孔口封闭灌浆法讨论

1、孔口封闭灌浆法讨论 夏可风 (中国水电墓础局有限公司) 【 摘 要】孔 口封闭灌策法是我国原创的工法 , 在水 利 水 电工程中普遥采用 。 本文对这 种工 法的 由来与 发展 、 理论依据 、 优 点 缺点 、 适用条件 进行阐述 和 评 论 , 对部分工序提出改进建议 。 【关锐词】 孔 口封闭灌浆法 由来与发展改进建议 1 孔口封闭灌浆法的由来和发展 20 世纪 5 0年代末 , 建在砚盖层地基上的北京密云水库白河土坝坝基防渗大部分地段 采用了混凝土防渗墙 , 部分卵石地层地段由于造孔困难 , 采用了帷幕灌浆方案 . 灌浆方法 是引进前 苏联 的预埋 花管法 。 这种方法是 法 国人首先

2、发 明的 , 称 为索列丹斯 (S ole t - a nc he )法 , 其主要施工程序是首先钻出灌浆孔 , 在孔内下人特制的带有孔眼的灌 浆管 (花管) , 灌浆管与孔壁之间填人特制 的 “填料” , 然后在灌浆管里安装双灌浆塞分段进行 灌浆 。 预埋花管法是一种可靠的 、 成功的工法 , 著名的埃及 阿斯旺高坝坝基防渗帷幕 (深 2 2 2m) 就是用此法完成的 。 预埋花管法的主要缺点是需要预埋花管 , 当时我国塑料工业 不发达 , 需要使用大t 钢 管 , 钢管也很紧缺 , 工程造价昂贵 。 其次 , 预埋花管法的施工程序较多 , 花管的制作和下 设 、 填料 、 灌浆等技术均比较

3、复杂 。 因此 , 后来在其他工程施工时我国工程技术人员发明 了一种更简便节省的方法 循环钻灌法 , 又称边钻边灌法 。 这种工法的主要程序是先浇 筑混凝土盖板 , 埋设好孔口管 , 之后自上而 下逐段进行钻孔 , 灌浆 ; 再钻孔 , 灌浆直 至终孔 。 这种方法在河北岳城水库等工程中取得了成功 , 遂成为我国被盖层中灌浆的主要 工法 。 2 0世纪7 0年代末期 , 贵州乌江渡工程兴建 , 强岩溶地基帷幕灌浆是该工程成败的关 键技术之一 , 我国工程师王志仁提出采用高压灌浆的方法解决岩溶灌浆的问题 , 但是国内 当时的技术条件(主要是灌浆泵 、 灌浆塞 、 胶管 、 高压阀门等)灌浆压力一

4、般只能达到 3MPa以下 。 为了解决高压灌浆塞的问题 , 王志仁提出采用孔口封闭 (王当时称其为 “ 无 塞灌浆 ”) 的方法 , 这种方法使用孔口封闭器替代高压灌浆塞 , 将极盖层循环钻灌法的工 艺 , 移植到基岩灌浆中 。 与此同时 , 又经过研制或改进 , 解决了高压灌浆泵 、 高压耐磨阀 门等技术难题 , 使孔口封闭灌浆这样一个系统工法具备了完全的实施条件 。 再经过乌江渡 工程多次的现场试验和2 0余万 m 帷幕灌浆施工实践 , 接着又在青海龙羊峡水电站 、 贵州 东风水电站 、 辽宁观音阁水库 、 湖北隔河岩水电站等推广应用 , 取得了巨大的成功 。 1983 年版水工建筑物水泥

5、灌浆施工技术规 范首次将孔口封闭灌浆法列人规范 , 1994 年 200 1 年版灌浆规范对该法进行系统完整地阐述和规定 。 孔口封闭灌浆法现在已成为我国水利水电工程灌浆施工中基本的 、 用得最多的工法 。 2 研发孔口封闭法的意义和理论依据 研发孔口封闭灌浆法的初衷主要是为了实现高压灌浆 , 其依据是基于 以下多方面技术 考虑 。 2 . 1 采用小孔径钻孔 , 以提高钻孔工效 孔口封闭灌浆法形成以前 , 灌浆孔的孔径一般都要在内lm m 以上 , 这是因为灌浆孔 中要下人 双层灌浆管和灌浆塞的缘故 。 采用孔口封闭法以后 , 灌浆孔中只需下人一根射浆 管 , 射浆管也就是钻杆 , 其直径一

