纯压式深孔岩溶帷幕灌浆技术

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

在国内水电帷幕灌浆中，多采用小段长孔口封闭循环灌浆法，而在矿山帷幕灌浆中，若防渗标准相较水利帷幕灌浆低时，为了节约浆材、减少上部试段受灌次数，可采用纯压式灌浆。武宣防护盘龙铅锌矿东帷幕工程根据岩溶发育类型、成本及工期管理需要，采取纯压灌浆方法，同时比较矿山和水利行业的帷幕灌浆要求，取长补短，在规范互适、钻孔偏斜控制、岩溶处理等问题上总结出了可靠经验，应用效果良好。

1 工程概况

武宣防护盘龙铅锌矿东帷幕工程布置在大岭矿段东侧2号勘探线上，旨在防止大藤峡库区蓄水后，黔江回水位上涨，威胁附近矿区生产安全。帷幕在平面上主要阻隔东部黔江地下水补给，南以泥盆统郁江组(D1y)为隔水层，北以下泥盆统二塘组(D1e)为相对隔水层，轴线全长1308m，基岩面作为幕顶，-125m标高作为幕底，平均孔深190m，最深孔超过240m，采取双排双序布置，排距3m，孔距6m。勘察结果表明，区域碳酸岩广泛发育，溶蚀作用明显，遇岩溶概率高。东帷幕岩溶发育分带情况见表1。

表1 东帷幕岩溶发育分带

2 工程特点

盘龙东帷幕灌浆工程兼具水利、矿山帷幕灌浆特点，水利、矿山两种规范互适，对灌浆技术、思路拓展、行业互通等具有重要意义。

2.1 孔深距大

传统水利灌浆，孔距2～4m居多，除溪洛渡、观音岩、两河口等大型水电站外，孔深多为20～100m。而矿山灌浆，孔距多为8～20m，孔深多为300～600m，中关铁矿帷幕灌浆最深孔达810m[1]，本工程对孔斜要求严格，成孔偏斜率小于终孔孔深的1%。因此，对灌浆技术要求很高，在溶蚀强度高的区域，超深孔难以采取自上而下孔口封闭灌浆。

2.2 防渗标准

大多矿山灌浆采取的防渗标准较低，帷幕能起到一定阻水作用即可。本工程较为严格，采取5Lu质量检查标准，同时兼顾中金岭南矿区实际渗排水流量效果，具有较大施工难度。

2.3 充填溶蚀

先导孔取芯及钻孔情况记录表明，沿帷幕轴线，溶蚀作用明显，岩芯平均采取率50%，多呈短柱状、团砾状、砂状。岩芯表明铁锰质沉积明显，节理裂隙面受溶蚀剧烈，沿表面分布串珠式溶孔或刀砍状溶槽，部分呈泥质化，溶蚀强度具有明显分带性。部分孔段存在较大充填空腔和失水、掉钻现象，发现有泥沙状结构物质充填。

3 纯压式灌浆工艺

在帷幕灌浆中，以有无浆液循环为依据，将灌浆方式分为纯压式和循环式两类，其中循环式灌注效果最好，适用于较为严苛的1～5Lu防渗标准，考虑到岩溶裂隙发育较为密集和节约浆材两个因素，东帷幕工程选取了纯压式灌浆法，即浆液依靠泵压和浆柱自身重力渗透至孔隙，而不再返回。

3.1 设备配置

3.1.1 钻灌机械

依施工图纸，帷幕灌浆孔开孔孔径不小于110mm，终孔孔径不小于75mm，单孔结束后，采取无压封孔措施，即射浆管入孔底，浓浆返出孔口即可。受孔深、孔径、封孔条件影响，采用XY-2型回转钻机难以满足施工要求，因此，东帷幕工程选用XY-44型岩心钻。对于灌浆泵，选取黑旋风3SNS型灌浆泵即可，其流量波动较小，流量不均匀系数为1.04，国内灌浆工程多选用该型，施工人员熟悉操作、维修工艺。

3.1.2 制储浆设备

工程选用一套智能综合制储浆系统，可根据设计配合比，自动投料、搅拌，根据作业单元需要，输送至各制浆中转站，由中转站泵送至灌浆机组。单一灌浆机组按照“4台岩心钻机，2台灌浆泵”配设，因此，须设置独立储浆罐，容量不小于600L,满足水泥浆液、水泥黏土复合浆液储灌需要。

