GIN法灌浆技术分析及其应用.docx

GIN 法灌浆技术分析及其应用杨俊志 , 冯杨文( 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 四川准达岩土工程公司 , 四川 成都610072)摘 要 : 对 GIN 灌浆法的技术特点进行了分析 , 并对 GIN 灌浆法的应用及过程控制进行了介绍 。关键词 : 灌浆强度值 ; 灌浆材料 ; GIN 灌浆法 ; 浆液配比 ; 性能中图法分类号 : TV543文献标识码 :B文章编号 :1003 - 9805 (2006) 02 - 0108 - 041GIN 灌浆法简介GIN 灌浆法由瑞士灌浆专家隆巴迪 (L ombardi ) 等人提出 。要对岩体灌浆 ,就必须消耗一定的能量 。单 位孔段上消耗的灌浆能量 ,即灌浆强度值 GIN ( Grout2ing Intensity Number) ,以灌浆孔段的最终灌浆压力 P(MPa) 和单位灌段注浆量 V (L / m) 的乘积表示 :GIN = PV ( M PaL / m)(1)在灌浆过程中保持 GIN 为常数 , 可以限制宽大裂隙的灌注量 , 而对可灌性较差的微细裂隙则可提 高灌浆压力 , 既避免了导致地面抬动或水力劈裂的高压力与大灌注量的组合 , 又避免了灌注微细裂隙 不合适的低压力与小灌注量的组合 。在灌注过程中 ,尽可能使用单一配比的具有宾汉 流体特性的稳定浆液 , 以稳定的中低流速进行灌注 , 随着注入量的增加 , 压力逐渐上升 , 当注入量达到预定的限制值 (见图 1 中灌浆进程曲线 ) , 或压力达到 预定的限制值 (图 1 中灌浆进程曲线 ) , 或者虽然压 力和注入量小于限制值 , 但二者的乘积达到 GIN 值(图 1 中灌浆进程曲线 ) 时 ,即可结束灌浆 。如图 1 所示 , GIN 曲线为一条双曲线 , GIN 曲线a 与压力 Pma x限制线 b 和注浆量 Vma x限制线 c 一起 构成灌浆进程限制包络线 。图 1 GIN 灌浆进程限制包络线依据不同地层 、不同的裂隙发育状况选用不同 的 GIN 值 , 参考的强度等级如图 2 所示 。图 2 灌浆强度值等级21112理论计算GIN 法灌浆浆液为具有宾汉流体特性的稳定性 浆液 , 既有黏度 , 又有内聚力 。黏度控制浆液流动速 度 , 内聚力控制浆液渗透半径 。在压力作用下 , 浆液 沿着岩缝渗入 , 随着浆液与裂隙面接触的扩大 , 其总的内聚力逐渐增大 , 不断抵制浆液的流动 , 当两种作 用力平衡时 , 浆液停止流动 , 灌浆过程结束 。因此 ,2 GIN 灌浆法技术分析211GIN 值的选择21111灌浆强度值参考等级收稿日期 :2006 - 02 - 15作者简介 : 杨俊志 (1966 - ) , 男 , 四川三台人 , 教授级高级工程师 , 主要从事水利水电工程地质勘探 、岩土锚固 、基础处理及工程评估与咨 询等工作 。10821211 GIN 法灌浆要求的稳定性浆液的性能指标(1) 比重 :11601168 ;( 2) 马氏漏斗黏度 : 34s ; ( 3) 析水率 (2h) : 15M Pa ;( 5) 内聚力 : 4N/ m2 。21212 中等稠度的稳定浆液的优点( 1) 在流动速度低的情况下水泥颗粒沉淀较少 ;(2) 在狭窄的渗流通道内浆体被推挤渗透流动 中析水较少 , 避免通道过早地被阻塞 ;(3) 由于浆体具有内聚力 , 浆体在离开钻孔向四 周流动时压力急剧降低 , 在一般情况下 , 甚至在高的 灌浆压力下 , 其总的上举力比其上覆岩体荷载的重 量要小得多 , 故岩体节理和层面发生水力劈裂及岩 层抬动的风险小 ;( 4) 注浆结石强度高 、渗透性低 、耐久性好 、质量 可靠 。21213 稳定浆液的配合比试验根据 GIN 灌浆法要求的稳定浆液的特性 , 从水灰比 ( 重量比) 016111 的浆液中选择几组进行试 验室试验 。试验包括 :( 1) 试验可用的几种不同细度的水泥 ;( 2) 外加剂的不同掺加百分比的性能试验 ;( 3) 马氏漏斗黏度 、析水率 、内聚力 、初凝和终凝 时间 、3d 和 28d 抗压强度试验 。