淺談地下水封石洞油庫(kù)注漿材料應(yīng)用

陳經(jīng)緯,馬偉利,高少輝

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司華南事業(yè)部，廣東 廣州 510801)

1 概述

地下水封石洞油庫(kù)注漿材料按成分組成通常分為普通水泥、超細(xì)水泥、水泥基結(jié)晶材料、水泥基瞬變材料、聚氨脂材料、水玻璃、環(huán)氧樹脂復(fù)合型材料等。

地下水封石洞油庫(kù)工程需考慮存油條件對(duì)油品的影響，因此適用的注漿材料較水利水電工程少，并要求注漿材料后期不與儲(chǔ)存的油品發(fā)生反應(yīng)、不影響日常設(shè)備運(yùn)行。本文以某地下水封石洞油庫(kù)工程注漿材料的應(yīng)用為例，通過對(duì)比分析各種注漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)對(duì)不同地質(zhì)條件選擇適應(yīng)于水封石洞油庫(kù)的注漿材料。

2 注漿理論

注漿是通過鉆孔或埋管向含有裂隙、空洞或不穩(wěn)定的地層或巖體中注入水泥漿或其他漿液，以堵水或加固地層、巖體的施工技術(shù)[1]。地下水封石洞油庫(kù)注漿以堵水為主。

2.1 裂隙開度理論

裂隙開度是工程地質(zhì)上描述巖體裂隙大小的指標(biāo)。巖石裂隙開度是指巖體中結(jié)構(gòu)面縫隙緊密的程度，國(guó)內(nèi)一些部門在工程實(shí)踐中，各自作了定量劃分。開度劃分界限最大值為5.0 mm，最小值為0.1 mm。

對(duì)于注漿工程，還將巖石開度劃分為等效水力開度e(最小縫寬)和物理開度E(實(shí)際縫寬)，一般情況下，物理開度E大于等效水力開度e(如圖1所示)。

圖1 物理開度和等效水力開度示意(單位：μm)

2.2 4d95可灌性理論：

注漿時(shí)，由于邊界效應(yīng)影響，漿液在粗糙裂隙中流動(dòng)時(shí)，前縫緣面呈拋物線狀，中間流速快，兩側(cè)邊壁部位流速慢。最不理想狀況是3個(gè)大顆粒并排，2個(gè)邊壁的顆粒不動(dòng)，但中間的顆粒向前擠入。用E表示巖石的物理開度，實(shí)踐證明當(dāng)E>4d95時(shí)，漿材具有較好的可灌性(d95是注漿材料最大粒徑的95%值)，因此漿液材料的細(xì)度和顆粒曲線是評(píng)價(jià)其可灌性的一個(gè)重要依據(jù)[3]。

圖2 注漿材料顆粒級(jí)配曲線示意

圖2是3種注漿材料顆粒級(jí)配曲線，從圖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，根據(jù)E>4d95的可灌性理論，經(jīng)計(jì)算這3種材料對(duì)應(yīng)的可灌裂隙開度分別為360 μm、100 μm、48 μm。

2.3 材料對(duì)應(yīng)的可灌縫寬

根據(jù)實(shí)測(cè)的注漿材料粒徑范圍，普通水泥、瞬變材料、超細(xì)水泥的d95分別可用100 μm、40 μm、20 μm來界定，因此可用400 μm、160 μm、80 μm來分別代表普通水泥、水泥基結(jié)晶(瞬變)材料、超細(xì)水泥的可灌縫寬，在查明縫隙寬度的情況下，供注漿選擇應(yīng)用，以取得更好的注漿效果。

2.4 開度E與透水率的關(guān)系

用開度來選擇注漿材料理論上是可行的，但實(shí)際施工過程中，由于縫隙在巖體中有太多潛在影響因素難以被準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，且?guī)r石開度測(cè)量是不實(shí)際的，因此通過在一定深度鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)來獲取巖體滲透參數(shù)是最直觀的，也可以用結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)(JRC)來估算結(jié)構(gòu)面物理開度E，從而建立起開度E與透水率的相互關(guān)系的應(yīng)用方程。

由國(guó)外學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)公式：

e≈(Lu×6×s×10-8)1/3

(1)[2]

(2)[2]

式中Lu為透水率，Lu；Q為壓入流量，L/min；s為水力聯(lián)通結(jié)構(gòu)面的間距，mm； 一般為0.5～3 m，取1 500 mm；JRC0為100 mm試樣的JRC，通過地質(zhì)素描獲得；E為物理開度，mm；e為等效水力開度，mm。