3.1.3 灌浆方法

纯压式灌浆根据所选灌浆泵种类差异，也有两种方法，当采用变流量灌浆泵时，只须配设一套进浆管(见图1)，受成本因素制约，国内一般不采用。采用定流量泵时，须分别配设一套进回浆路(见图2)，国内3SNS泵即可满足要求，东帷幕工程选B型方案，A方案相对节约浆材，但B方案设备成本较低[2]。

图1 纯压式灌浆A型

图2 纯压式灌浆B型

3.2 施工工艺

纯压式灌浆整体施工程序同其他灌浆方法并无明显差异，亦须完成孔口管镶注后，自上而下逐段压水、灌浆，基本流程为覆盖层钻孔镶管、试段钻孔、冲洗、灌前压水、灌浆、待凝、灌后压水(须满足一定条件)、封孔[3]，其中灌后压水是在一定条件下对试段灌浆效果的初检。东帷幕工程在工艺上受矿山帷幕灌浆影响，同水利灌浆相比存在一定异同，下面对几项重要环节进行分析。

3.2.1 灌浆压力及段长

灌浆压力主要由试段深度、静水位及设备等因素决定，其中，Ⅰ序孔一般选取2.0倍静水压力，Ⅱ序孔选取2.5倍静水压力。孔深在0～50m区间，最大灌浆压力一般选取0.5～1MPa，超过50m孔深，每增加50m，灌浆压力增加1MPa。在入基岩第1、2试段，若遇断层破碎带或地表冒浆、抬动明显，灌浆压力可适当减少，控制在0.3～1.0MPa。最大灌浆压力选取范围见表2。

表2 最大灌浆压力选取范围

一般的水利帷幕灌浆，试段段长多为2～5m，试段过长会影响效果，但在矿山灌浆中，较为灵活。溶洞发育区段长3～10m，断层破碎带5～20m；裂隙发育区段长10～20m；裂隙不发育区段长20～40m。其他地质缺陷部位可适当缩短段长，靠近终孔段如岩体较完整，地质条件较好，可适当增加段长。在纯压灌浆的条件下，采取较大段长，须谨慎对待。

3.2.2 浆液变换

东帷幕工程纯水泥浆液共有5级浆液浓度，包括3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1，不同于水利灌浆的是，没有5∶1比级，根据灌前压水透水率情况，当透水率在5～10Lu时，开灌比3∶1，当透水率在10～50Lu时，开灌比2∶1，当透水率大于50Lu时，开灌比1∶1。

在浆液比级变换方面，同水利灌浆有较大差异，设计要求当某一比级浆液的注入量已达10m3以上或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级，或者当注入率大于150L/min时，可根据具体情况越级变浓[4]。在实际施工中，受灌浆泵排量和施工实际情况限制，某一比级浆液注入量达到10m3或注入率大于150L/min难以实现，造成浆液变换困难，稀浆注入量较多。

当采取水泥黏土复合浆液灌注时，只有1级浆液浓度。

3.2.3 孔斜控制

水利帷幕灌浆中，孔深小，孔距密，钻孔偏斜对帷幕质量影响程度相对低(见表3)，矿山灌浆中，孔距和孔深都较大，钻孔偏斜程度过高会影响帷幕有效搭接。矿山帷幕灌浆对孔斜的控制标准近似于勘察工程标准，较为严格，要求成孔平均偏斜程度小于1%的孔深，在施工中，孔斜成为了主控项目，采取了加长岩芯管钻具、绳索取心双管钻具、减压吊打等多种方法控制孔斜。

表3 水利水电帷幕灌浆钻孔允许偏斜程度 单位：m

3.2.4 灌后压水

水利灌浆中，只须根据灌前压水情况，判断地层情况，选取合适浆液进行灌注，当满足正常灌浆结束条件时，即可完成该试段灌浆任务，进入下一段钻灌环节。东帷幕工程考虑到帷幕实体质量，为了检验本试段灌浆情况，在正常结束后或其他特殊情况，当满足灌后压水实施条件时，即指当试段灌前透水率大于5Lu或单位注灰量大于85kg/m或其他特殊情况(如非正常结束)，须进行该流程。灌后、灌前压水全部采用单点法，当灌后压水透水率较大或注入率过高，难以升压时，须进行复灌。在实际施工中，岩溶发育地带单次灌浆难以结束，当达到结束条件时，进行灌后压水，结果表明，多数情况仍须继续灌注。

