CN103132528B - 一种化学灌浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质化学灌浆技术。包括钻孔、钻孔冲洗及压水、非灌段隔离、排水、化学灌浆施工、闭浆、水泥置换及待凝和封孔工艺步骤。本发明采用非灌段隔离技术增强了软弱低渗透破碎带化学灌浆的针对性，很大程度上地提高了施工进度和处理效果；采用“风-浆”联合赶水技术摒弃了预灌丙酮，先期驱岩体水的工艺，直接灌注高渗透型环氧树脂灌浆浆液；大量减少了施工现场丙酮存放量，确保了安全；同时由于不再灌注丙酮，大幅度降低了化学灌浆成本及环境污染风险；采用水泥置换技术有效的解决化学灌浆结束后的浆液返渗问题，同时还解决了化学浆液待凝时间过长、不利于跟孔钻进的施工难题，有效的提高了施工效率，同时也降低了人工成本。

Description

一种化学灌浆方法

技术领域

本发明属于建筑基础补强防渗技术领域，尤其属于水利水电大坝地质基础化学灌浆补强防渗技术领域，特别涉及一种地质化学灌浆技术改进。

背景技术

在水电建设施工中，水电站大坝建设的防渗加固是重要的施工工艺。通常大坝抗力体地质条件复杂，抗力体范围内及帷幕线上的可能存在的软弱低渗透破碎带会严重影响大坝的运行安全。在完成抗力体的固结以及帷幕线的帷幕水泥灌浆后，针对软弱低渗透破碎带采用化学灌浆进行后续的补强防渗处理。软弱低渗透破碎带的化学灌浆处理往往补强和防渗兼顾，化学灌浆材料主要采用环氧系列浆材。

而环氧系列浆材在有水情况下，严重影响其固化物物理力学性能。为指导化学灌浆施工，在灌浆前须对灌浆孔段进行单点法压水。压水后能否有效的将孔内积水排出，直接关系着化学灌浆的处理效果。若不排除孔内积水，这些积水的一部分会与随后灌入的化学浆液形成乳浊液，另一部分甚或会直接以水的形式别压入裂隙并停留在其中，这被水稀释的浆液胶凝后不仅使附近岩体的物理力学性能较差，如波速低、变模不高等，无法达到原设计要求的指标，而且对孔隙率本来就不高的被灌体(孔隙率<10％)起了预先“卡位”的作用，让随后到来的纯浆难以灌入，两者皆可造成化学灌浆严重的质量隐患。

采用环氧浆材进行化学灌浆前，排水是施工工艺的重要组成部分。现有孔内排水主要采用预灌丙酮的施工工艺。在灌浆前，采用丙酮将孔内积水挤入地层中。但在孔深很深的帷幕孔洞进行预灌丙酮，由于每孔化学灌浆段次较多，采用丙酮赶水，丙酮耗量巨大，且丙酮燃点较低，现场生产的安全风险大。

另外软弱低渗透破碎带在抗力体范围内及帷幕线上的分布具有不规则间隔分布，埋藏深度较深等特点。化学灌浆将孔段内的软弱低渗透破碎带划分为灌浆段，而其余部分划分为非灌段。

非灌段的划分减少了化学灌浆的处理工程量，可有效地提高化学灌浆的施工处理效率﹑减少化学浆材的浪费，对整个工程的施工进度和处理的经济性具有重要意义。

然而孔段内的非灌段和灌浆段交替并存增加了施工的难度。非灌段的存在增加了灌浆段的段长，影响了灌浆时的灌浆压力和注入率，不利于浆液有效的注入到灌浆范围内，对处理效果具有较大负面影响。对孔段进行灌浆段和非灌段划分后，非灌段不需要进行化学灌浆处理，现有方法在造孔后，将灌浆塞卡在灌浆段段顶非灌段段底可有效越过非灌段。但化学浆材具有高渗透性，且灌浆历时较长，灌浆时出现绕塞返浆等特殊情况后塞不能正常取出。在化学灌浆时，灌浆压力较大，且钻孔孔壁常依附有化灌浆材，常出现滑塞等特殊情况。采用上述方法对非灌段进行隔离，可行性及可靠性较低。