根據(jù)上式(1)、(2)，可得：

(3)

假設(shè)某工程項(xiàng)目的巖石巖體滲透率是1 Lu值的數(shù)量級(jí)，代入試算求得回歸方程，通常取值：JRC0=7.5，s=1 500 mm，求得：Lu=3.29×10-2×E6，即該工程項(xiàng)目的巖石1 μm開度=3.29×10-2呂榮；故可將下式(4)做為回歸方程對(duì)該工程進(jìn)行估算透水率與物理開度的關(guān)系：

LU=3.29×10-2×E6

(4)

從式(3)可以看出，巖石物理開度E的大小與結(jié)構(gòu)面粗糙度相關(guān)，與水力聯(lián)通結(jié)構(gòu)面的間距有關(guān)，與注入量和注漿壓力也有相關(guān)聯(lián)，注漿壓力增加，注漿量也增加。

式(4)是經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出來的，其計(jì)算系數(shù)還要摸索，由于每個(gè)工程項(xiàng)目所處地區(qū)的巖性、結(jié)構(gòu)縫寬度和數(shù)量、水力聯(lián)通結(jié)構(gòu)面的間距都不同，應(yīng)用時(shí)應(yīng)通過壓水試驗(yàn)進(jìn)行回歸方程修正，以確定適用的理論方程。

2.5 水泥結(jié)石強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律

水泥結(jié)石強(qiáng)度的增長(zhǎng)，起主要作用的是3～32 μm的顆粒。小于3 μm的顆粒對(duì)早期強(qiáng)度起決定性作用，后期強(qiáng)度不高，3～9 μm和9～25 μm的中間顆粒決定水泥的最終強(qiáng)度，16～24 μm的顆粒對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)超過3～16 μm的部分，大于50 μm的顆粒幾乎沒有什么強(qiáng)度[6]。

2.6 注漿與待凝

長(zhǎng)期的施工實(shí)踐證明，在注漿正常結(jié)束的條件下，已經(jīng)灌入到巖石裂隙內(nèi)的水泥漿液，不會(huì)在下一個(gè)注漿段鉆進(jìn)時(shí)被循環(huán)水流沖洗出來，所以不需待凝。但遇注漿前孔口涌水、注漿后孔口返漿、地質(zhì)條件復(fù)雜，以及注漿壓力很低等情況時(shí)，待凝是必要的，待凝時(shí)間應(yīng)根據(jù)工程具體情況確定[2]。

3 注漿材料比選

3.1 注漿材料選用原則

注漿材料的選用，除了根據(jù)可灌性選擇外，還應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、注漿目的、注漿工藝、注漿設(shè)備和成本等因素確定，并應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)未做明確要求時(shí)宜符合下列規(guī)定[1]：

1) 宜穩(wěn)定性好，耐久性強(qiáng)、具有良好的可注性；

2) 固化時(shí)宜收縮小，與巖體、混凝土等宜有一定的黏結(jié)力，凝膠時(shí)間可調(diào)節(jié)；

3) 注漿工藝宜簡(jiǎn)單，操作方便、安全；

4) 圍巖加固或堵水注漿，宜以摻有膨潤(rùn)土的水泥漿液為主，在巖面漏漿、注漿量過大及其他特殊情況下，可添加水玻璃等速凝材料；

5) 化學(xué)漿液的選擇應(yīng)慎重，因?yàn)樗馐从蛶?kù)內(nèi)的儲(chǔ)品為化學(xué)材料，因此化學(xué)漿液不得與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)應(yīng)對(duì)耐久性提出要求，并不得污染環(huán)境。

3.2 注漿材料比選

某地下水封石洞油庫(kù)工程主洞室群由10條主洞室組成，每條主洞室設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均為923 m，設(shè)計(jì)洞跨20 m，洞高30 m，截面形狀為直墻圓拱形。兩個(gè)相鄰主洞室之間設(shè)計(jì)凈間距為80 m。主洞室底板高程-110.00 m，拱頂高程-80.00 m。

主洞室范圍內(nèi)主要為微風(fēng)化—未風(fēng)化片麻狀花崗巖，裂隙較發(fā)育～不發(fā)育，巖體完整，圍巖穩(wěn)定性好。局部煌斑巖脈集中發(fā)育，巖脈侵入處巖體破碎，以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主。

