复杂地层条件下大型溶洞群灌浆技术研究

邢 敏

(北京振冲工程股份有限公司，北京 100102)

0 引言

江苏宜兴油车水库左岸防渗轴线长度2.4 km，上部覆盖层厚度3.0～40.0 m，采用高压摆喷灌浆处理，高压摆喷灌浆工程量4.8万m2，基岩部分为溶洞强发育地段，采用帷幕灌浆处理，基岩帷幕灌浆钻孔进尺13万m，帷幕灌浆9.8万t，灌浆最大压力3.0 MPa。根据已经探明的溶洞分布情况，大多埋深在30～70 m之间，最大溶洞群高度20.9 m，长度144 m，大部充填泥浆、细砂、块石，周边地形不具备开挖条件。根据水利部专家孙钊的现场咨询意见，认为“油车水库左岸防渗处理难度国内少见”，有必要研究出一定的措施在确保溶洞处理质量的前提下，节约成本，控制投资，保证施工的进度和安全。

因此，现场拟通过灌浆试验，研究水泥、粉煤灰、膨润土复合浆液和膏状浆液在技术上的可行性、效果上的可靠性。

1 试验研究目的及要求

1.1 试验目的

本次现场灌浆试验研究的主要对象是水库左岸防渗轴线上大型的溶洞群。拟通过现场灌浆试验研究、了解复合浆液和膏状浆液的可灌性，灌浆之后溶洞的充填程度、承受的压力、处理时间，论证经过灌浆处理后溶洞群作为水库左岸防渗轴线主要处理部位的耐久性和处理效果的可靠性，保证总工期目标的实现。

1.2 试验部位工程地质条件

根据前期钻孔勘察，本次试验部位溶洞群发育，溶洞群最大高度为20.9 m，大部分溶洞高度在6.0～8.0 m之间，溶洞内充填有黏土、细砂、块石、稠泥浆，钻孔过程中始终有回水返出。

1.3 试验区域溶洞分布

经过现场钻孔资料整理，该次试验区域的溶洞特性分布如图1所示。

图1 试验区域溶洞分布图

1.4 要求溶洞灌浆处理后的技术指标

根据设计要求，在溶洞群经过灌浆处理后，需要承受灌浆压力3.0 MPa以上，单位透水率达到设计要求，小于5.0 Lu。

2 试验方案设计

2.1 试验场地选择

溶洞灌浆试验区选择在左岸W1+128～W1+176段，溶洞埋深23.52～48.55 m，覆盖层厚度21.0 m，试验区域共发现溶洞9个，试验区位置及溶洞分布如图1所示。

2.2 试验配比选择

经过查阅相关资料和其他相似工程的施工技术总结和经验，本次灌浆试验配比见表1。

表1 灌浆试验配比

在表1的配比中，没有添加水玻璃速凝剂，主要是因为试验溶洞在钻孔过程中，均有不同程度的返水及返浆，如果添加速凝剂极易把射浆管铸死而造成铸管。

2.3 现场试验方案

根据表1中的配比，在现场试验方案实施过程中，先采用水胶比0.5∶1的水泥∶粉煤灰=100∶50的配比进行小型溶洞灌注，在灌注3次效果不明显时(不起压)，再采用水泥∶粉煤灰∶膨润土=100∶100∶20，按照0.5∶1的水胶比灌注，如果0.5∶1的水胶比仍不能使溶洞有效升压，最后采取0.23∶1水胶比的上述配比进行灌注。

在进行上述灌浆过程中，水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥，对水泥细度的要求为通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%；粉煤灰采用宜兴当地生产的Ⅱ级粉煤灰，膨润土采用安徽生产的200目级膨润土。

3 现场施工工艺及主要技术要求

3.1 钻孔

现场钻孔采用XY-2型钻机，钻孔直径均为φ75 mm，孔口管直径φ89 mm。

3.2 灌浆施工技术参数

3.2.1 膏状浆液灌注及变浆标准

根据试验区段在钻孔过程中取芯情况判断，该区域溶洞基本充填完全，因此先采用水泥+粉煤灰=100∶50按照0.5∶1的水胶比进行灌注，在灌注过程中采用孔口封闭、孔内循环、溶洞整段灌浆、灌浆后待凝的灌浆方法。

在按照上述灌浆方法不能有效对溶洞进行处理时，在集中制浆站配置0.5∶1的水泥纯浆后按照配比要求再配置水泥+粉煤灰的混合浆液，采用灌浆泵输送到试验区域，在试验区域再配置水泥+粉煤灰+膨润土的膏状浆液，采用螺杆泵进行灌注。

其工艺流程为：钻孔→简易压水试验→配浆→孔内灌浆→闭浆→下一次钻孔、压水、灌浆→直至灌浆达到设计压力。

为增强灌注膏状浆液的灌注效果，在该试验段XDK48上下各2.0 m采用钻孔导向、排气、排浆的方法各钻孔一个，钻孔深度以钻穿与XDK48相连接的溶洞为止，在对先导孔溶洞灌注的过程中，两钻孔明显起到了导向、排气、排浆作用，使灌注的膏状浆液大部分充填到了防渗轴线上(从两钻孔的孔口返泥浆流量可以估算出来)。