21214 稳定浆液的配合比选择(1) 根据试验结果选择性能符合要求的稳定浆 液的配合比 ;(2) 根据灌浆区地质体条件 、不同的灌浆深度 、 不同的帷幕厚度 、不同的防渗标准综合选择合理的稳定浆液配合比 ;(3) 根据现场灌浆试验结果调整稳定浆液的配 合比 。213 计算机控制用计算机控制灌浆过程 , 在监视屏上随时观测灌浆压力和注入量 , 监视 P V 灌浆过程曲线在选 定的 GIN 曲线图上的运作趋势 , 避免出现过高的灌 浆压力和过大的 、不必要的灌注量 ; 根据可灌性曲线 Q/ P V 的变化趋势 , 判断灌浆的完成情况 , 保证 灌浆质量 。灌浆过程中 , 由计算机绘制 P V 曲线 、可灌性 曲线 Q/ P V 及 P T 曲线 、V T 曲线 、Q T 曲线 、Q/ P T 曲线 , 同时在屏幕上显示压力 P 、注入 率 Q 和时间 T 等 。根据压力 、注入率大小情况 , 合 理匹配控制注入率与灌浆压力 。109可根据裂隙中宾汉流体的扩散能力 , 导出理论计算公式 :GIN = 161820 r3GIN 值的(2)0r式中宾汉流体的剪切屈服强度 , Pa ;有效灌浆半径 , m 。21113 灌浆工程设计标准根据不同的防渗标准 、不同的灌浆帷幕厚度选 用不同的 GIN 值 。防渗标准高 、灌浆帷幕厚度大时选用高的 GIN 值 。21114 灌浆深度GIN 值按孔深由浅及深逐渐加大 。21115 灌浆方式方法国外采用 GIN 法灌浆时 , 一般采用自下而上分 段卡塞纯压灌浆法 。鉴于孔口封闭法灌浆较成熟 , 因此 , 国内的 GIN 法灌浆多采用孔口封闭 、自上而 下分段循环灌浆方式 。众所周知 , 采用孔口封闭法 要对灌段以上部分进行复灌 , 这就要消耗更多的能 量 。因此 , 采用孔口封闭自上而下分段循环灌浆方 式时 , 选用的 GIN 值应较自下而上分段卡塞纯压灌浆法稍大 。21116灌浆孔布置与 GIN 的关系 根据已有经验及资料 , 参考 图 2 中 的 5 种“标准”GIN 极限曲线 , 假定一临时的 GIN 值 , 根据灌浆过程中 得 到 的 结 果 对 该 值 进 行 调 整 , 找 出 适 宜 的GIN 值 。灌浆时 , 以某一临时的 GIN 值作为起始值 , 第 一序孔按某一选定的距离排列 , 第二序孔插入第一序孔中间 , 第三序孔 、第四序孔依此类推 。以上一序 孔到下 一 序 孔 吸 浆 量 减 小 的 速 率 ( 该 值 在 25 % 75 %范围内较合适) 来衡量灌浆效果的好坏 , 并据此调整 GIN 值和孔距 。如观测到吸浆量的下降速率 太小 , 则 表 明 选 择 的 GIN 值 对 所 选 的 孔 距 而 言 太低 , 应增大 GIN 值或缩小孔距 ; 如吸浆量下降的速 率太大 , 则应采取相反的措施 。在实际灌浆施工中 , 往往是上述几种方法的综 合运用 。212 稳定浆液采用单一配合比的中等稠度的稳定浆液是 GIN法灌浆技术的核心之一 。稳定性浆液的定义为 : 在1 000mL 的圆筒内 , 2h 顶部析出的清水小于 5 % 的 水泥浆液 。为获得 具 有 较 好 流 动 性 和 稳 定 性 的 浆 液 , 需在水泥浆液中加入一定量的减水剂和膨润土 。其中膨润土可提高浆液的稳定性 , 减水剂可降低浆液黏度 、提高浆液流动性 。另外 , 采用高速搅拌机制 浆不仅速度快 、效 率 高 , 而 且 可 降 低 水 泥 浆 液 的 黏度 、内聚力和析水率 , 提高浆液的分散性和稳定性 。在后次序孔施工过程中 , 根据单位注入量的降低程度判断前序孔所选用 GIN 值的适宜性 , 为 GIN值的调整提供依据 。在灌浆过程中 , 注意观测抬动变形值 , 避免压力 过大或 GIN 值过大引起地层发生破坏性变形 。314GIN 灌浆方式 、方法GIN 法采用孔口封闭 、自上而下分段 、孔内循环 灌浆 。315稳定浆液31511浆液材料(1) 水泥 : 普通硅酸盐水泥 P1O4215 , 其细度为 通过 80m 方孔筛的筛余量不大于 5 % ;( 2) 水 : 河水 , 其品质满足拌和混凝土用水要求 ;( 3) 掺合料 :采用四川三台的细度为 200 目的钠 基膨润土 ;(4) 减水剂 :UN F - 5 高效减水剂 ( 非引气型) 。