导流洞围岩岩溶系统灌浆处理快速施工技术

王 勇，李 丽

（1．中国水电基础局有限公司，天津 301700；2．陕西工程勘察研究院，陕西 西安 710104）

1 工程概况与地质条件

某水利工程导流洞位于涪江右岸，洞长120m，围岩地质条件较差，周边发育有多个岩溶系统，在导流洞施工过程中已经对洞室周边岩溶系统采取了清挖、回填混凝土、回填灌浆等方法进行处理，保证了导流洞施工导流需要。为保证水库正常下闸蓄水，保证水库下闸后工程安全，设计单位提出对导流洞前段周边岩溶系统采取固结灌浆处理，以截断岩溶渗漏通道，切断上下游水力联系，保证导流洞封堵体（堵头）正常施工，后期水库正常运行。

导流洞封堵体前段固结灌浆处理范围为坝横0＋550．0～坝横0＋600．0段，距坝轴线上游29m范围内，固结灌浆在地表钻孔，要求对EL610高程以下基岩进行固结灌浆处理。该部位固结灌浆位于坝横0＋550～0＋600段、坝纵0－002．0～0－027．0范围内，其中坝纵0－002．0～0－015．8段位于边坡上，边坡开口线自0＋550～0＋600段坝纵逐渐变小。下游方向的4排固结灌浆孔位于边坡上，边坡倾角约为70～80°不等。

导流洞围岩以硬质灰岩为主，岩溶发育，据勘察资料显示，溶洞多为半充填型或岩溶空腔、溶隙，充填物以泥夹崩塌块石为主，溶洞与上游地表落水洞相通，蓄水后存在渗漏通道。

2 设计要求

固结灌浆采用矩形布置，间排距3．0m，共布置9排92个灌浆孔，钻孔开孔孔径为130mm，终孔孔径不小于76mm。为节约工程投资，控制浆液控制范围，每个灌浆孔只要求对EL610～576m高程范围内的孔段进行灌浆处理，EL610m高程以上孔段下设护壁套管，以隔离岩上部岩溶空腔。灌浆施工采用孔口封闭、孔内循环、自上而下灌浆法，灌浆孔排间不分序，按先下游排再上游排的顺序施工，排内分二序孔施工，灌浆段长5．0m，每排导流洞顶部的灌浆孔最后施工，灌浆压力1．0MPa，浆材采用P．O42．5纯水泥，灌浆过程应连续，中间不得停等待凝，直至灌浆结束。检查孔透水率要求小于5Lu。

3 固结灌浆施工

3．1 施工难点

（1）边坡上施工，设备搬迁难度大；

（2）工程量大，钻孔工程量6200m，且有斜孔，脚手架上施工，工作场面狭小，工期短（时间1个月）；

（3）岩溶发育，需要钻穿上部强岩溶发育地层，钻孔过程中存在塌孔、掉块、卡钻等特殊情况；

（4）注浆质量不易控制。因导流洞山体内岩溶发育，孔内浆液易于流失，需要采取技术措施，控制浆液扩散，即要保证灌浆效果，又要避免浆液浪费。

3．2 镶孔口管

采用Ф130mm钻头开孔，钻进至基岩2．0m后下设Ф127mm护壁管，再采用Ф91mm钻头钻进，钻进至EL610高程后镶铸Ф89mm孔口管；在钻进过程中遇大的岩溶空腔立即停止钻进，采用Ф110mm钻头扩孔直至岩溶空腔，下设Ф108mm护壁管，然后继续采用Ф91mm钻头钻进。造孔完成后向孔内注入0．5∶1水泥浆，镶铸Ф89mm孔口管，待凝24h后进行EL610高程以下造孔灌浆。