6、般为包Zm m , 因此灌浆孔 的最小直径笋 5 6 m m , 甚至更 小就可以了 。 灌浆孔直径的减小给广泛使用金刚石钻头创造了条件 , 钻孔工效 大大提高 , 从而从总体上提高了灌浆施工的工效 。 那么 , 减小灌浆孔的孔径是否会带来注人率的减小呢?从直观上看 , 钻孔直径减小以 后 , 钻孔与岩体裂隙相交的长度也减小了 , 也就是说钻孔中通过浆液的面积减小了 , 通过 浆液的流量 (注人率)也会减少 , 从而延长灌浆时间 , 这是不利的 。 但是计算分析和工程 实践表明 , 影响浆液注人流量大小的主要因素是裂缝宽度 , 而钻孔直径的影响较小 。 更何 况高压灌浆还对裂缝有较大的扩宽作用

7、 , 实际上有效地增大了注人流量 。 2 . 2 改孔内卡密为孔口封闭 . 避免灌浆鑫缺 陷和孔 内卡塞的麻烦 如前所述 , 在孔口封闭灌浆法形成以前 , 灌浆时灌浆塞是安放在钻孔里 面的 。 这种做 法有几个弊病 : 当时的螺杆顶压胶球式灌浆塞不能承受较大的灌浆压力 , 压力大了灌浆 塞就会滑动或漏浆 , 或压坏止浆胶球 ; 当孔壁不够平整圆顺时 , 灌浆塞常常不易封闭严 密 , 如果岩石中的陡倾角裂隙发育 , 灌浆时常易发生绕塞返浆 ; 灌浆塞及其双层管路 的安装操作劳动强度大 。 改为孔口封闭灌浆法以后 , 这四个弊病完全被克服了 。 虽然 , 运用现代橡胶技术的高压充气式胶囊灌浆塞及高

8、压灌浆软管等我国均已可以自 行制造 , 并已经在有些工程中应用 , 但是其所适用的灌浆方式是纯压式灌浆 , 如果要用于 循环式灌浆仍然是比较复杂的 、 不方便的 。 这也是孔口封闭灌浆法至今仍有生命力的 原因 。 2 . 3 大 大提商浅层岩体的灌浆压力 , 以适应防渗帷幕实际 运行条件的要求 采用孔口封闭灌浆法以前 , 各灌浆段的灌浆压力多是按照静水压力的原理 , 自上 而下 逐渐增加的 (如图1中的OCA三角形) 。 使用的公式为 P= KyD 式中 : p为灌浆压力 , k Pa ; y 为岩石重力密度 , kN/m ,; D 为灌浆段上 面的岩石厚度 , m ; K 为系数 , 可采用

9、 15 。 还有其他一些公式 , 主要是在系数和增加某个常数上有些变化 , 物理原理是一样的 。 灌浆压力按照上述规则确定 , 理论上并无间题 。 但问题是灌浆帷幕承受的渗透压力却 是相反 , 是上大下小的 (如图2中的OBA 三角形) , 这就要求 帷幕的厚度或者密 实度 (抵抗渗透压力的能力)也是上大下小 。 为解决这一问题 , 帷幕的结构需要采用多排孔设 计(图 3) , 实际上许多坝的防渗帷幕也是这样设计的 。 图1 按静水压力灌浆压力示愈图图 2 坝基渗透压力分布图 、 、 图3多排帷幕灌浆 图4 孔口封闭法滋浆压力分布图 为了从另一个角度解决问题 , 即用较少的钻孔 , 达到提高帷

10、幕上部的厚度和密实度的 目的 , 这就研究发明 了孔口封闭灌浆法 。 孔口封闭灌浆法的压力设t , 打破了静水压力原 理的约束 , 基本上采用了自上而下等压力的模型 (图4 中OFCA ) , 其 中虽然孔口sm (第 1 、 2 、 3 段)的压力是由D逐渐升高到E (等于F)的 , 但是在以下孔段 的灌浆中 , 它们 都经受了最高压力的重复灌浆 。 2 . 4 由低压灌浆发展到高压灌浆 , 增强灌桨效果 如前所述 , 孔口封闭灌浆法采用以前 , 我国灌浆工 程使用的压力不超过 3MP a , 这 里 除了对灌浆机理的认识以外 , 灌浆泵 和灌浆塞的技术性能达不到也是 限制条件 。 采用孔口

