浅谈地下水封石洞油库注浆材料应用

陈经纬,马伟利,高少辉

(中国水利水电第十四工程局有限公司华南事业部，广东 广州 510801)

1 概述

地下水封石洞油库注浆材料按成分组成通常分为普通水泥、超细水泥、水泥基结晶材料、水泥基瞬变材料、聚氨脂材料、水玻璃、环氧树脂复合型材料等。

地下水封石洞油库工程需考虑存油条件对油品的影响，因此适用的注浆材料较水利水电工程少，并要求注浆材料后期不与储存的油品发生反应、不影响日常设备运行。本文以某地下水封石洞油库工程注浆材料的应用为例，通过对比分析各种注浆材料的优缺点，针对对不同地质条件选择适应于水封石洞油库的注浆材料。

2 注浆理论

注浆是通过钻孔或埋管向含有裂隙、空洞或不稳定的地层或岩体中注入水泥浆或其他浆液，以堵水或加固地层、岩体的施工技术[1]。地下水封石洞油库注浆以堵水为主。

2.1 裂隙开度理论

裂隙开度是工程地质上描述岩体裂隙大小的指标。岩石裂隙开度是指岩体中结构面缝隙紧密的程度，国内一些部门在工程实践中，各自作了定量划分。开度划分界限最大值为5.0 mm，最小值为0.1 mm。

对于注浆工程，还将岩石开度划分为等效水力开度e(最小缝宽)和物理开度E(实际缝宽)，一般情况下，物理开度E大于等效水力开度e(如图1所示)。

图1 物理开度和等效水力开度示意(单位：μm)

2.2 4d95可灌性理论：

注浆时，由于边界效应影响，浆液在粗糙裂隙中流动时，前缝缘面呈抛物线状，中间流速快，两侧边壁部位流速慢。最不理想状况是3个大颗粒并排，2个边壁的颗粒不动，但中间的颗粒向前挤入。用E表示岩石的物理开度，实践证明当E>4d95时，浆材具有较好的可灌性(d95是注浆材料最大粒径的95%值)，因此浆液材料的细度和颗粒曲线是评价其可灌性的一个重要依据[3]。

图2 注浆材料颗粒级配曲线示意

图2是3种注浆材料颗粒级配曲线，从图2可查知：材料1的d95=90 μm，材料2的d95=25 μm，材料3的d95=12 μm，根据E>4d95的可灌性理论，经计算这3种材料对应的可灌裂隙开度分别为360 μm、100 μm、48 μm。

2.3 材料对应的可灌缝宽

根据实测的注浆材料粒径范围，普通水泥、瞬变材料、超细水泥的d95分别可用100 μm、40 μm、20 μm来界定，因此可用400 μm、160 μm、80 μm来分别代表普通水泥、水泥基结晶(瞬变)材料、超细水泥的可灌缝宽，在查明缝隙宽度的情况下，供注浆选择应用，以取得更好的注浆效果。

2.4 开度E与透水率的关系

用开度来选择注浆材料理论上是可行的，但实际施工过程中，由于缝隙在岩体中有太多潜在影响因素难以被准确评价，且岩石开度测量是不实际的，因此通过在一定深度钻孔进行压水试验来获取岩体渗透参数是最直观的，也可以用结构面的粗糙度系数(JRC)来估算结构面物理开度E，从而建立起开度E与透水率的相互关系的应用方程。

由国外学者的经验公式：

e≈(Lu×6×s×10-8)1/3

(1)[2]

(2)[2]

式中Lu为透水率，Lu；Q为压入流量，L/min；s为水力联通结构面的间距，mm； 一般为0.5～3 m，取1 500 mm；JRC0为100 mm试样的JRC，通过地质素描获得；E为物理开度，mm；e为等效水力开度，mm。

根据上式(1)、(2)，可得：

(3)

假设某工程项目的岩石岩体渗透率是1 Lu值的数量级，代入试算求得回归方程，通常取值：JRC0=7.5，s=1 500 mm，求得：Lu=3.29×10-2×E6，即该工程项目的岩石1 μm开度=3.29×10-2吕荣；故可将下式(4)做为回归方程对该工程进行估算透水率与物理开度的关系：

LU=3.29×10-2×E6

(4)

从式(3)可以看出，岩石物理开度E的大小与结构面粗糙度相关，与水力联通结构面的间距有关，与注入量和注浆压力也有相关联，注浆压力增加，注浆量也增加。

式(4)是经验公式推导出来的，其计算系数还要摸索，由于每个工程项目所处地区的岩性、结构缝宽度和数量、水力联通结构面的间距都不同，应用时应通过压水试验进行回归方程修正，以确定适用的理论方程。

