CN101338563B - 套管灌浆法及其灌浆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套管灌浆法及灌浆装置，该套管灌浆法依次包括以下步骤：跟管钻孔及护壁套管的埋设、灌浆装置的组装、孔底段灌浆、第一次起拔护壁套管、覆盖层起始段的灌浆、覆盖层连续段的灌浆以及孔口回填。该灌浆装置包括螺杆泵、输浆管、连接套管、护壁套管和拔管器，孔口处的护壁套管沿出力方向套入拔管器中，护壁套管顶部与连接套管一端相连，连接套管另一端安装有带压力表的密封盖头，密封盖头一侧有一突出管头，该突出管头与输浆管一端连接，输浆管另一端与螺杆泵连接。本发明综合了现有施工方法的优势，并去其不足，既保证了灌浆质量，又简化了灌浆工序，确保了施工进度，为在松散覆盖层中进行灌浆提供了一种新的途径。

Description

套管灌浆法及其灌浆装置

技术领域

本发明涉及一种在土石松散层中进行灌浆的施工方法，尤其涉及一种利用护壁套管作为注浆管的灌浆施工方法及灌浆装置。

背景技术

目前，在水利水电工程中，对于覆盖层的基础处理(基础防渗或基础固结)，主要采用孔口封闭灌浆法、钻杆灌浆法及在套管内另设注浆管灌浆法，其主要特点分别如下：

(1)孔口封闭灌浆法是指先在覆盖层中钻孔一事实上深度(一般3m左右)后，埋设孔口管，以下按照自上而下分段灌浆(钻一段灌浆一段)的施工方法。灌浆方法是在孔口管上方套孔口封闭器，孔内利用钻杆作进浆管进行孔内循环灌浆或纯压灌浆，采用用该灌浆方法能确保孔内受灌地层达到一定的灌浆压力，确保灌注地层的密实性，从而确保灌浆质量，但施工中由于孔壁的不稳定性，钻孔灌浆过程中容易塌孔，往往需多次反复，才能完成一段的灌浆，造成施工进度迟缓。孔口封闭灌浆法的灌浆装置是孔口封闭器，孔口封闭器对灌浆中活动钻杆、灌后提升拆卸钻杆都有一定的妨碍。

(2)钻杆灌浆法是指一次性钻至终孔，不起钻，直接利用钻杆作进浆管，自下而上进行灌浆，灌完一段，钻杆提升一段。采用这种方法虽不存在由于塌孔而造成反复的现象，施工工序较为简单，施工工效高，但由于钻杆与孔壁的空隙大，浆液容易从孔口冒出，不能达到一定的压力要求，灌浆质量难以保证。钻杆灌浆法的灌浆装置是钻杆，钻杆难以密封，对达到要求的灌浆压力有一定的限制。

(3)套管内另设注浆管灌浆法是指钻至终孔起钻后，将直径较小的灌浆管下入套管内，利用孔口装置将套管与灌浆管之间的间隙封闭，孔内可以达到一定的压力要求，但此种工艺由于套管内灌浆管较小，难以进行灌注浓浆、膏浆，灌浆效果不理想，且此工艺相对复杂，操作步骤繁琐，工效较低。套管内另设注浆管灌浆法的灌浆装置是封闭器与灌浆管，该装置主要是灌浆管管径较小，难以灌注浓浆、膏浆等浆液。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种施工工艺简单、施工进度快、灌浆质量和灌浆效果好的套管灌浆法，还提供该套管灌浆法中用到的一种灌浆装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种套管灌浆法，包括以下施工步骤：

1、跟管钻孔及护壁套管的埋设：灌浆前先利用跟管钻进技术进行钻孔至设计孔深，钻孔采用的机械可为锚杆钻机，钻进时钻头带动护壁套管进入孔内，终孔后取出钻头及钻杆，护壁套管留入孔内；所述护壁套管由多节子管通过螺纹连接而成，钻杆也是由多节子杆通过螺纹连接而成，每节子管与子杆的长度相匹配，每钻进一节子管(或子杆)的长度后，在孔口加接一节子管和子杆，直至孔底；