11、 封闭法以后 , 以孔口管和孔口封闭器取代灌浆塞 , 这就避开 了需要高压灌浆塞的难点 , 从 而通过经济实用的方式实现 了高压灌浆 。 乌江渡水电站帷幕灌浆首创采用孔口封闭灌浆法 使用的最大灌浆压力是 6MPa (压力表指针摆动最大值) 。 由低压灌浆发展到高压灌浆是灌浆技术的一次飞跃 。 低压灌浆基本上是渗透灌浆 , 高 压灌浆则基本上是劈裂灌浆 。 理论分析表明 , 灌浆时灌浆孔孔壁处岩体承受的拉应力等于 灌浆压力 。 只有少数坚硬岩石的抗拉强度达到SMPa或以上 , 更何况岩体中有许多裂隙 , 因此在高压灌浆时灌浆孔周围的岩石不是本身被劈裂 , 就是原有的裂隙被扩宽和延伸 。 于 是大

12、大地提高了岩层的可灌性和增加了吸浆量 , 从而增强了灌浆效果 。 2 . 5 为避免和减少岩体抬动 . 提出灌浆压力和注入率的适应关系 在首创孔口封闭灌浆法的乌江渡水电站工程大坝防渗帷幕灌浆施工规程(197 8年 5月) 中规定 : 一般灌浆段灌浆时应尽快升到设计压力灌注 。 若遇大量耗浆地段 , 水灰比 达到0 . 5 , 1时 , 其压力与注人率应参照下列关系变化 (表1) : 衰 1 注注人率 (L/m in ) ) ) 50 0 0 503 0 0 030 20 0 0 20 0 0 压压力(MPa) ) ) 0 . 5l l ll2 2 224 4 4 设计最大压力力 这里明确规定了

13、使用高压力的条件 。 这是中国版的G IN原则 , 时间上更早于欧洲 。 2 . 6 严格灌浆结束条件 , 由灌后待凝发展 到不待凝 在孔口封闭灌浆法应用以前 , 每一灌浆孔段灌浆结束以后 , 常常需要待凝 , 大大降低 了施工工效 。 是否可以不待凝呢?通过试验 , 证明适当延长灌浆结束阶段 的持续时间 , 可 以加快注人岩石裂隙中的水泥浆液的泌水速度 , 缩短初凝时间 , 实现灌浆后连续进行下一 段钻孔作业 , 而不会影响已完成灌浆段的灌浆质量 。 同样 , 严格的封孔条件确保了灌浆孔在完成灌浆施工后封堵严密 。 3 孔口封闭法的工艺要求与技术要点 3 . 1 工艺流程 孔口封闭灌浆法单孔

14、施工程序为 : 孔口管段钻进裂隙冲洗兼简易压水孔口管段灌 浆镶铸孔口管 待凝 7 2 h 第二灌浆段钻进 裂隙冲洗兼简易压水一灌浆下一灌浆段 钻孔 、 压水 、 灌浆直至终孔 封孔 。 见图5 。 3 . 2 设备及机其配t 孔口封闭灌浆法的主要机具配置及 要求见表 2 。 3 . 3 技术要点 孔口封闭灌浆法是成套的施工 工艺 , 它总体上 比自上 而 下分段灌浆法简便高效 , 但有 的环节要求高 。 施工人员不能只图简便 , 将几种灌浆方法的省力之处拼凑起来 . 这样将达 不到灌浆效果 。 ( l)钻孔孔径 。 孔口封闭法适宜 于小 口径钻孔灌 浆 , 因 此钻孔 孔径宜为价5 6mm一