在化学灌浆达到结束标准后，须进行屏浆和闭浆。然而即使屏浆和闭浆后，浆材仍不能达到初凝状态，在进行下一段造孔时，浆液会返渗出地层，影响灌注效果。通常在化学灌浆屏浆和闭浆结束后还须进行待凝，然而根据化学浆材的性能，待凝时间通常较长，严重影响施工效率。待凝后孔内固化的浆材不利于跟孔钻进。扫孔时返出孔内的化学浆材难以收集处理，不利于环境保护和员工的职业健康。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种地质化学灌浆技术。本发明要解决的问题一是提供一种摒弃预灌丙酮施工工艺，结合灌浆钻孔施工过程、更安全、对环境更友好、同时还大幅降低了化学灌浆的材料成本及环境污染风险的新型联合赶水技术；二是在地质化学灌浆中，根据不同灌浆段情况进行非灌段隔离的方法；三是通过浆材置换技术解决了化学浆液的返渗，待凝时间过长、不利于跟孔钻进的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

化学灌浆技术，所述化学灌浆包括钻孔、钻孔冲洗及压水、非灌段隔离、排水、化学灌浆施工、闭浆、水泥置换及待凝和封孔工艺步骤；

所述排水工艺包括：

排水时间：在钻孔冲洗及压水步骤后、化学灌浆施工前进行；

排水准备：在钻孔完成后安装灌浆塞时进行射浆管的安装，射浆管出口须下至孔底；

排水步骤：首先采用送风机具将风从回浆管吹入孔内，打开进浆管，将孔内积水从进浆管排出；然后采用化灌泵将化学浆液从进浆管注入孔内，打开回浆管，用浆液将孔内残留的积水顶出孔外，待积水和浆水混合物排尽孔内返出纯浆后，关闭回浆阀门，开始化学灌浆。

所述非灌段隔离包括非灌段和灌浆段确定和非灌段隔离操作；

非灌段和灌浆段确定：依据地质勘探孔所揭露的断层位置，绘制软弱低渗透带的分布图，根据软弱低渗透带的分布图将孔段内的软弱低渗透带划分为灌浆段而其余部分划分为非灌段；

非灌段隔离操作：孔口段的非灌段采用地质钻机钻进至非灌段段底，用无缝钢管下至非灌段段底，用0.5:1的水泥浆液或化学浆材进行孔口管镶铸实现封闭隔离；或，灌浆段之间的非灌段采用地质钻机钻进至需隔离非灌段段底，用速凝化学浆材进行灌注实现封闭隔离。

所述水泥置换是：当灌浆段化学灌浆结束以后，立即关闭进浆阀门和回浆阀门进行闭浆，待压力表指针自然回零；待化学灌浆闭浆结束后，用灌浆机具将水泥浆从回浆管注入孔内，同时打开进浆管阀门，将化学浆液从进浆管顶出孔内进行水泥置换，待凝8h后进行扫孔。

本发明有益性，本发明采用采用了非灌段隔离技术﹑“风-浆”联合赶水技术和水泥置换技术。非灌段隔离技术增强了软弱低渗透破碎带化学灌浆的针对性，很大程度上地提高了施工进度和处理效果。“风-浆”联合赶水技术摒弃了预灌丙酮，先期驱岩体水的工艺，直接灌注高渗透型环氧树脂灌浆浆液；大量减少了施工现场丙酮存放量，确保了安全；同时由于不再灌注丙酮，大幅度降低了化学灌浆成本及环境污染风险。水泥置换技术有效的解决化学灌浆结束后的浆液返渗问题，同时还解决了化学浆液待凝时间过长、不利于跟孔钻进的施工难题，有效的提高了施工效率，同时也降低了人工成本。

附图说明

图1是本发明化学灌浆工艺示意框图；

图2是本发明排水工艺施工示意图；

图3是本发明非灌段隔离施工工艺地质示意图。

图中，1是进浆管，2是回浆管，3是灌浆塞，4是阀门，5是孔口管，6是钻孔，7是软弱低渗透破碎带，8是孔口段非灌段，9是灌浆段，10是非灌段。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述内容作出一些非本质的改进和调整属于本发明保护的范围。