根据设计要求，溶洞段的灌浆压力必须达到3.0 MPa，才能进行下一段的灌浆施工。

在实际试验时变浆标准为：

1)压入流量小于等于30 L/min时，采用水泥净浆5∶1开灌。

2)压入流量30～50 L/min时，采用水泥净浆2∶1～3∶1开灌。

3)压入流量在50～80 L/min时，采用(水∶水泥∶膨润土)0.5∶1∶0.1膏浆开灌，若0.5∶1∶0.1的水泥膨润土膏状浆液灌注300 L后，灌浆压力、流量无明显变化时，改用0.5∶1∶0.2～0.25膏浆灌注。

4)当压水流量大于80 L/min时，表明渗漏量很大，开始灌注直接采用(水∶水泥∶膨润土)0.5∶1∶0.2较浓的膏状浆液进行灌注，若0.5∶1∶0.2的水泥膨润土膏状浆液灌注300 L后，灌浆压力、流量无明显变化时，改用(水∶水泥∶膨润土)0.5∶1∶0.25的浓浆进行堵漏灌浆。在进行堵漏时限量不限流，每次限量标准为干水泥1.50 t/m(m为钻孔揭示的溶洞高度)，达到限量标准时，灌浆压力及流量无明显变化时，立即停灌待凝，在复灌次数达到3次或3次以上，压力及注入率无明显变化时，缩短每次扫孔长度，减小段长以尽快堵漏。

3.2.2 灌浆限流

1)水泥浆灌注时按照注入率15～20 L/min控制；

2)膏状浆灌注时，注入率过小容易堵塞管道，膏浆限流按照20～30 L/min控制；

3.2.3 待凝时间

1)纯水泥浆待凝时间12 h；

2)膏状浆液待凝时间不少于24 h。

4 膏状浆液的灌浆效果检查及成果分析

本次灌浆效果检查主要采用灌前灌后的钻孔压水检查、灌前灌后的CT物探测试、孔内电视以及钻孔取芯进行室内物理力学性能试验，其成果作为本次试验评价水泥+粉煤灰+膨润土膏状浆液试验效果的主要依据。

4.1 压水试验

在溶洞灌注前后，进行了不同浆液的压水试验，各溶洞经过膏状浆液的灌注之后，又采用了水泥浆的灌注，达到了设计要求3.0 MPa的设计压力，满足设计要求。

4.2 钻孔物探检测成果

在各溶洞进行灌注的前后，均进行了孔内电视和CT的物探扫描，试验成果表明，溶洞中的空腔和充填物均得到了有效的充填和固结，经过膏状浆液的充填处理后，溶洞的物理力学性质得到了有效改善，防渗效果可以满足设计要求。

5 结论

在对试验段溶洞进行复合浆液、膏状浆液灌浆处理后，根据孔内电视、CT物探检测、钻孔取芯观察，溶洞中的充填物在经过灌浆处理后，溶洞内的充填物和空腔得到有效充填和固结挤压，大渗漏量的溶洞经过处理后，其整体的防渗效果得到有效改善，说明本次灌浆效果明显，灌浆材料配方、灌浆工艺、施工参数可以满足设计和规范要求。

6 采用膏状浆液灌注的几点分析意见及建议

6.1 钻孔灌注过程中注意事项

6.1.1 钻孔

钻孔过程中，重点记录溶洞高程、深度、返水、充填物等情况，钻孔穿过松软岩层，或遇有塌孔、掉块时，先进行简单灌浆固壁处理，然后再继续钻进，钻进过程如出现无返水情况，不论是否达到段长，应立即停钻，查明漏水部位、原因，该段灌浆处理完成后再继续钻进。钻进结束等待灌浆或灌浆结束等待钻进时，孔口均进行堵盖，进行妥善保护。

6.1.2 清孔验收

根据溶洞充填情况，一般不需要进行冲洗，记录清楚溶洞特性后即可进行膏浆灌注。

6.2 采用膏状浆液灌注的必要性

由于本工程基岩溶洞的特殊性(钻孔有回水，灌浆没有压力)，在遇到大漏量的情况下，采用常规的水泥灌注和砂浆灌注(试验段在膏状浆液灌注之前已经灌注水泥砂浆8次)，不仅工程量大，灌注时间长，而且灌注效果不明显，在采用膏状浆液灌注后，灌注次数少(灌注3次后开始起压)，达到设计压力时间短，可以加快灌浆施工进度。

6.3 膏状浆液的替代调整可行性

在进行灌浆试验过程中，应用的水泥+粉煤灰+膨润土的膏状浆液初凝时间较长，强度较低，对于大面积的溶洞施工存在一定的局限性，且膏状浆液的配置程序烦琐，需要人工较多，功效较低，因此，根据本次试验成果，在以后大面积展开施工的过程中，如果遇到较大溶洞，直接采用膏状浆液进行灌注堵漏，之后采用水泥浆液灌注，以期达到快速升压的效果，同时，对于溶洞有2.0 m以上的较大空腔部位，直接采用灌注高流态混凝土的方法进行填充，以期减少膏状浆液的灌注工程量，加快施工进度。

根据本次试验研究结果，在后续施工中采用本次成果，在7个月的施工过程中，顺利完成左岸墙下帷幕灌浆施工，累计灌入膏状浆液9.78万t，根据物探检查和埋入的仪器检测，灌浆防渗效果满足设计要求，没有对临近的溶洞风景旅游区产生不良影响。