2、灌浆装置的组装：采用跟管钻进技术完成钻孔以后，先将拔管器移至孔口上方，孔口处的护壁套管套入拔管器出力方向，并在孔口护壁套管上方加接一连接套管，在连接套管管口安装带有压力表的密封盖头，密封盖头一侧有一突出管头与输浆管一端相连，输浆管另一端连接螺杆泵，灌浆装置组装完成；

3、孔底段灌浆：先在护壁套管内注满已配制好的浆液，再将套管提出基岩(提出的高度一般可为1.0m)，采用纯水泥浆进行基岩段灌浆直至灌浆结束；

4、第一次起拔套管：孔底段灌浆结束后，在保持一定压力(一般为0.2～0.5MPa)继续灌浆的同时利用拔管器缓慢拔动护壁套管，当拔管长度达到单节子管长度，或出现压力骤然下降或消失时，停止拔管，继续进行灌浆；当要取出拔管器上方拔出的护壁套管的子管时，灌浆应暂时中止；

5、覆盖层起始段的灌浆：在覆盖层起始段进行灌浆时，先采用浓的纯水泥浆灌注，在灌注量达到300L以上，且压力和注入率均无明显变化时，改用较稀的水泥膏浆灌注；当水泥膏浆灌注量达到500L以上，且压力和注入率均无明显变化时，改用较浓一级水泥膏浆灌注；反复灌注直至灌完最浓一级水泥膏浆(一般可采用7级浓度的膏浆逐级灌注)；

6、覆盖层连续段的灌浆：覆盖层连续段灌浆过程中，每一次起拔护壁套管、每一节段灌浆即重复上述步骤4、步骤5的施工操作，直至完成覆盖层连续段的灌浆，重复的次数视钻孔长度及灌浆节段长度而定；

7、孔口回填：当最后一节段(靠近孔口)的灌浆结束后，将剩余护壁套管的子管全部拔出，往孔内注入浓浆，直到浆液在孔内不再明显下沉为止，孔口用水泥砂浆抹平，灌浆结束。

上述套管灌浆法中，所述护壁套管的子管的长度为1.0～1.5m，钻杆的子杆长度可以和护壁套管的子管长度相等。

上述套管灌浆法中，所述连接套管一般应伸出拔管器0.2m以上(连接套管的长度一般可设为1m)，且直径与护壁套管相同，与护壁套管通过螺纹连接。

上述套管灌浆法的主要技术参数如下所示：

(1)灌浆压力控制：

I序孔灌浆在覆盖层的最大压力为0.2～0.5MPa，II序孔灌浆在覆盖层的最大压力为0.5～0.8MPa；各灌浆段灌注压力根据建筑物设计要求确定，若3m孔段的灌入量大于10m³，则降低0.05MPa压力；若3m孔段的灌入量大于15m³，则降低0.1MPa压力；孔底段灌浆压力可以为同孔覆盖层中灌浆压力的2倍(一般可保持1MPa左右)，但应根据工程的具体情况确定；

(2)浆液变换标准：

在对每个孔进行灌注之前进行简单注水试验，以了解孔底段地层渗漏情况并决定灌浆浆液；孔底段及在非大块石架空层段，以0.5∶1纯水泥浆开灌；在某级压力下耗浆量大于0.5m³/m，压力仍没有变化时，可变换一次浆液；在灌浆过程中若压力在缓慢上升，不得变换浆液；根据现场实际情况，如块石架空严重、漏量较大，应掺加促凝剂或采用速凝膏浆，以加速膏浆的凝固，或在浆液中掺加纤维材料灌注；

(3)孔底段灌浆结束的标准：

上述套管灌浆法中，在进行孔底段灌浆时，孔底段灌浆结束标准与国家规定的固结灌浆标准相同(见《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148-2001)第6.6.2条)；

(4)覆盖层灌浆结束的标准：

在进行覆盖层灌浆时，每一节段灌浆结束的标准是指至少满足下列条件之一：

(1)当初始灌浆无压力时，灌浆压力达到0.2～0.5MPa，且浆液吸量率小于10L/min；

(2)当初始灌浆有压力时，灌浆压力差达到0.2～0.5MPa，且浆液吸量率小于10L/min；

(3)出现孔口返浆。

特殊施工情况的处理：

(1)对孔间串浆情况可采用多孔同时灌注；

(2)套管法灌浆时，在吸浆量大的孔段，灌浆时间一般较长，为防止护壁套管上拔困难，在灌浆过程中宜每隔10～30min(依浆液配比而定)稍上拔护壁套管；尤其在间歇灌浆期间和灌注速凝膏浆时，必须活动套管，但要保证在提升过程中孔口有压，严禁在无压的状况下起拔套管；当灌浆没有达到结束标准时，提动幅度不宜过大(10cm以内)；未达到设计压力时，累计提升高度不得超过本段段长；在套管法灌浆过程中，没有明显的段长划分，现场记录及资料统计分析时可按单根子管的长度作为段长统计；