3．3 钻孔

（1）钻孔孔径：孔口段孔径130mm；终孔孔径≥76mm；固结灌浆检查孔孔径≥76mm。

（2）钻孔机具及钻进参数：根据特殊的地质条件，综合对比地质钻机回转钻进和潜孔锤钻进的特点，为满足工期要求，确定采用液压钻机冲击回转钻进工艺，钻机选用无锡探矿机械厂生产的YG－60型工程钻机，该型钻机为全液压动力头式钻机，钻机结构为分体式，全液压驱动，可实现无级调速，操纵简单，并可远距离操纵，具有维修保养方便，可拆性好，搬迁、安装迅速方便，适合合金回转钻进、螺旋钻进、潜孔锤钻进、跟管钻进多种钻进工艺方法。

钻机主要技术参数

潜孔锤（冲击器）选用QCW80、QCW90型无阀式风动冲击器，该冲击器具有结构简单、性能优良、工作可靠、维修方便、耗风量低、能量利用率高等特点。该冲击器在中高风压时效率很高，取得了较好的钻进效果。

（3）钻进主要技术参数：钻进技术参数的选择是潜孔锤钻进的一项关键问题，其合理与否直接影响钻进效率和经济效益。主要钻进技术参数包括风量、风压、钻压和转数等。

①风量：要根据空压机和潜孔锤的性能合理确定风量。为使潜孔锤正常工作且能排除岩粉，钻杆和孔壁环状间隙之间的最低上返风速要求不小于15m／s。如风量偏小，难以排除孔内岩粉，易形成重复破碎，从而影响钻进效率。

风量确定公式为：Q＝VS，式中：Q为空压机风量，m3／min；V为排渣上返风速，m／min；S为钻杆与孔壁环状空间面积，m2。假定V为900m／min，裸眼孔径为110mm，钻杆外径为89mm，则风量应为2．95m3／min。

②风压：潜孔锤的冲击频率和冲击功都与风压有密切关系。潜孔锤钻进常用风压是钻进参数重要指标之一。通常情况下，钻速与风压成正比。本次施工采用的潜孔锤为中高压潜孔锤，所需风压为0．8～1．2MPa。因本工程有斜孔作业，为钻至指定靶区，对孔斜要求较高，钻速不宜太快，风压选为0．8～1．0MPa。

③钻压：从潜孔锤的碎岩机理来看，岩石主要是在冲击功的作用下破碎的，钻压是保证冲击功率并发挥作用的辅助力。对某一直径的潜孔锤来说，钻压有一个合理范围。本工程采用钻压控制在9～10kN范围内。

④转数：为使潜孔锤的冲击功有效地传到孔底，钻具的转数应按潜孔锤的冲击频率和所钻岩石的性质来决定，它存在最优冲击间隔。钻具有转数和冲击频率的配合，应使切削具在最优冲击间隔的条件下工作。最优转角、转数与冲击频率之间的关系为：A＝360n／f，A 为 最优转角，（°）；n为钻 具转数，（r／min）；f为冲击频率（次／min）。如最优转角取11°，冲击频率为600次／min，可得转数为18r／min；当冲击频率为1000次／min时，则转数为31r／min。

（4）钻孔偏差控制：钻孔孔位必须满足设计要求，控制开孔精度，把好开孔关。孔浅时加接钻铤，孔深时加钻杆扶正器，扶正器长度不小于6m。严格按照规定的技术参数操作，每次下钻，应先送风，待钻头在底面冲出小孔再轻压回转钻进。钻进风化层、破碎带时，适当降低钻压，确保钻孔垂直度。钻进过程中应保持钻孔环状间隙畅通无阻。如遇坍塌掉块现象，应反复提动钻具，强行吹风冲击，把掉块挤碎吹出孔外。如发现偏斜过大，要及时采取纠偏措施。