15、抑6m m 。 与人Zm m或价5 0 m m 的钻 杆 (灌 浆管) 相配合 , 保持孔内浆液能较快地循环 流动 。 (2 ) 孔口段灌浆 。 灌浆孔的第一段即孔口段是镶铸孔口管的位置 , 各孔的这一 段应当 先钻出 , 先进行灌浆 。 孔口段的孔径要 比下部灌浆孔的孔径大 2 级 , 通常为 7 611 0m m 。 13 裹 2 孔口封闭湘娘法的主共机典限t 主主要设 备备 主要技术要求求 岩岩芯钻机机各种规格 的回转式岩芯钻机机 钻钻具 、 钻杆 注浆曹) ) ) 此6一匆6m m各类钻头及配套钻具 具 高高压范浆泵泵 工作压力大于1 . 5倍最大范浆压力 , 一般应)SMP a a

16、a 高高压胶管管俐丝编侧胶管 , 工作压力要求同上上 离离压闷门门耐磨阁门 , 工作压力要求同上上 孔孔口管管允, m m 、 价 一osm m无缝俐管 管 孔孔口封闭器器与孔口f配合 , 钻杆可在其中活动 , 工作压力要求同上上 高高速侧蒙机 机 ZOOL . 搅拌轴转速) 12O0r/min n n 鳍鳍浆拢拌机 机2 0 OL , 拢拌轴转速 3 0、SO r/ 而 n n n 自自动记录仪仪使用双流t计或小循环连接法法 压压力表 表最大t 程20MP a a a 图5 孔口封闭法主要施工程序示意图 ( a)孔口管段钻进. (b ) 孔口管段胜桨 ; (c ) 镶铸孔口管 . (d )

17、第二灌浆段钻进 , (,) 第二范浆段灌浆 . (力下一班浆段钻孔一祖浆 孔口段的深度应与孔口管的长度一致 。 滋浆时在孔内安装灌浆塞 , 进行循环式或纯压式灌 浆 , 直至达到结束条件 。 这就是说 , 孔口封闭灌浆法的孔口段灌浆不是通过孔口管和孔口 封闭器来实现 , 而是通过灌浆塞来进行的 。 还要注意的是 , 灌浆塞的安放位t应当是跨在 14 4 孔口封闭灌浆法的优点和不足孔口封闭灌浆法与其他灌浆方法的比较见表3 。 具体可分析如下 。 裹3孔口封闭湘桨法与其他灌桨方法比较 葬干 4 . 1孔口封闭灌桨法的优点( l) 与自上而下分段卡塞灌浆相比 , 施工简便 、 工效高 。 由于孔口封

18、闭灌浆法改孔内 安装灌浆塞的工艺为在孔口安装孔口封闭器 , 大大方便了施工 , 同时减少了灌浆塞封闭不严 、 橡胶塞被顶坏 、 塞子被水泥浆凝死等故障 , 显著提高了工效 。 而且越是深孔这种好处 越明显 。 提高工效的幅度一般可达到3 0%以上 。 (2 ) 根本避免了发生 “ 绕塞返浆 ” 的问题 , 施工的可靠性高 。 孔口封闭灌浆法不在钻孔内安装灌浆塞 , 因此也就排除了孔内浆液会通过陡倾角裂隙 , 绕过灌浆塞返流到孔口冒 出地面的问题 。 (3 ) 钻孔和灌浆设备器具简单 。 一般说来 , 孔口封闭灌浆法使用的钻孔 、 灌浆的设备 和器具都比较简单 、 小型 、 廉价 , 适合在各种

19、工程和施工条件下应用 。 在我国多数施工单位大型钻孔灌浆设备不足 , 精密高效灌浆器具不足的条件下 , 可以比较经济简便地实现循 环式高压灌浆 。 ( 4) 可灵活使用各种性能的浆液 。 由于孔口封闭灌浆法是循环式灌浆 , 所以可以使用各种性能的浆液 , 包括非稳定浆液和稳定浆液 , 可以方便适时地实现各级水灰比浆液的变 换 , 可以根据受灌地层的不同情况有针对性地调整浆液性能 , 从而增强灌浆效果 。 (5 ) 重复灌浆提高了施工的可靠性 。 由于上部各灌浆段可多次重复接受灌浆 , 因而对 施工疏漏 、 作假的补偿机会多 , 施工安全系数大 , 灌浆质量有保证 , 灌浆效果好 。 4 . 2