结合图1、图2和图3。

本发明化学灌浆步骤

(1)钻孔

钻孔孔径宜采用小孔径钻进，减少浆液的孔占及管占，一般采用φ75mm或φ56mm。

若第一段为非灌段开孔采用金刚石钻头，钻进至非灌段段底，采用无缝钢管进行孔口管镶铸，以下段次采用φ56mm孔径。

若第一段为灌浆段，则化学灌浆结束后进行孔口管镶铸，以便采用孔口封闭灌浆，防止滑塞发生。

(2)钻孔冲洗及压水

为防止岩屑、岩粉堵塞浆液扩散通道，钻孔结束后应进行钻孔冲洗(裂隙冲洗)。采用导管通入大流量水流，从孔底向孔外冲洗，直至回水澄清；裂隙冲洗采用压力水脉动冲洗，冲洗压力为80％的灌浆压力但不大于1.0MPa，冲洗时间不少于20min。

化学灌浆段每一段钻孔冲洗干净后进行压水试验，以判定地层的渗透性。当渗透性较大如＞1lu时,先进行(湿磨)水泥灌浆充填>0.2mm裂隙，以防止浆液扩散范围过广而造成浆液浪费且不易结束，再进行化学灌浆；当渗透性小时如≤1lu，可直接进行化学灌浆。

(3)非灌段隔离

结合图3。

非灌段和灌浆段确定是依据先前地质勘探孔所揭露的断层位置，绘制软弱低渗透带的分布图，根据软弱低渗透带的分布图将孔段内的软弱低渗透带划分为灌浆段而其余部分划分为非灌段；

非灌段隔离操作，孔口段的非灌段采用地质钻机钻进至非灌段段底，用无缝钢管下至非灌段段底，用0.5:1的水泥浆液或化学浆材进行孔口管镶铸实现封闭隔离；灌浆段之间的非灌段采用地质钻机钻进至需隔离非灌段段底，采用速凝化学浆材进行灌注实现封闭隔离。

采用具有起始粘度相对较高、粘度上升较快的速凝化学浆材进行灌注需要根据现场情况限时或限量灌注。本发明采用的速凝浆材粘度测试如下表所示：

灌注需要根据现场情况限时或限量灌注，具体采用方法如下：

限量灌注：当灌注量达到单注10Kg/m时可结束灌浆。或，

限时灌注：当灌注时间达到8h后结束灌浆。

(4)排水

结合图2，在钻孔完成后安装灌浆塞时进行射浆管的安装，射浆管出口须下至孔底。

第一步：采用送风机具将风从回浆管吹入孔内，打开进浆管，将孔内积水从进浆管排出。

第二步：采用化灌泵将化学浆液从进浆管注入内，打开回浆管，用浆液将孔内残留的积水顶出孔内。由于目前常规所用环氧浆材密度略大于水，而水在浆中的溶解度很小，但能乳化，故可用将其注入孔内排除积水，或静置一段时间后，待浆-水混合物(乳浊液)自行分离后，再自回浆阀门口排出。

待积水和浆水混合物排尽孔内返出纯浆后，关闭回浆阀门，开始灌浆。

(5)化学灌浆施工

①粘度控制

依据以上化学灌浆机理，化学灌浆过程应遵循“长历时、低速率、浸润渗灌”原则。为防止长历时灌注浆液粘度增大影响浸润渗灌效果，首次使用了”粘度-时间“双曲线，并在施工现场配置粘度计对浆液粘度进行观测，当发现粘度过大，则更换新鲜浆液。

具体操作为：对使用的浆材及配比进行粘度测试，测试其粘度随时间推移的变化，根据测试数据绘制“粘度-时间”双曲线。

浆材的粘度超过100mp﹒s时，浆液在地层中的浸润渗灌效果较低。因此当浆材的粘度超过100mp﹒s时，应当跟换新鲜浆液进行灌注。以绘制的“粘度-时间”双曲线为指导，当配置的浆液时间接近曲线上粘度100mp﹒s对应的时间时，则更换新鲜浆液灌注。

②速率控制

以低速率，长时间持续浸润灌入，一般情况下注入速率应控制在0.05L/min.m～0.1L/min.m之间。当注入率≤0.05L/min.m时，应适当升高灌浆压力，当注入率≥0.1L/min.m时，需适当降低灌浆压力或控制注入量。

灌浆压力控制：随灌浆历时自然上升，但超过进浆速率控制标准时，以进浆速率为控制标准。

③灌浆结束条件

在设计压力下，每10min测读一次，1h内连续4次读数注入率均不大于0.001L/min.m后，持续灌注4h可结束灌浆，但灌浆历时不得少于40h。为保证化学浆液有一定渗透范围，达到质量要求，又要控制渗透范围过大，避免工程成本过高，如注入率不满足上述条件，应延长灌浆时间至满足结束标准，但每段灌浆时间不宜超过72h。