（5）钻孔时注意事项及特殊情况处理：严格按照钻进技术参数操作，不能盲目追求进尺以防孔内事故发生。要随时观察气压表，如发现压力急剧上升或下降，应立即提钻，查明原因，排除故障。钻进中如发现钻杆抖得厉害，说明遇到破碎带或较大裂隙，应立即提动钻具，再缓慢下放，以较低钻压通过，防止造成钻杆折断等事故。如发现孔口不返气、进尺缓慢，说明遇到大裂隙或溶洞，应反复上下提动钻具进行周期性碎岩和吹孔工作，把大颗粒岩屑冲成粉末吹入裂隙中，以保证正常钻进。钻进中应经常注意潜孔锤的冲击工作声响，如发现冲击频率变低或不稳定，则潜孔锤出现异常，应立即提钻处理。回次结束后应上提钻具0．3～0．5m进行强吹孔，待孔口不返岩屑时，才可停风加接钻杆。停风时应缓慢关闭送风阀，不可突然中断供风，防止潜孔锤倒吸岩粉，造成堵塞。下钻时应边回转边下放，当钻具接孔底时应放慢速度。应经常保持孔底清洁，当钻进中孔内岩粉过多时应进行专门吹孔。

3．4 钻孔冲洗及压水试验

灌浆孔在灌浆前进行钻孔冲洗，孔内沉积厚度不得超过20cm，并返清水5min以上后停止。

灌前简易压水：冲洗压力为0．8MPa，冲洗至回水清洁时止，简易压水压力为0．8MPa。压水20min，每3min测读一次压入流量，取最后的流量值作为计算流量。

在岩溶、大断层、遇水软化等地特殊孔段，不进行裂隙冲洗和灌前简易压水。

3．5 灌浆

（1）灌浆材料

①水泥：灌浆采用普通硅酸盐水泥，强度等级42．5，细度满足规范要求。

②水：灌浆用水使用涪江水，通过供水系统供应至施工现场，经检测符合规范要求。

③天然砂，细度模数不大于2．0，最大粒径不大于2．5mm，SO3含量小于1%，含泥量小于3%，有机物含量小于3%。

（2）浆液制备

①制浆站拌制0．5∶1的水泥浆液、水泥砂浆浆液，浆液输送至灌浆点后，水泥浆液再配制成所需浓度的水泥浆，水泥砂浆直接灌注。

②水泥浆液、水泥砂浆采用高速搅拌机搅拌，纯水泥浆液的搅拌时间应不少于30s，自制备至用完时间宜小于4h，水泥砂浆的搅拌时间不应小于2min，自制备至用完时间不宜大于4h。

（3）灌浆方法

本工程基岩固结灌浆采用孔口封闭孔底循环式灌浆方法，射浆管距孔底不得大于50cm。

（4）灌浆段长及灌浆压力

该部位固结灌浆段长均为5．0m，灌浆压力为1．0MPa。

（5）浆液变换

①灌浆浆液浓度应由稀到浓，逐级变换。本工程固结灌浆浆液水灰采用3∶1、2∶1、1∶1、0．5∶1四个比级。开灌水灰比采用3∶1。

②当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比。

③当某一比级浆液的注入量已达300L以上或灌注时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级浆液灌注。

④当注入率大于30L／min时，可根据具体情况越级变浓。

⑤灌浆过程中，灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施处理。

⑥当采用最浓级浆液灌浆而注入率大于30L／min或当本段注入最浓级浆液达2t后，注入率无明显下降趋势，灌浆压力无明显上升趋势，开始在水泥浆中掺加灌浆用砂，掺入水泥量的50%、70%（重量比），具体掺加比例根据孔段钻孔情况现场确定。

（6）灌浆结束标准

在设计压力下，当注入率不大于1L／min时，继续灌注30min后结束灌浆。

（7）封孔

灌浆孔采用“置换和压力灌浆封孔法”进行封孔。灌浆结束后，自孔底将余浆用0．5∶1的浓浆置换（如为0．5∶1的浓浆则置换）；取出灌浆管后，在孔口用最大灌浆压力进行闭浆1小时；待孔内浆液凝固后，将孔内上部空腔部分人工填满M20砂浆。