注漿常用材料按成分組成可分為水泥、水泥基結(jié)晶材料、水泥基瞬變材料、聚氨脂材料、環(huán)氧樹脂復(fù)合型注漿材料等，而水泥按粒徑大小又分為普通水泥和超細(xì)水泥，以上材料經(jīng)實(shí)踐證明均可在石洞油庫(kù)中使用，其比選方案見表1。

表1 注漿材料比選

3.3 普通水泥與超細(xì)水泥

普通水泥由于材料來源廣，是灌漿施工中最常用的灌漿材料。但經(jīng)過實(shí)踐證明，對(duì)于巖層中存在較多的細(xì)小裂隙，采用常規(guī)普通水泥帷幕灌漿經(jīng)常會(huì)存在 “吸水不吸漿”的情況。若采用超細(xì)水泥灌漿材料，可達(dá)到較好的帷幕灌漿效果，此方法制漿及灌注工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，值得類似工程中借鑒[7]。

3.4水泥基滲透結(jié)晶型防水材料

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是以硅酸鹽水泥、石英砂和多種特殊的活性化學(xué)成分研制而成。與滲水作用后，材料中的活性化學(xué)物質(zhì)通過載體向水泥結(jié)石內(nèi)部滲透，在水泥結(jié)石中形成不溶于水的結(jié)晶體，填塞細(xì)微縫隙，阻止水泥結(jié)石開裂，增強(qiáng)結(jié)石強(qiáng)度，阻止化學(xué)腐蝕，從而具備永久性的防水效果。是一種無毒、無味、無污染的環(huán)保產(chǎn)品。

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料中含有活性化學(xué)物質(zhì)，以水為載體，隨著水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)孔隙進(jìn)行滲透，被滲流到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔縫中，催化水泥水化反應(yīng)過程中析出的Ca(OH)2和硅酸鈣再次交互反應(yīng)，形成不溶于水的枝蔓狀纖維結(jié)晶物，在混凝土結(jié)構(gòu)中吸水膨脹，使結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)縫得到充盈密實(shí)，并與混凝土成為一體，從而有效提高了混凝土抗?jié)B防水能力，也提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，結(jié)晶體析出情況如圖3～4所示。

圖3 結(jié)晶修補(bǔ)作用機(jī)理示意

圖4 結(jié)晶修補(bǔ)實(shí)際效果示意

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是活性材料的載體，其特點(diǎn)是后期注漿時(shí)如縫隙再次漏水，活性材料又被激活，重新產(chǎn)生結(jié)晶體，修復(fù)水泥結(jié)石的結(jié)構(gòu)，堵塞滲漏通道，產(chǎn)生新的滲控效果。

在注漿過程中發(fā)現(xiàn)，水泥注漿中摻加結(jié)晶材料會(huì)提高滲控效果，特別是重復(fù)注漿時(shí)，未摻加結(jié)晶材料注漿的部位，再次注漿效果明顯差于已摻加結(jié)晶材料的部位，甚至出現(xiàn)滲水量增大的現(xiàn)象(注漿壓力擊穿縫隙和水泥結(jié)石后滲水通道比灌前增大所致)，因此在漿液中適當(dāng)摻加水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，巖體內(nèi)縫隙中已有的水泥結(jié)石即使局部擊穿受損(裂縫小于0.4 mm)，在結(jié)晶材料的作用下，會(huì)再次修補(bǔ)愈合，重新具備抗?jié)B能力，從而在本質(zhì)上改變了普通水泥石結(jié)構(gòu)被破壞后(如后期注漿或下層開挖爆破震動(dòng))造成的滲漏，提高堵水的耐久性。

3.5瞬變材料

瞬變注漿材料是一種有機(jī)與無機(jī)復(fù)合注漿材料，采用特制的無機(jī)粉體材料作為主要膠凝材料，同時(shí)復(fù)配一定比例的納米材料，改善漿液對(duì)細(xì)微裂縫的滲透性。