(3)当套管被堵时，用地质钻机在套管内扫孔至灌段底以下1.0m，再适当上拔套管后方可灌注，扫孔孔径不得小于原孔径的2/3；

(4)由于速凝膏浆凝结时间较短，早期强度上升快，因此在灌浆过程中要特别注意堵管和堵孔事故的发生；一旦出现堵管迹象，必须立即采用高压风冲洗、人工敲打等措施，清除管道内膏浆，同时立即将螺杆泵清洗干净；

(5)在吃浆量特别大(孔段注入量大于10m³，仍不起压)或地下水流速较快的地层灌注膏浆时，应提高灌入膏浆的抗水流冲释性能和凝结时间，可以考虑在膏浆中加入纤维材料，或多台泵联合集中灌注，或增加膏浆中速凝剂(速凝水泥)的比例。

针对上述套管灌浆法，本发明还提供了一种套管灌浆法中用到的灌浆装置，其特征在于所述灌浆装置包括螺杆泵、输浆管、连接套管、护壁套管和拔管器，所述灌浆装置是以护壁套管作为注浆管，所述护壁套管于孔口处沿出力方向套入拔管器中，护壁套管顶部与连接套管一端相连，连接套管另一端安装有带压力表的密封盖头，密封盖头一侧有一突出管头，该突出管头与输浆管一端连接，输浆管另一端与螺杆泵连接。

上述灌浆装置根据套管灌浆法的特点，引进了大排量的挤压式螺杆泵(或能达到相同工效的其它型号泵)作为灌浆泵。螺杆泵是套管灌浆法灌浆装置的核心组件，为膏浆的传输提供动力。螺杆泵是按迥转啮合容积式原理工作的泵种，主要工作部件是偏心螺杆(转子)和固定的衬套(定子)，两个部件的特殊几何形状分别形成单独的密封容腔，介质由轴向均匀推行流动，其内部流速低，容积保持不变，压力稳定，不会产生涡流和搅动。这种泵可以实现对高粘度流体的输送和含有硬质悬浮颗粒介质或含有纤维介质的输送。

上述灌浆装置的护壁套管与连接套管之间、连接套管与其顶部的密封盖头之间采用螺纹连接方式，密封盖头与输浆管之间、输浆管与螺杆泵之间通过活动接头螺纹连接。所述护壁套管也是由多节子管通过螺纹连接而成。所述连接套管长度一般为1.0～1.5m，以人能够舒适操作为宜。所述各组件间采用螺纹连接的优点主要是拆卸方便，连接牢靠，连接处密封性好，对输送有一定压力的浆液可靠性高。所述密封盖头通过隔浆装置接有压力表，灌浆压力可通过安装在顶部密封盖头上的压力表进行观测。

灌浆时，浆液从螺杆泵上方的漏斗进入螺杆泵，利用螺杆泵的挤压作用，进入输浆管，再进入连接套管进而灌入孔内的护壁套管；由于护壁套管与孔壁之间紧密接触，可起到密封作用，因此浆液在孔内可承受较大的灌浆压力(由于套管和孔壁之间空隙较小，浆液一般不会沿空隙从孔口冒出，若浆液能够从孔口冒出，也说明该段灌浆已基本结束，故孔口毋须再安装密封装置)，以进行自下而上的纯压式灌注，保证灌浆质量。