3．6 特殊情况处理

（1）灌浆过程中，发现地表冒浆，采用镶缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

（2）灌浆过程中发生串浆时，采用以下方法处理：

①如被串孔正在钻进，要立即停钻。

②串浆量不大于1L／min时，可在被串孔内通入水流。

③串浆量较大，在串浆孔具备灌浆条件时，尽可能与被串孔同时进行灌浆，应一泵灌一孔。否则应将串浆孔塞住，待灌浆孔灌浆结束后，串浆孔再行扫孔、冲洗，而后继续钻进或灌浆。

（3）灌浆工作因故中断，按照下述原则处理：

①尽可能缩短中断时间，及早恢复灌浆。

②若中断时间超过30min，则要冲洗钻孔，如无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，而后恢复灌浆。

③恢复灌浆时，如注入率与中断前的相近，即可改用中断前比级的浆液继续灌注。

④恢复灌浆后，如注入率较中断前的减少很多，且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施。

（4）对注入量大，当某一孔段注入最浓级浆液达2t后灌浆仍难以结束时，开始掺砂灌注，为了保证岩溶系统的完成充填，在进行掺砂灌注过程时需连续进行，直至注入率有明显变化趋势，压力有所回升，采用0．5∶1水泥浆进行灌注直至达到结束标准。

4 小结

在施工场面受限制，工程量大，时间紧，任务重，施工难度大的情况下，通过在施工过程中采用适当的措施，经过30天的施工，共计完成钻孔6400m，注入水泥6300t，灌注砂2200t，圆满完成了施工任务。后期布设质量检查孔4个，第三方检测机构布设质量检查孔2个，通过钻设检查孔，采取到大量水泥结石心样，导流洞顶部充填密实，压水试验采用单点法，各孔段压水试验结果完全满足设计要求。

归纳本工程经验主要有以下几点：一是钻孔工艺选择。选用冲击回转钻孔工艺，使用风动潜孔锤造孔，工效很高，解决了地质钻机成孔慢的问题，特别是上部存在较大岩溶空腔区域，如采用地质钻机钻孔存在漏浆不返水问题，解决了成孔问题，单机正常纯机械钻速可达15m／h，受地质条件影响，存在扩孔、处理孔内事故时间，影响了钻进效率，但较地质钻机金刚石回转钻进工效提高几倍，尽管浆液注入量大，但是因成孔速度快，保证了灌浆作业时间。二是采用套管隔离上部岩溶通道。通过镶铸隔离套管，阻断了上部岩溶区域的渗漏通道，不仅减少了上部的漏浆问题，而且也节省了材料浪费和灌浆时间。三是灌浆施工控制合理到位。在施工过程中，首先施工边排灌浆孔，逐序向内加密，在特殊地质条件下如断层、溶洞和特大漏浆部位，在水泥浆液中掺入质地坚硬的天然细砂或投入细石，减少浆液扩散范围，同时使灌浆区形成相对封闭区域，切断与外部的渗漏通道，使灌浆区域内的岩溶处理随着灌浆的进行逐步得到挤密，从灌浆成果资料分析，边排孔耗浆量大，随着逐排逐序加密，耗浆量呈递减的趋势，符合灌浆规律，遇特殊情况时，采用预定处理措施，及时解决灌浆过程中出现的问题，保证了施工的正常进行，最终经质量检查，工程质量完全满足设计要求。四是组织保障得力。在开工以前，作了充分的准备工作，人员、材料、设备的组织配置到位，并对施工中可能出现的问题作出了预测，制定了切实可行的措施，保证了施工的正常进行。

冲击回转钻进是一种成熟的技术，尽管设备一次投入成本较高，特别是空压机采购原值高，并且动力燃料消耗大，但凭借其高工效和较低生产成本的优势，已经逐步推广开来，在水电灌浆规范中已经取消了对风动冲击器使用的限制，如能进一步解决好施工中的防尘除尘问题，相信在以后的基础处理施工中会得到广泛应用。