(6)闭浆、水泥置换及待凝

改性环氧浆材起始粘度低、可操作时间长，为防止灌入岩体内的化学浆材返渗，当灌浆段化学灌浆结束以后，立即关闭进(回)浆阀门进行闭浆，待压力表指针自然回零。

待化学灌浆闭浆结束后，采用灌浆机具将水泥浆从回浆管注入孔内，同时打开进浆管阀门，将化学浆液从进浆管顶出孔内。水泥置换后，待凝8h即可进行扫孔；置换出的化学浆液可收集后集中处理。

(7)封孔

封孔采用0.5：1级水泥浓浆置换孔内化学浆液，置换结束后，进行纯压式灌浆，封孔压力为该孔最大灌浆压力，灌浆持续时间60min。灌浆封孔待孔内水泥浆液凝固后，灌浆孔上部空余部分，大于3.0m时，应采用机械压浆法继续封孔，小于3.0m时，使用水砂泥浆人工封填密实。

施工设备均可购买，包括：钻孔设备采用XY-2或XY-2B钻机；水泥灌浆及压水采用3SNS高压灌浆泵，化学灌浆采用JD-125/10化灌比例泵；排水设备采用小型空压机。

工程实例

国内某一级水电站左岸F5断层、Flc13断层、F2断层、煌斑岩脉的化学灌浆处理采用了非灌段隔离技术﹑“风-浆”联合赶水技术和水泥置换技术。

非灌段隔离技术增强了软弱低渗透破碎带化学灌浆的针对性，很大程度上地提高了施工进度和处理效果。“风-浆”联合赶水技术摒弃了预灌丙酮，先期驱岩体水的工艺，直接灌注高渗透型环氧树脂灌浆浆液；大量减少了施工现场丙酮存放量，确保了安全；同时由于不再灌注丙酮，大幅度降低了化学灌浆成本及环境污染风险。水泥置换技术有效的解决化学灌浆结束后的浆液返渗问题，同时还解决了化学浆液待凝时间过长、不利于跟孔钻进的施工难题，有效的提高了施工效率，同时也降低了人工成本。

通过对上述工艺的改进，水电站左岸软弱低渗透破碎带化学灌浆处理在施工工期内圆满地完成了施工任务，在成本控制上有了很大的提高，在环境保护上取得了巨大的进步，灌后岩体各项力学指标提高明显，满足设计要求。

Claims (1)

1.一种化学灌浆方法，其特征在于：所述化学灌浆包括钻孔、钻孔冲洗及压水、非灌段隔离、排水、化学灌浆施工、闭浆、水泥置换及待凝和封孔工艺步骤；

所述排水工艺包括：

排水时间：在钻孔冲洗及压水步骤后、化学灌浆施工前进行；

排水准备：在钻孔完成后安装灌浆塞时进行进浆管的安装，进浆管出口须下至孔底；

排水步骤：首先采用送风机具将风从回浆管吹入孔内，打开进浆管，将孔内积水从进浆管排出；然后采用化灌泵将化学浆液从进浆管注入孔内，打开回浆管，用浆液将孔内残留的积水顶出孔外，待积水和浆水混合物排尽孔内返出纯浆后，关闭回浆阀门，开始化学灌浆；

所述非灌段隔离包括非灌段和灌浆段确定和非灌段隔离操作；

非灌段和灌浆段确定：依据地质勘探孔所揭露的断层位置，绘制软弱低渗透带的分布图，根据软弱低渗透带的分布图将孔段内的软弱低渗透带划分为灌浆段而其余部分划分为非灌段；

非灌段隔离操作：孔口段的非灌段采用地质钻机钻进至非灌段段底，用无缝钢管下至非灌段段底，用0.5:1的水泥浆液或化学浆材进行孔口管镶铸实现封闭隔离；或，灌浆段之间的非灌段采用地质钻机钻进至需隔离非灌段段底，用速凝化学浆材进行灌注实现封闭隔离；

所述水泥置换是：当灌浆段化学灌浆结束以后，立即关闭进浆阀门和回浆阀门进行闭浆，待压力表指针自然回零；待化学灌浆闭浆结束后，用灌浆机具将水泥浆从回浆管注入孔内，同时打开进浆管阀门，将化学浆液从进浆管顶出孔内进行水泥置换，待凝8h后进行扫孔。