20、孔口封闭灌浆法的缺陷 ( 1) 不便使用快速钻孔机械 , 与自下而上纯压式灌浆相比 , 施工复杂 、 工效低 。 孔口封闭灌浆法虽然比自上而下分段卡塞灌装施工简便 、 工效高 , 但与自下而上纯压式灌浆相 17 压灌浆就不太经济了 。 ( 3 ) 较适用于灌浆压力大于3 MP a的高压灌浆 , 低压灌浆可用普通的灌浆塞解决 。 ( 4 ) 适用于盖重较大或对抬动变形不敏感的工程部位 。 如在对抬动变形要求十分严格 的部位 , 则施工应极为小心 。 ( 5 ) 因为灌浆浆液的损耗量较大 , 因此贵重材料的灌浆最好不要采用本工法 。 6 对孔口封闭灌浆法改进的建议6 . 1提离工效的措施 与自下而

21、上灌浆法相比 , 孔口封闭灌浆法的较大缺陷是工效较低 。 一个机组配! 2 台岩芯钻机和1台灌浆泵 , 对于中等硬度和可灌性的岩层 , 平均工效一般为2 0 0 3 0 0m / 月 , 最高工效可达4 0 0 m / 月 。 但是 , 自下而上纯压式灌浆法使用冲击回转钻机 , 工效可达Z 0 0 0m / 月 。 孔口封闭灌浆法由于其钻灌工序需要交替进行以及其他因素 , 工效提高受到较大的制约 , 但如果采取以下一些措施 , 工效还是可以提高一大步 。 ( 1 ) 缩短灌浆结束阶段持续时间 。 S L 6 2 一1 99 4 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范规定 , 灌浆应同时满足下述两个条件

22、后 , 方可结束 : 在设计压力下 , 注入率不大于 I L / mi n , 续灌灌注时间不少于go m i n ; 灌浆全过程中 , 在设计压力下的灌浆时间不少于1 2 0 mi n 。 D L /T 5 1 4 8 一2 0 0 1 规定 , 各灌浆段的结束条件为 : 在该灌浆段最大设计压力下 , 注人率不大于I L / m i n , 继续灌注6 0 一9 0 m i n , 可结束灌浆 。 这两个标准的规定都有很大的余地 。 本文2 . 6谈到了规定这个严格结束条件的目的 , 但是当时的实践依据主要是针对溶洞 泥的灌浆挤密和排水固结 。 对于一般的裂隙岩石 , 达到这个目的不需要那么

23、长的时间 , 试验和实践证明有S m i n , 至多2 0m i n 就可以了( 详见本人关于岩石地基水泥灌浆的结束 条件的讨论) 。 其次 , 条文不问灌浆段的岩石和灌浆情况 , 缺乏针对性和差别性 。 实际施工中 , 特别 是1 1 、 皿序孔灌浆中 , 有许多孔段不吸浆 , 其灌浆结束阶段的持续时间完全可以缩短 , 甚至省略 。 ( 2 ) 全断面钻进连续灌浆 。 钻孔灌浆轮番进行 , 反复起下钻具 , 也是影响工效的因 素 。 鉴此一种全断面钻进 , 不提钻连续灌浆的工艺曾在一些工程中试行 。 这种方法采用全断面钻头( 无岩芯) 钻孔 , 一个灌浆段钻完后 , 立即冲洗钻孔 , 不提

24、钻接着进行灌浆 , 灌 浆达结束标准后 , 把浆液换成冲洗液继续进行下一段钻孔周而复始 。 这种工艺由于减少了起下钻的环节 , 因而可以提高工效 , 但它只适用于中等硬度的岩石和裂隙不甚发育吸浆量较小的地质条件 。 因为一旦吸浆量较大 , 灌浆时间较长 , 钻头和 钻杆很容易一起铸死在钻孔中 。 6 . 2减少施工事故的措施 针对灌浆在结束阶段容易发生铸管事故的弊病 , 施工中可采取以下措施 : ( l ) 使用新型孔口封闭器 。 有的工程将孔口封闭器加以改进 , 使在灌浆全过程中 , 射 浆管能不停地转动或升降运动 , 这可以在很大的程度上防止铸管事故 。 不足之处是使孔口封闭器复杂化了 , 而且即便如此也未能完全可