3.6 聚氨脂材料

聚氨脂注漿材料可遇水固化，且反應(yīng)中生成的CO2對(duì)漿液的滲透具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。據(jù)測(cè)定，封閉條件下，固化反應(yīng)產(chǎn)生的CO2壓力可達(dá)0.5～1.0 MPa，可灌入寬度8 μm的細(xì)微裂縫及滲透系數(shù)10-4cm/s以上的土壤中[4]。由于這種材料是真溶液，遇水發(fā)生反應(yīng)膨脹(約20倍率)，將漏水縫隙快速大面積封堵，其擴(kuò)散半徑比普通水泥大5～8倍，注漿壓力越大，用水溶性聚氨脂注漿材料注入漏水縫隙中，能擴(kuò)散至5～6 m遠(yuǎn)的巖體中。實(shí)踐證明，在快速、滲漏量小的面滲部位，采用聚氨脂材料注漿處理極其有效，且因其具有快速見效，聚氨脂預(yù)注漿在洞庫(kù)總體注漿工藝流程中作為其他注漿蓋重層的速成方法更顯優(yōu)勢(shì)，為了保證作用持久，聚氨脂注漿層施工完成后需要進(jìn)行噴射混凝土封閉處理。

3.7 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

環(huán)氧樹脂復(fù)合注漿材料是由改性環(huán)氧樹脂材料配制，由A組份(基液)和B組份(固化劑)組成，可作為不良地質(zhì)體防滲、堵漏、補(bǔ)強(qiáng)的常用有效手段。因其漿材也為真溶液，作為非顆粒狀漿材，水泥顆粒不能灌入的細(xì)微裂縫(一般小于0.05 mm)[5]，復(fù)合漿材可以滲入，特別在花崗巖微小裂隙發(fā)育、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域可灌性更佳。因此，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料注漿適用于經(jīng)多次水泥注漿處理后滲水量仍較大的區(qū)域。

環(huán)氧樹脂復(fù)合注漿材料漿液配制方法：稱取適量的A、B組份改性環(huán)氧樹脂，A組份：B組份=5：1(重量比)，也可根據(jù)注漿試驗(yàn)情況調(diào)整配比。

4 總體注漿工藝流程

地下洞庫(kù)注漿施工工藝流程為：地質(zhì)素描→壓水試驗(yàn)和預(yù)注漿設(shè)計(jì)→預(yù)注漿→開挖支護(hù)→壓水試驗(yàn)及后注漿設(shè)計(jì)→聚氨脂蓋重層預(yù)灌→后注漿→噴射混凝土封閉→下一循環(huán)，總體工藝流程如圖5所示。

圖5 總體注漿工藝流程示意

5 施工建議

5.1 預(yù)注漿為主

地下水封石洞油庫(kù)注漿施工在作業(yè)時(shí)，施工組織理念尤為重要，在實(shí)際施工過程中，施工單位邊開挖邊注漿，施工作業(yè)相互影響，在工程進(jìn)度緊迫的情況下，施工單位往往以開挖為主，滲控堵水為輔，以后注漿為主，預(yù)注漿為輔。這種施工組織模式對(duì)注漿堵水不利，石洞油庫(kù)應(yīng)以注漿堵水施工為主，挖一段灌一段；以預(yù)注漿為主，后注漿輔，并輔以蓋重層設(shè)計(jì)，提高注漿堵水效果。

5.2 高壓稀灌

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)不同圍巖，盡量采用高壓稀灌方案。設(shè)計(jì)單位應(yīng)探索不同圍巖類別的深孔預(yù)注漿合理的設(shè)計(jì)方案(孔深、孔向、注漿參數(shù)等)，便于施工過程中不斷驗(yàn)證和完善滲控堵水方案，這是今后地下水封石洞油庫(kù)注漿堵水理論需解決的問題。

5.3 化學(xué)注漿

化學(xué)注漿材料是堵水的良好材料，但地下水封石洞油庫(kù)因擔(dān)心化灌材料對(duì)原油油品產(chǎn)生影響，對(duì)化學(xué)注漿材料的應(yīng)用未加以推廣，建議后續(xù)工程進(jìn)一步研究化灌材料對(duì)存油條件的影響及采取有效技術(shù)措施(如隔離、改進(jìn)等)消除影響，推廣新材料的應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

工程上注漿堵水材料種類較多，只有通過不斷試驗(yàn)和優(yōu)化，才能取得理想的效果，而地下水封石洞油庫(kù)要求注漿材料不能影響存油條件，不能與油品發(fā)生反應(yīng)，因此，注漿新材料使用前需與油品進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)其相容性，如不合格即不能投入使用。此外，注漿是一個(gè)系統(tǒng)的施工過程，施工前應(yīng)分析工程地質(zhì)條件、滲水來源、通道和滲水量，以便有針對(duì)性地選擇施工方法、注漿材料、設(shè)計(jì)參數(shù)，提高堵水效果。