与现有技术相比，本发明的套管灌浆法综合了现有的三种施工方法的优势，并去其不足，既保证了灌浆质量，又简化了灌浆工序，确保了施工进度，为在松散覆盖层中进行灌浆提供了一种新的途径。本发明的灌浆装置其优点在于：(1)较好地保证了灌浆装置的密封性，使得灌浆压力能够得到保证；(2)安装、拆卸和使用操作都非常的方便；(3)管径适中，能够满足灌注各种浓度浆液的要求；(4)本灌浆装置的设备材料为常用材料的集成体，采购方便，通用性好，如输浆管与高压输风管、水管通用，护壁套管与高压旋喷、锚索等施工的护壁套管通用等，有效地节约了材料，提高了设备利用率。本发明的灌浆装置综合了现有灌浆装置的优势，并去其不足，能够广泛应用于套管灌浆法等施工工艺过程中。

附图说明

图1为本发明灌浆装置的结构示意图；

其中：1、螺杆泵；    2、输浆管；      3、密封盖头

      4、压力表；    5、连接套管；    6、拔管器；    7、护壁套管

图2为图1中A-A处的局部剖视图；

图3为本发明套管灌浆法的施工流程图；

其中(a)为跟管钻孔及护壁套管的埋设；(b)灌浆装置的组装；(c)孔底段灌浆；(d)覆盖层的逐段灌浆；(e)孔口回填。

具体实施方式

实施例：

如图3所示，本发明的套管灌浆法是按以下具体施工步骤进行实施：

1、跟管钻孔及护壁套管的埋设。如图3中(a)所示，灌浆前先利用跟管钻进法进行钻孔至设计孔深(30m)，钻孔采用的机械为锚杆钻机，配冲击器及冲击钻头偏心跟管或同心跟管钻进，钻孔孔径为Φ146(mm)，钻进时钻头带动护壁套管7进入孔内，终孔后取出钻头及钻杆，护壁套管7留入孔内；所述护壁套管7由多节子管通过螺纹连接而成，钻杆也是由多节子杆通过螺纹连接而成，每节子管与子杆的长度相匹配，每钻进一节子管(或子杆)的长度后，在孔口加接一节子管和子杆，直至孔底；本实施例中护壁套管7的每节子管长度为1.5m。

2、本发明的灌浆装置的组装。如图1、图2及图3中(b)所示，灌浆装置包括螺杆泵1、输浆管2、连接套管5、护壁套管7和拔管器6，采用跟管钻进技术完成钻孔以后，先将拔管器6移至孔口上方，孔口处的护壁套管7沿出力方向套入拔管器6中，在拔管器6中的护壁套管7上方加接一根长度约为1.0m且直径相同的连接套管5，两管通过螺纹连接，使连接套管5伸出拔管器0.2m左右，在连接套管5管口安装带有压力表4的密封盖头3，密封盖头3一侧有一突出管头，该突出管头与输浆管2一端相连，输浆管2另一端连接螺杆泵1，得到本发明的灌浆装置。灌浆装置组装完毕后，便可利用钻孔护壁套管7作为注浆管，进行自下而上分段、纯压式灌注。上述灌浆装置的护壁套管7与连接套管5之间、连接套管5与其顶部的密封盖头3之间均采用螺纹连接方式，密封盖头3与输浆管2之间、输浆管2与螺杆泵1之间也通过活动接头螺纹连接。所述护壁套管7也是由多节子管通过螺纹连接而成。

3、孔底段灌浆。如图3中(c)所示，先在护壁套管7内注满已配制好的浆液，再将套管提出基岩1.0m，采用纯水泥浆进行基岩段灌浆。灌浆压力为1MPa(是同孔覆盖层中灌浆压力的2倍)，孔底段灌浆结束标准同国家规定的固结灌浆标准(具体标准见《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148-2001)6.6.2条)。

4、第一次起拔套管。如图3中(c)所示，孔底段灌浆结束后，在保持一定压力(0.2～0.5MPa范围内)继续灌浆的同时利用拔管器6缓慢拔动护壁套管7，当拔管长度达到1节子管长度(套管接头露出拔管座卡瓦上方约0.2m)或出现压力骤然下降或消失时，停止拔管，进行灌浆。

5、覆盖层起始段的灌浆。如图3中(d)所示，在覆盖层中进行灌浆时，先采用浓的纯水泥浆(水灰比为0.5∶1)灌注，在灌注量达到500L，且压力和注入率均无明显变化时，改用最稀一级水泥膏浆(见表一的1号配比值)灌注；当最稀一级水泥膏浆灌注量再次达到500L，且压力和注入率均无明显变化时，改用较浓一级(见表一的2号配比值)水泥膏浆灌注，如此直至达到最浓一级膏浆(见表一的7号配比值)。

