可控粘土復合膏漿灌注技術在巖溶地層中的應用

趙迪華

（湖南五凌電力有限公司 長沙市 410004）

譚 勇 賓 斌 夏 杰

（湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司 長沙市 410007）

1 粘土復合膏漿灌注技術簡介

目前常用于巖溶地層處理的灌漿材料主要有水泥漿、水泥粘土漿、水泥砂漿等。采用水泥漿或水泥粘土漿應用于巖溶地層時，因其流動性好，在灌注裂隙發育、連通性好、透水強烈的巖溶地層時，容易出現灌漿量相當大、長時間不起壓，無效灌漿量過多，造成工程施工時間長，材料損耗大；采用水泥砂漿時，須用砂漿泵進行灌漿，在灌漿過程中容易出現砂漿離析、堵管、灌漿壓力不夠等，造成帷幕效果較差。

粘土復合膏漿灌注技術是采用以粘土為主的膏狀漿液，漿液的流動度控制在（60～130）mm 之間，利用高壓力、大流量的雙缸泵，脈動式地進行擠壓灌注密實。主要技術原理是利用高壓力、大流量的雙缸泵將流動性較小的粘土復合膏漿，以擠壓方式注入到巖溶洞穴中，通過充填、擠壓密實方式將溶洞充填物擠密固結，從而達到控制漿液擴散半徑，快速形成有效防滲幕體的目的。

2 粘土復合膏漿灌注方法及工藝參數

（1）灌漿材料及灌漿設備。

水泥：通用普通硅酸鹽水泥。

粘土：就近選用優質粘土或粉質粘土，通過使用粘土復合制漿機制成粘土原漿，密度控制在（1.25～1.30）g/cm3，并存放在漿池中備用，必要時加入微量抗粘土沉淀劑。

固化劑：主要是水玻璃，按水泥重量的3%～6%控制；速凝劑按水泥量的3%～5%摻加，根據漿液稠度，選擇一種或兩種同時摻加。

外加劑：摻加量按水泥重量的0.50%～1%控制，調節漿液的稠度。

灌漿設備：采用研究開發的雙缸間歇往復泵，最大灌漿壓力可達到15MPa，單缸泵送流量大于15 L/次，一分鐘泵送次數可達15次。

（2）漿液制備。

制漿采用高速制漿機制取水泥漿，攪拌時間不少于30 s，漿液制備完成后，送入攪拌桶中；然后泵送入粘土原漿，攪拌（3～5）min；加入固化劑攪拌，最后加入外加劑。根據地層的灌入量和灌漿壓力情況，調整固化劑和外加劑的摻合比，控制漿液的灌漿半徑。

（3）灌漿方法。

采用自下而上分段灌漿的方法，灌漿過程中孔口不封閉，如果孔口冒漿，說明漿液的稠度達不到控制灌漿的要求，須改變配合比，增濃漿液，直到孔口不冒漿。

（4）施工參數。

① 灌漿段長：每段段長長度可為（10～15）m，單次提升灌段長原則上為（0.3～0.5）m，遇特殊情況，如構造破碎帶，遇溶洞及特殊地層時，回水減少或消失時，段長則不受上述限制，應立即灌漿。

② 灌漿壓力：灌漿壓力根據段深進行控制，孔口段灌漿壓力1.0MPa左右，孔口段以下大于2.0MPa。

（5）灌漿順序。

各孔分序進行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，帷幕灌漿孔完成14天后再施工檢查孔。

（6）單孔施工程序。

自下而上膏漿灌注施工程序：施工準備—→鉆孔放樣—→鉆機定位安裝—→鉆進第一段長—→制漿—→送、灌漿至本段灌漿結束—→繼續掃孔鉆進，穿過溶洞至完整巖段—→下入灌漿管—→灌漿設備安裝—→制漿—→送、灌漿—→分段提管送、灌漿—→重復至全孔灌漿結束—→封孔—→單孔資料整理提交。

3 工程應用

3.1 沅水托口水電站河灣地塊防滲工程

3.1.1 工程地質概況

地層主要為：礫石加粘土、全風化礫巖、全風化泥巖、泥巖和頁巖、巖和礫巖溶蝕接觸帶、灰巖。其中：灰巖段：灰白色，巖芯破碎，呈塊狀～短柱狀，破裂面溶蝕跡象明顯，溶蝕面呈黃褐色。此層位溶洞較發育，半充填-無充填狀態，高度（0.3～3）m 左右，主要分布在紅層底部接觸帶。灰巖段巖溶較發育。

3.1.2 施工工藝參數

根據工程地質特性，Ⅰ序孔采用粘土水泥復合膏漿灌注技術，主要對紅層段、紅層與灰巖段接觸帶、灰巖巖溶等進行灌漿；Ⅱ序孔采用粘土水泥穩定漿液方案進行灌注施工。

（1）粘土水泥復合膏漿材料配比及選用原則（表1）。

表1 改性粘土水泥膏漿配比和結石性能

其中GJ1#適用于一般紅層灌漿段，GJ2#、GJ3#適用于紅層與灰巖接觸帶灌漿、灰巖巖溶充填灌漿等耗漿量較大的部位。對于灌漿量較大的溶洞，再加入適量外加劑。

（2）灌漿壓力及控制參數（表2）。

3.1.3 效果分析

根據已完成試驗孔，Ⅰ序孔膏漿施工計165.30m，灌入漿量419 781 L，單耗2 539.5 L/m。Ⅱ序孔穩定漿液施工計82.65m，灌入漿量25131L，單耗260.5L/m。統計成果表明序次上與常規灌漿規律存在較大的差別，Ⅱ序孔單耗較Ⅰ序孔減少89.7%。這種情況充分說明：