2.5 水泥结石强度增长规律

水泥结石强度的增长，起主要作用的是3～32 μm的颗粒。小于3 μm的颗粒对早期强度起决定性作用，后期强度不高，3～9 μm和9～25 μm的中间颗粒决定水泥的最终强度，16～24 μm的颗粒对强度的贡献超过3～16 μm的部分，大于50 μm的颗粒几乎没有什么强度[6]。

2.6 注浆与待凝

长期的施工实践证明，在注浆正常结束的条件下，已经灌入到岩石裂隙内的水泥浆液，不会在下一个注浆段钻进时被循环水流冲洗出来，所以不需待凝。但遇注浆前孔口涌水、注浆后孔口返浆、地质条件复杂，以及注浆压力很低等情况时，待凝是必要的，待凝时间应根据工程具体情况确定[2]。

3 注浆材料比选

3.1 注浆材料选用原则

注浆材料的选用，除了根据可灌性选择外，还应根据工程地质条件、水文地质条件、注浆目的、注浆工艺、注浆设备和成本等因素确定，并应符合设计要求，设计未做明确要求时宜符合下列规定[1]：

1) 宜稳定性好，耐久性强、具有良好的可注性；

2) 固化时宜收缩小，与岩体、混凝土等宜有一定的黏结力，凝胶时间可调节；

3) 注浆工艺宜简单，操作方便、安全；

4) 围岩加固或堵水注浆，宜以掺有膨润土的水泥浆液为主，在岩面漏浆、注浆量过大及其他特殊情况下，可添加水玻璃等速凝材料；

5) 化学浆液的选择应慎重，因为水封石洞油库内的储品为化学材料，因此化学浆液不得与其发生化学反应，同时应对耐久性提出要求，并不得污染环境。

3.2 注浆材料比选

某地下水封石洞油库工程主洞室群由10条主洞室组成，每条主洞室设计长度均为923 m，设计洞跨20 m，洞高30 m，截面形状为直墙圆拱形。两个相邻主洞室之间设计净间距为80 m。主洞室底板高程-110.00 m，拱顶高程-80.00 m。

主洞室范围内主要为微风化—未风化片麻状花岗岩，裂隙较发育～不发育，岩体完整，围岩稳定性好。局部煌斑岩脉集中发育，岩脉侵入处岩体破碎，以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主。

注浆常用材料按成分组成可分为水泥、水泥基结晶材料、水泥基瞬变材料、聚氨脂材料、环氧树脂复合型注浆材料等，而水泥按粒径大小又分为普通水泥和超细水泥，以上材料经实践证明均可在石洞油库中使用，其比选方案见表1。

表1 注浆材料比选

3.3 普通水泥与超细水泥

普通水泥由于材料来源广，是灌浆施工中最常用的灌浆材料。但经过实践证明，对于岩层中存在较多的细小裂隙，采用常规普通水泥帷幕灌浆经常会存在 “吸水不吸浆”的情况。若采用超细水泥灌浆材料，可达到较好的帷幕灌浆效果，此方法制浆及灌注工艺简单且成本低廉，值得类似工程中借鉴[7]。

3.4水泥基渗透结晶型防水材料

水泥基渗透结晶型防水材料是以硅酸盐水泥、石英砂和多种特殊的活性化学成分研制而成。与渗水作用后，材料中的活性化学物质通过载体向水泥结石内部渗透，在水泥结石中形成不溶于水的结晶体，填塞细微缝隙，阻止水泥结石开裂，增强结石强度，阻止化学腐蚀，从而具备永久性的防水效果。是一种无毒、无味、无污染的环保产品。

水泥基渗透结晶型防水材料中含有活性化学物质，以水为载体，随着水对混凝土结构孔隙进行渗透，被渗流到混凝土结构内部的孔缝中，催化水泥水化反应过程中析出的Ca(OH)2和硅酸钙再次交互反应，形成不溶于水的枝蔓状纤维结晶物，在混凝土结构中吸水膨胀，使结构中的毛细缝得到充盈密实，并与混凝土成为一体，从而有效提高了混凝土抗渗防水能力，也提高混凝土结构的耐久性，结晶体析出情况如图3～4所示。

图3 结晶修补作用机理示意

图4 结晶修补实际效果示意

水泥基渗透结晶型防水材料是活性材料的载体，其特点是后期注浆时如缝隙再次漏水，活性材料又被激活，重新产生结晶体，修复水泥结石的结构，堵塞渗漏通道，产生新的渗控效果。

