠密，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，符合灌漿規律，遇特殊情況時，采用預定處理措施，及時解決灌漿過程中出現的問題，保證了施工的正常進行，最終經質量檢查，工程質量完全滿足設計要求。四是組織保障得力。在開工以前，作了充分的準備工作，人員、材料、設備的組織配置到位，并對施工中可能出現的問題作出了預測，制定了切實可行的措施，保證了施工的正常進行。

沖擊回轉鉆進是一種成熟的技術，盡管設備一次投入成本較高，特別是空壓機采購原值高，并且動力燃料消耗大，但憑借其高工效和較低生產成本的優勢，已經逐步推廣開來，在水電灌漿規范中已經取消了對風動沖擊器使用的限制，如能進一步解決好施工中的防塵除塵問題，相信在以后的基礎處理施工中會得到廣泛應用。