（1）灰巖地層巖溶發育，可灌性強。

（2）灰巖段通過Ⅰ序孔灌漿后，Ⅱ序孔灌漿量明顯減少，僅為Ⅰ序孔的10.3%。

（3）灌漿量明顯受灰巖地層內的巖溶發育情況所控制，65%的灌漿量直接消耗于明顯無充填物溶洞段的充填。

在生產性灌漿試驗各區，施工檢查孔后，測得紅層、不整合接觸帶灌后滲透系數在（3.70×10-6～2.35×10-5）cm/s之間，灰巖層灌后透水率均＜5 Lu，基本符合防滲標準要求。

3.2 江西宜豐豎井帷幕防滲工程

3.2.1 工程概況

工程位于宜豐縣新莊鎮口溪村與高安市村前鎮交界處，主井擬建井筒直徑4.0m，井深500m。副井擬建井筒直徑5.0m，井深500m。

主、副井上部分布第四系砂卵石和礫巖巖溶強含、透水層。前期勘察時，揭露紅層礫巖溶洞巖溶水含、透水層后，抽水試驗深井潛水泵安裝在孔深28 m處，采用大吸程、大泵量進行，測得單井最大出水量為3 442.18m3/d，滲透系數為1.701m/d，單位涌水量為118.73m3/d·m。據水文、工程、環境地質預測，主、副提升井開鑿時，將對緊鄰主、副提升井的周邊房屋建筑、地面、地表水系產生不同程度影響，甚至引發地質災害。因此，設計對砂卵石層采用高噴灌漿（上部0～11.3m），對礫巖巖溶層進行帷幕灌漿（下部11.3m～80m）防滲處理，確保施工及周邊建筑物安全。

3.2.2 工程地質條件

工程部位自上而下巖性為：

（1）（0.0～11.30）m 為第四系粉質粘土、中粗砂、砂卵石，其中中粗砂、砂卵石透水強烈。

（2）（11.30～63.70）m 為白堊系南雄群，灰白色、棕紅色、淺灰色礫巖，層狀構造。礫質成分大部為灰巖、花崗巖，少量為砂巖、硅質巖，鈣、泥質膠結，裂隙較發育，裂面見溶蝕現象。

（3）（63.70～500.30）m 為花崗斑巖。 上部風化較劇烈，裂隙發育，下部巖體完整。

主、副提升井白堊系南雄群灰白色、棕紅色、淺灰色的礫巖中鉆孔遇有六層溶洞，其中規模最大的溶洞為（43.05～46.15）m 段，洞高 3.10m，其余洞高分別在（0.20～0.85）m之間。溶洞內砂、礫石及泥質物充填，半充填狀，與上部第四系連通性好，含豐富的巖溶地下水，鉆進該層時，回水全部漏失。

3.2.3 巖溶帷幕灌漿設計

針對地層的可灌性，灌漿孔按單排布置，孔距2 m，灌漿孔深進入花崗斑巖層內透水率＜3 Lu以下5m。覆蓋層用Φ130開孔，埋入Φ127mm鋼管（埋管既作為灌漿孔口管，又作井筒護壁鋼管樁使用），灌漿孔分Ⅱ序施工，采用水泥灌漿結合粘土復合膏漿進行處理，I序孔中 （11.30～63.70）m采用粘土復合膏漿進行處理，灌漿壓力都采用（2～3）MPa，其它孔、段采用水泥灌漿進行處理，水泥灌漿采用采用孔口封閉法，灌漿壓力（1.5～2.0）MPa。粘土水泥復合膏漿材料配比為粘土∶水泥∶水玻璃∶外加劑=600∶400∶20～30∶1～2，漿液流動度控制在為（70～85）mm。

3.2.4 灌漿效果分析

該工程主井、副井按照相關設計布置和相關技術要求，施工共完成32個孔，累計灌漿段長2160.7m，灌入水泥1 716.38 t，單位注入量794.36 kg/m，灌入粘土881.25 t。帷幕灌漿施工完成后，綜合效果表明帷幕灌漿質量較好，達到預期效果。

（1）單位注入量逐序減少明顯。主井先施工的?序孔單位注入量1 225.7 kg/m，后施工的Ⅱ序孔單位注入量165.2 kg/m。副井先施工的Ⅰ序孔單位注入量1589.3 kg/m，后施工的Ⅱ序孔單位注入量145.3 kg/m。

（2）礫巖內巖溶充填密實。通過檢查孔鉆孔表明，鉆孔巖芯多呈柱狀，膠結良好，可見明顯長柱狀水泥、粘土結石體，說明灌漿效果較好。

（3）主井、副井巖溶帷幕灌漿檢查孔壓水試驗透水率均＜3Lu，滿足設計要求。施工檢查孔3個（主井2個，副井1個），壓水試驗39段，透水率均＜3Lu，全部合格。

4 結語

（1）可控粘土復合膏漿灌漿在巖溶地層、粗大孔隙內灌漿相比常規灌漿具有鮮明的優點。主要體現在：施工期短，見效快；摻加固化劑及外加劑基本無毒，價格較低，容易采購和保存；適應性強，不受場地大小、施工環境條件限制；施工周期短、見效快；灌漿材料主要為水泥和粘土，造價低，經濟、節能環保優勢顯著。

（2）可控粘土復合膏漿灌注技術對于地層內粗大孔隙的漏水處理具有見效快、工期短、不受地質條件、環境因素制約、適用性強，能快速解決工程建設中出現的各種因強透水而引發的工程問題，是防滲堵漏的一種簡便、快捷的處理方法，在工程上具有廣闊的應用前景。但由于漿液組成的特殊性和工具參數選擇的多變性，合理把握漿液配合比、施工工藝及參數是該方法成敗的關鍵，有效注入量的控制直接決定防滲堵漏的效果與經濟性。