在注浆过程中发现，水泥注浆中掺加结晶材料会提高渗控效果，特别是重复注浆时，未掺加结晶材料注浆的部位，再次注浆效果明显差于已掺加结晶材料的部位，甚至出现渗水量增大的现象(注浆压力击穿缝隙和水泥结石后渗水通道比灌前增大所致)，因此在浆液中适当掺加水泥基渗透结晶型防水材料，岩体内缝隙中已有的水泥结石即使局部击穿受损(裂缝小于0.4 mm)，在结晶材料的作用下，会再次修补愈合，重新具备抗渗能力，从而在本质上改变了普通水泥石结构被破坏后(如后期注浆或下层开挖爆破震动)造成的渗漏，提高堵水的耐久性。

3.5瞬变材料

瞬变注浆材料是一种有机与无机复合注浆材料，采用特制的无机粉体材料作为主要胶凝材料，同时复配一定比例的纳米材料，改善浆液对细微裂缝的渗透性。

3.6 聚氨脂材料

聚氨脂注浆材料可遇水固化，且反应中生成的CO2对浆液的渗透具有很强的促进作用。据测定，封闭条件下，固化反应产生的CO2压力可达0.5～1.0 MPa，可灌入宽度8 μm的细微裂缝及渗透系数10-4cm/s以上的土壤中[4]。由于这种材料是真溶液，遇水发生反应膨胀(约20倍率)，将漏水缝隙快速大面积封堵，其扩散半径比普通水泥大5～8倍，注浆压力越大，用水溶性聚氨脂注浆材料注入漏水缝隙中，能扩散至5～6 m远的岩体中。实践证明，在快速、渗漏量小的面渗部位，采用聚氨脂材料注浆处理极其有效，且因其具有快速见效，聚氨脂预注浆在洞库总体注浆工艺流程中作为其他注浆盖重层的速成方法更显优势，为了保证作用持久，聚氨脂注浆层施工完成后需要进行喷射混凝土封闭处理。

3.7 环氧树脂复合材料

环氧树脂复合注浆材料是由改性环氧树脂材料配制，由A组份(基液)和B组份(固化剂)组成，可作为不良地质体防渗、堵漏、补强的常用有效手段。因其浆材也为真溶液，作为非颗粒状浆材，水泥颗粒不能灌入的细微裂缝(一般小于0.05 mm)[5]，复合浆材可以渗入，特别在花岗岩微小裂隙发育、断层破碎影响带、软弱泥化夹层等区域可灌性更佳。因此，环氧树脂复合材料注浆适用于经多次水泥注浆处理后渗水量仍较大的区域。

环氧树脂复合注浆材料浆液配制方法：称取适量的A、B组份改性环氧树脂，A组份：B组份=5：1(重量比)，也可根据注浆试验情况调整配比。

4 总体注浆工艺流程

地下洞库注浆施工工艺流程为：地质素描→压水试验和预注浆设计→预注浆→开挖支护→压水试验及后注浆设计→聚氨脂盖重层预灌→后注浆→喷射混凝土封闭→下一循环，总体工艺流程如图5所示。

图5 总体注浆工艺流程示意

5 施工建议

5.1 预注浆为主

地下水封石洞油库注浆施工在作业时，施工组织理念尤为重要，在实际施工过程中，施工单位边开挖边注浆，施工作业相互影响，在工程进度紧迫的情况下，施工单位往往以开挖为主，渗控堵水为辅，以后注浆为主，预注浆为辅。这种施工组织模式对注浆堵水不利，石洞油库应以注浆堵水施工为主，挖一段灌一段；以预注浆为主，后注浆辅，并辅以盖重层设计，提高注浆堵水效果。

5.2 高压稀灌

设计时应对不同围岩，尽量采用高压稀灌方案。设计单位应探索不同围岩类别的深孔预注浆合理的设计方案(孔深、孔向、注浆参数等)，便于施工过程中不断验证和完善渗控堵水方案，这是今后地下水封石洞油库注浆堵水理论需解决的问题。

5.3 化学注浆

化学注浆材料是堵水的良好材料，但地下水封石洞油库因担心化灌材料对原油油品产生影响，对化学注浆材料的应用未加以推广，建议后续工程进一步研究化灌材料对存油条件的影响及采取有效技术措施(如隔离、改进等)消除影响，推广新材料的应用。

6 结语

工程上注浆堵水材料种类较多，只有通过不断试验和优化，才能取得理想的效果，而地下水封石洞油库要求注浆材料不能影响存油条件，不能与油品发生反应，因此，注浆新材料使用前需与油品进行相应实验，以检验其相容性，如不合格即不能投入使用。此外，注浆是一个系统的施工过程，施工前应分析工程地质条件、渗水来源、通道和渗水量，以便有针对性地选择施工方法、注浆材料、设计参数，提高堵水效果。