3.3 效果分析

帷幕灌浆单元或分部工程结束后，须对其灌注效果进行评价，根据灌注的先后次序，分析透水率变化情况、单灰注灰量变化情况，进而考察工艺技术的合理性，及时提出解决方案。

根据表4分部工程压水灌浆情况可知，下游排帷幕Ⅱ序孔透水率相对Ⅰ序孔递减率为30.17%，上游排帷幕孔Ⅱ序孔透水率相对Ⅰ序孔递减率为3.72%，上游排总平均透水率相对下游排递减率为53.73%。下游排帷幕灌浆Ⅱ序孔平均单位注入量相对Ⅰ序孔递减率为15.98%，上游排帷幕灌浆Ⅱ序孔平均单位注入量相对Ⅰ序孔递减率为35.01%，灌浆效果明显。

表4 东帷幕工程某分部压水灌浆统计

综上所述，按照分排分序原则，后序孔及后序排透水率、单位注入量都有减小趋势，说明纯压式灌注起到了明显效果。但从整体透水情况分析，透水率超过防渗5Lu标准的段次不在少数，说明地层可灌性较好。实际情况表明，透水率超过100Lu的段次集中在覆盖层入基岩接触带部分，须对该情况重点关注。

3.4 特殊情况处理

帷幕灌浆工程是典型的隐蔽工程，除浆液制备、管路环节可直观感受外，其他数据都须依靠仪表测量，整个作用过程也无法肉眼观察，孔内情况较难控制，因此就会发生各种各样的特殊情况。

3.4.1 地表冒浆及抬动

东帷幕工程覆盖层厚度分布在10～27m之间，不在受灌范围内，因此在基岩靠近覆盖层部分灌浆时，易发生地表冒浆、抬动现象[5]。此时，记录仪数据会显示注入率持续升高，压力突然下降。检查灌浆塞有无卸压栓塞，并在灌浆孔周围查找渗漏点，确定冒浆后，应降低压力，限制流量，必要时越级增浓浆液。发生抬动后，应停止灌注，以防抬动土体影响孔口管垂直度，造成钻孔偏斜甚至套管脱落事故，也可低压少量灌注浓浆，进行待凝，一般不少于6～8h。

3.4.2 串浆

受溶蚀作用影响，部分相邻孔段呈连通状态，或在灌浆压力作用下，发生劈裂，产生具有连通作用的通道，当该孔正在灌浆时，浆液即可通过地下通道串至邻孔。发生串浆时，若孔序、高差条件满足，可同时对串浆孔和灌浆孔进行灌浆，当条件不具备时，应用机械塞对串浆孔进行封堵，灌注较浓浆液后，进行待凝。

3.4.3 孔内事故

孔内事故是钻灌过程中常见问题，超深孔灌浆时，更为显著，包括埋钻、烧钻、栓塞、钻具卡断等。处理孔内事故时应注意方法，正确使用吊锤、捞矛等工具，钻孔作业前，检查钻杆异径接头有无裂纹、变形等金属疲劳损伤，在钻进过程中，注意冲洗液循环流量变化。同时，对钻杆接头进行内外加厚，保证钻孔垂直度，减少钻杆弯曲变形。

4 存在问题及建议

4.1 孔内浆液沉淀

采用纯压式灌浆，注浆管距孔底较远，浆液不能循环。长时间灌注时，浆液会因自重而沉淀，致使周围裂隙通道被封堵，影响灌浆效果，表现为注入率突然降低，注入率曲线出现陡坡，这是纯压式灌浆的弊端。因此，须尽可能缩小试段长度，并提升灌浆压力，利用劈裂效应，使浆材挤入裂缝，同时注重灌后压水情况，综合考虑。

4.2 接触段效果差

由于覆盖层未灌浆，且覆盖层同基岩接触部分风化、溶蚀作用强烈，造成帷幕幕体上部复灌次数较多，容易发生冒浆、抬动等特殊情况。对于此类问题，应考虑改变浆液材料，使用膏状浆液灌注，同时加密孔距，或者采取袖阀管灌浆[6]技术，对接触段专门处理。

4.3 充填型岩溶发育

充填型岩溶区的砂化、泥化灰岩充填物易受溶蚀作用影响，结构强度差，透水性较好。钻灌试段遇到该地层时，灌前透水率较大，使用水泥黏土复合浆液灌注时，很难一次灌注成功，满足结束条件，个别孔段复灌多达20数次，严重制约工程进度，同时，浆液扩散范围较广，造成浆材浪费的同时，很难保证帷幕质量。因此，须对该种地层进行专门处理，使用膏状浆液灌注，或者在岩溶孔段周围布孔，采取群孔封堵方法，切断渗水通道。