31512稳定浆液配合比(1) 浆液水灰比 :0171 ; ( 2) 膨润土 :3 % ;(3) UN F - 5 减水剂 :015 % 。316GIN 灌注过程控制31611控制原则GIN 法灌浆的灌浆强度值 GIN 一旦选定 , 无论 是对于低压力 、大耗浆量容易灌注的宽大裂隙 , 还是对于高压力 、小耗浆量的微细裂隙的灌浆都应采用 这个值 , 以保持该灌浆段在整个灌浆过程中 GIN 值 是一个常数 , 避免出现高压力 、大灌注量或低压力 、 小灌注量的不利组合 。31612控制手段(1) GIN 灌注技术主要是利用计算机控制灌浆 过程 , 随时监控灌浆压力和注入量 , 监视 P V 灌浆 过程曲线在选定的 GIN 曲线图上的运作趋势 , 因此可根据可灌性曲线 ( Q/ P V) 的变化趋势 , 判断灌 浆完成情况 。由我公司自行研制的 GJ - 1000 型自动化灌浆 操作系统 , 其 GIN 灌浆法功能模块和压力自动调节 系统能顺利地完成 GIN 法灌浆过程的自动控制 。(2) 灌浆前 , 按照图 4 所示连接安装好灌浆设备3GIN 灌浆法在紫坪铺灌浆试验工程中的应用311工程概况紫坪铺水利枢纽工程位于岷江上游沙金坝河 段 , 下游距都江堰约 9km , 两岸均有公路经过 , 交通 方便 。灌浆试验区域选择在坝址上游右岸麻溪镇背坡800m 高程平台上 , 11 号 、12 号 、67 号钻孔位置之间 。 该区地形平缓 , 地层分布有中细粒砂岩 、粉砂岩 、泥 质粉砂岩及剪切破碎带等各类岩层 。在第二块段试区的单排帷幕孔 W3 组进行 GIN法灌浆试验 。312GIN 灌浆法试验目的(1) 验证 GIN 灌浆法的合理性和实用性 ;(2) 综合 GIN 法灌浆技术和传统灌浆技术的优 点 , 探索适合紫坪铺地层的新的灌浆方法和工艺 ;(3) 研究适合紫坪铺地层以及不同孔深的最优 GIN 值及与之相匹配的最大灌浆压力 Pma x和最大单 位灌段注浆量 Vma x ;( 4) 研究适合紫坪铺地层的稳定浆液配合比 ;( 5) 研究适合紫坪铺地层的灌浆结束标准 。313GIN 值的选择根据紫坪铺地质情况及 GIN 灌浆法特点 , 将最 大压力 Pma x在设计压力的基础上提高 15 %左右 , 选定GIN 值及相关控制参数 ( 见图 3) 。图 3 紫坪铺试验灌区 GIN 参数图 4灌浆设备及监测仪器安装连接示意110和监测仪器 。(3) 灌浆过程中 , 由计算机绘制 P V 曲线 、可 灌性曲线 Q/ P V 及 P T 曲线 、V T 曲线 、Q T 曲线 、Q/ P T 曲线 , 同时在屏幕上显示压力 、注 入率和时间等 。(4) 根据压力 、注入率大小情况 , 注意匹配控制注入率与灌浆压力 ( 见表 1) 。表 1 注入率与灌浆压力控制注入率灌浆压力 20 降低一个压力等级或保持最低压力 ( 当 P 1MPa 时) 31613 控制方法(1) 细微裂隙地层的灌浆过程 。在这种地层中 ,注入率很小 , 压力升高很快 。当压力达到最大值后 ,保持稳定至结束标准 。如图 5 所示 , 灌浆曲线 落 在 0 - 2 - 3 - 6 区域 , 灌浆结束点在 2 - 3 线上 。(2) 中等发育裂隙区的灌浆过程 。在这种情况下 , 压力随注入量的增加平稳上升 , 当 P V 过程曲 线逼 近 或 达 到 GIN 曲 线 时 , 降 低 灌 浆 压 力 , P V 过程曲线沿 GIN 包络线下滑 , 直 至 达 到 结 束 标 准 。如图 5 所示 , 灌浆曲线 落在 0 - 3 - 4 区域 , 灌浆结 束点在 3 - 4 包络线上或 GIN 曲线 a 上 。(3) 宽大裂隙地层的灌浆过程 。此种地层的耗 浆量大 , 难以升压 , 有时甚至呈无压自流状态 。此时 的灌浆曲线落在 0 - 1 - 4 - 5 区域 。按规定 ( 注入量规 定值) 采取限流 、限量及间歇等措施 , 直至达到规图 6 GIN 灌浆曲线量 , 有利于降低工程成本 。319GIN 法灌浆与常规法灌浆对比在同孔深帷幕灌浆试验中 , 分别采用常规“孔口封闭 、自上而下”灌浆与 GIN 法灌浆的两种灌浆方 法进行对比试验 , 结果见表 2 。4结束语表 2常规法与 GIN 法灌浆水泥注入量的对比在