表一：膏浆配比表

6、覆盖层连续段的灌浆。此后的每一次起拔护壁套管、每一节段灌浆即重复上述步骤4、步骤5的施工操作，重复19次。在进行灌注时，如果灌浆压力长时间保持在一定范围内，则不得提升护壁套管，需要继续灌注直到压力继续上升为止；如果灌浆压力在0.8MPa以上，则可适当提升护壁套管。

7、孔口回填。如图3中(e)所示，当最后一节段(靠近孔口)灌浆结束后，将剩余护壁套管的子管全部拔出，往孔内注入浓浆，直到浆液在孔内不再明显下沉为止，孔口用水泥砂浆抹平，灌浆结束。

Claims (7)

1.一种套管灌浆法，包括以下施工步骤：

(1)跟管钻孔及护壁套管的埋设：灌浆前先利用跟管钻进法进行钻孔至设计孔深，钻进时钻头带动钻杆及护壁套管进入孔内，终孔后取出钻头及钻杆，护壁套管留入孔内；所述护壁套管由多节子管通过螺纹连接而成；

(2)灌浆装置的组装：将孔口处的护壁套管沿出力方向套入一拔管器中，并在孔口护壁套管上方加接一连接套管，在连接套管管口安装带有压力表的密封盖头，密封盖头上开孔并与输浆管一端相连，输浆管另一端连接螺杆泵，灌浆装置组装完成；

(3)孔底段灌浆：先在护壁套管内注满已配制好的浆液，再将套管提出基岩，采用纯水泥浆进行基岩段灌浆至结束；

(4)第一次起拔护壁套管：孔底段灌浆结束后，在保持压力继续灌浆的同时利用拔管器拔动护壁套管，当拔管长度达到单节子管长度，或出现压力骤然下降或消失时，停止拔管，继续进行灌浆；

(5)覆盖层起始段的灌浆：在覆盖层起始段进行灌浆时，先采用纯水泥浆灌注，在灌注量达到300L以上，且压力和注入率均无明显变化时，改用不同浓度的水泥膏浆灌注；

(6)覆盖层连续段的灌浆：覆盖层连续段灌浆过程中，每一次起拔护壁套管、每一节段的灌浆即重复步骤(4)、步骤(5)的施工操作，重复的次数视钻孔长度及灌浆节段长度而定；

(7)孔口回填：当最后一节段的灌浆结束后，将剩余护壁套管的子管全部拔出，往孔内注入浓浆，直到浆液在孔内不再明显下沉为止，孔口用水泥砂浆抹平，灌浆结束。

2.根据权利要求1所述的套管灌浆法，其特征在于所述护壁套管的子管长度为1.0～1.5m。

3.根据权利要求1所述的套管灌浆法，其特征在于所述连接套管伸出拔管器0.2m以上，且直径与护壁套管相同，与护壁套管通过螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的套管灌浆法，其特征在于：在进行孔底段灌浆时，灌浆结束标准与国家固结灌浆标准相同，孔底段灌浆压力为同孔覆盖层中灌浆压力的2倍。

5.根据权利要求1所述的套管灌浆法，其特征在于：在进行覆盖层灌浆时，每一节段灌浆结束的标准是指至少满足下列条件之一：

(1)当每一节段初始灌浆无压力时，灌浆压力达到0.2～0.5MPa，且浆液吸量率小于10L/min；

(2)当每一节段初始灌浆有压力时，灌浆压力差达到0.2～0.5MPa，且浆液吸量率小于10L/min；

(3)出现孔口返浆。

6.一种套管灌浆法中用到的灌浆装置，其特征在于所述灌浆装置包括螺杆泵、输浆管、连接套管、护壁套管和拔管器，所述护壁套管于孔口处沿出力方向套入拔管器中，护壁套管顶部与连接套管一端相连，连接套管另一端安装有带压力表的密封盖头，密封盖头一侧有一突出管头，该突出管头与输浆管一端连接，输浆管另一端与螺杆泵连接。

7.根据权利要求6所述的灌浆装置，其特征在于所述护壁套管是由多节子管通过螺纹连接而成。

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