碎石土回填基礎灌漿補強施工

陶旭東

(黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030002)

1 工程概況

某引水泵站位于黃河中游峽谷內，1997年因一水電站庫區淹沒在原址新建，沿黃河右岸依次布置一級斜坡式取水泵站、二級取水泵站及斜板沉沙池等，場區高程982 m，長度300 m，頂部寬度60 m。各建筑物基礎至開挖新鮮巖石，場區碾壓回填10 m～27 m碎石土層，迎水面采用無紡布加漿砌石護坡。水庫蓄水后正常水位977 m，最高水位980 m，最低水位952 m。水庫蓄水后泵站場區背靠山體三面環水。1998年秋季水庫開始蓄水、1999年春季因黃河凌汛庫水位下降，回填場區發生不均勻沉降導致場區內敷設輸水管路發生滲漏。

2 沉降原因分析

水電站運行方式:為防止庫區高水位對黃河上游包頭、河套地區產生影響，每年在春季凌汛和夏季防汛期間采用低水位運行，且水位下降速度快，短期內(3 d)可降低20 m。

泵站基礎基巖為寒武系灰巖，巖層產狀平緩，走向NE，傾向NW，傾角2°～3°?；A大部分巖體飽和抗壓強度為88.4 MPa～176.9 MPa，相對軟弱的泥灰巖、頁巖在新鮮狀況下的飽和抗壓強度平均值大于80 MPa。經觀測所建建筑物未發生明顯沉降。

經分析，回填場區沉降原因:因水庫正常水位時，回填場區處于黃河水浸泡，在水位快速下降過程中，回填碎石土細顆粒流失。

3 灌漿試驗

經設計復核，回填區基礎處理采用灌漿形式加固。沿場區外側布置防滲帷幕封閉，場區內采用回填灌漿補強加固。為了選擇相適應的灌漿材料和灌漿方法，確定合理的帷幕深度、灌漿段長、灌漿壓力以及結束標準，根據不均勻沉降部位不同，分別選取了地下巖體完整性相對較好、滲透性較弱、回填高度較小、沉降較小的二級泵站上游側及回填高度較大、沉降較大的二級泵站下游側進行水泥灌漿對比試驗。

試驗孔布置形式:各設置3個孔，直線排列，間距3 m，防滲標準為3 Lu，采用自上而下的純壓式灌漿工藝，分段施工，每段為6 m，最大灌漿壓力0.50 MPa。采用32.5級425普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比采用 3∶1，2∶1，1.5∶1，0.8∶1，0.5∶1 五個比級。兩個試驗區的灌漿情況見表1。

由表1可知，灌漿試驗Ⅰ序孔、Ⅱ序孔單位注入量比較接近，Ⅲ序孔單位注入量比Ⅰ序孔、Ⅱ序孔都小，檢查孔水泥注入量明顯減小，透水率滿足設計要求。

灌漿試驗說明單排孔、孔距3 m的布置形式，以及采取的灌漿壓力、漿液和配比是基本合理的，可以形成有效的防滲帷幕。實驗測得擴散半徑與孔深及壓力關系見表2。

表1 帷幕灌漿試驗各序孔單位注入量表

表2 擴散半徑與孔深及壓力關系表

4 灌漿施工

4.1 帷幕灌漿

灌漿工藝為小口徑鉆孔、自上而下的純壓式灌漿工藝。工藝流程為:定孔位→固定鉆機→鉆進孔口段→鑲筑孔口管→待凝72 h→下一段鉆孔→壓水試驗→灌漿→再下一段鉆灌→……→封孔。

灌漿孔鉆進采用XY－Ⅱ地質鉆機，金剛石鉆頭，開孔孔徑為90 mm，孔口管以下改為直徑75 mm。先導孔和檢查孔孔徑為90 mm。為使漿液滲透均勻，注漿分段不宜太長，一般采用5 m段長，孔口附近段長2 m～4 m。灌漿段劃分按表3執行。

表3 分段鉆孔長度表 m

帷幕先導孔、Ⅰ序孔和檢查孔，自上而下分段進行五點法壓水試驗，其他各次序孔在灌漿前進行簡易壓水。

灌漿采用HS－3灰漿泵。灌漿自動記錄儀對灌漿壓力、流量實行全過程監控。每段灌漿結束后除特殊情況外均不待凝即進行下一段鉆孔灌漿。為避免壓力過大對結構層破壞，根據灌漿實驗各段灌漿壓力按表4執行。

表4 各孔段灌漿壓力表

灌漿漿液的濃度應由稀變濃，逐級變換。漿液采用3∶1，2∶1，1∶1，0.5∶1 四個比級。施工初期采用 3∶1 漿液開灌，后開灌比全部改為 2∶1。

當灌漿壓力不變，注入量持續減少時，或當注入量不變而壓力持續升高時，不改變水灰比。當某一比級漿液的注入量已達500 L以上或灌注時間已達1 h，而灌漿壓力和注入量均無改變或不明顯時，可改濃一級。當注入率大于30 L/min時，可根據具體情況越級變濃。

結束標準:灌漿應同時滿足以下兩個條件后，方可結束:

1)在設計壓力下，注入率不大于0.5 L/min時，延續灌漿時間不少于90 min。

2)灌漿全過程中，在設計壓力下的灌漿時間不少于120 min，注入率不大于0.5 L/min，延續灌漿時間不少于30 min。

采用水灰比0.5∶1的水泥漿按“置換和壓力灌漿封孔法”進行封孔。最后在孔口進行純壓封孔灌漿30 min，閉漿24 h。如封孔不密實產生滲水，須掃孔重新封孔。

4.2 回填灌漿

工藝流程:造孔→埋設導管→灌漿→下一段鉆孔→再下一段鉆灌→……→封孔→檢查孔。

回填灌漿使用制漿機SHJ150、注漿泵 YZB－50/70分段施工(同帷幕分段)，采用32.5級325普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比采用2∶1，1.5∶1，1∶1，0.5∶1 四個比級。Ⅰ序孔灌注 0.5∶1 水泥漿液、Ⅱ序孔根據實際情況選用1.5∶1，1∶1的水泥漿液。當注入量較大時使用水泥砂(黃泥)漿，摻砂(泥)量與水泥量比為1∶1或2∶1。

根據取樣現場實測回填碎石土壓實系數在0.96～0.97間，在0.10 MPa～0.15 MPa的漿壓下開始注入漿液，在達到0.25 MPa～0.30 MPa的灌漿壓力下漿液注入開始加快，在 0.35 MPa ～0.50 MPa達到最高值。灌漿壓力設計值確定為0.30 MPa。

灌漿孔在設計壓力下，注入率不大于0.5 L/min時，延續灌漿時間不少于5 min即可結束。

孔位布置:沿泵站場區外側迎水面布置Ⅰ序孔，孔距5 m，梅花形，灌注水泥(砂)漿;場區內部田字格內部布設Ⅱ序孔，采用水泥砂漿和黃泥漿灌注，孔距3 m，梅花形布置。

4.3 灌漿效果檢驗

利用XY－Ⅱ地質鉆機對檢測孔全斷面取芯，可以看到碎石土已由加固前松散狀態完全凝固成短柱狀或長柱狀，對每個檢測點的水泥膠結體現場取樣進行飽和抗壓強度試驗，試驗結果顯示本工程經加固后的碎石土泥膠結體飽和抗壓強度平均值達到2.25 MPa，根據試驗成果計算經加固后碎石土回填區地基承載力特征值，計算公式如下:

其中，fa為地基承載力特征值，kPa;frk為單體飽和單軸抗壓強度標準值;φr為折減系數，本處取0.2;frm為單體飽和單軸抗壓強度平均值;φ為統計修正系數;n為試樣個數;δ為變異系數。

經計算，加固后的碎石土(碎石土水泥膠結體)承載力特征值為422.5 kPa＞350 kPa。由此可見:基礎主要受力層范圍內(基底下5.0 m深度范圍內)分布的碎石土(基底下第一下臥層)加固后的承載力特征值均滿足設計要求。

5 特殊情況處理

1)冒漿、漏漿處理。灌漿過程中冒漿、漏漿主要發生在二級泵站下游側，根據具體情況采取了表面封堵、降低壓力、加濃漿液、限流、限量、間歇灌漿等方法進行處理。

2)回漿變濃。灌漿過程中回漿變濃的情況較少出現，一般采用換用相同水灰比的新漿進行灌注，如效果不明顯，延續30 min結束灌漿。也有少數即將灌漿結束的孔段維持達到結束標準。

3)串漿現象。由于回填場區局部松散，使灌漿孔與鄰近孔之間直接或間接相通，常會造成漿液通路，引發串漿現象，會導致灌漿路堵塞、壓力表失靈，判斷不準確;需要根據個體情況分別采取封堵、降壓、濃漿、限流等措施進行處理。

4)吃漿量較大的現象。灌漿過程中遇吃漿量大難以結束。一般的灌漿在2 d～3 d內可結束，若出現大量吃漿不止、長時間灌而不結束的現象，主要是由于靠近山體側溶洞回填碾壓不實及下游側地層細顆粒流失的特殊結構條件導致漿液從下游冒出，此時選用下列措施處理:低壓、濃漿、限流、間歇、待凝、掃孔、漿液中添加細砂料、復灌等;若通過以上幾種方法處理后，吃漿量仍然較大，可在漿液中添加玻璃膠處理，待凝一段時間后再將孔掃開，進行復灌一次。

5)孔壁坍塌、卡鉆、掉鉆頭。在碎石土層鉆進施工，常遇到局部松散、大塊石，使孔壁坍塌、卡鉆、掉鉆頭現象較為普遍，采取主要措施是停鉆并灌黃泥漿護壁，減少段長，待凝固后復灌。

6 結語

二級泵站上下游兩側設置水位觀測點2個，各建筑物沉降觀測點8個，場區沉降觀測點6個，在灌漿前，由于水位的變化，場基被水浸泡，短期內場地基礎出現大幅沉降，在采取注漿加固場基后，對建筑物及場地每2周進行一次沉降觀察，連續觀察6個月后，比對注漿后沉降數值，在注漿4周后建筑物及場區沉降數值已穩定，未再出現場區地基大幅沉降現象。

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