黄河规划设计

小浪底左岸山体地面深孔帷幕灌浆工程施工技术探讨

王栋王申旺李世全李勇泉(地质勘探院)[摘　要] 着重介绍了在小浪底左岸山体160m深孔帷幕灌浆工程中HSDK-III型高压旋升封闭器和金刚石复合片全断面钻头及不提钻连续钻、灌技术的应用和所起的巨大作用，可供类似工程参考。[关键词] 深孔灌浆施工技术小浪底 1 工程概况黄河小浪底水利枢纽副坝右坝肩地面深孔(大多数孔深达160m左右)灌浆工程为初灌防渗帷幕。帷幕段在斜坡路面上施工，覆盖层平均厚度约10m左右(含有人工回填砾石层)，基岩层为三叠系下统刘家沟组，灌浆孔依次穿越岩组为：T15-3、T15-2、T15-1、T14、T13。 T15-3岩层为紫红色中厚层、厚层钙质、钙泥质胶结的细砂岩、粉细砂岩为主，夹粉砂质粘土岩薄层，层中软岩含量约占30%； T15-2岩组以紫红色巨厚层硅质细砂岩为主，夹薄层粉砂岩及粉砂质粘土岩，层厚22.0～23.4m； T15-1岩组为紫红色中厚层状硅钙质细砂岩与钙泥质粉砂岩或粉砂质粘土岩互层，软层含量达25%，层厚8.4～10.4m； T14岩组为厚层、巨厚层状硅质、钙硅质胶结的石英细砂岩，含少量钙质细砂岩，夹薄层泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，岩层较完整，总厚度58～66m； T13岩组以紫红色厚层、巨厚层状，泥钙质、钙泥质粉细砂岩为主夹厚层、中厚层钙质、硅钙质细砂岩，岩性较软。基岩段岩石可钻性为ⅴ～ⅹ级，弱研磨性，岩性脆。 2 灌浆技术设计2.1 帷幕孔布置双排梅花形布置，排距2m，孔距2m, 均为垂直孔。非灌段孔径为Φ91mm，灌浆段孔径为Φ59mm，检查孔孔径为Φ75mm。孔位偏差要求不得大于250px。EL245m以上非灌段要求全部用孔口管封闭，镶铸牢实并待凝72h后方可进行灌浆段钻灌施工。钻进过程中严格控制钻进参数，确保钻孔垂直度，钻孔最大允许偏差见表1。2.2 灌浆方法自上而下孔口封闭循环灌浆。2.3 灌浆参数灌浆参数见表2。2.4 浆液采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1五个比级的纯水泥浆液。2.5 灌浆结束标准在设计压力下，当注入率不大于1L/min，继续灌注60min，且在设计压力下的灌注时间不小于120min，灌浆方可结束。2.6 压水试验 I序孔和检查孔要求五点法压水试验。试验要求每3min测读一次数据，直至在稳定压力下连续4个流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%或最大值与最小值之差小于1L/min为压水稳定标准,I序孔和检查孔采用的压力值见表3。 II序孔和III序孔要求做简易压水试验。简易压水试验采用单点法进行，压水20分钟，每5分钟测读一次压入流量，取最终值为计算值，然后换算成有效压力计算出吕容值。2.7 封孔终孔段灌浆结束后，将孔内余浆置换成为0.5∶1的浓浆，以终孔段灌浆压力，纯压灌注30min结束。如上部有空腔，进行人工二次封填密实。2.8 检查孔 (1)检查孔取芯采用金刚石钻进，检查孔孔径为φ75mm，如若取芯效果不能满足技术要求，则改用金刚石单动双管钻具钻进。对所取岩芯进行编号、描述，照相，采用标准岩芯箱装箱并按工程师指示的位置保存。 (2)灌浆检查标准：副坝右坝肩的防渗标准为小于3lu。 (3)检查孔自上而下分段压水，全部试验完成后，自下而上分段灌浆，然后按灌浆孔的封孔要求进行封孔。 3 工程施工难点该工程与一般灌浆工程相比，主要有以下2个难点： (1)灌浆孔深，根据相关资料显示，国内基岩帷幕灌浆孔多在130m以内，本工程灌浆孔孔深大多为160m左右，众所周知，随着钻孔加深，固管发生的机率也随之升高，施工的风险也愈大，如何有效地减小固管事故，降低深孔灌浆风险是该工程面临的最大难题。 (2)该工程60%以上基岩岩性硬、脆，可钻性为ⅶ～ⅹ级、弱研磨性，局部高角度裂隙发育，钻进难度较大，而又由于人力、设备的限制，工期格外紧张，这样如何提高钻进效率，增加效益，按时完成任务是本工程面临的又一大难题。 4 工程施工应对措施4.1 HSDK-III型高压旋升封闭器在灌浆施工中的应用此次灌浆工程的灌浆孔深达160m，诚前所言，能否最大限度的减小固管机率是该工程能否顺利完成的关键。在众多影响固管机率的因素中，孔口密封器的性能至关重要，它性能的好坏直接影响着固管机率的大小。孔口封闭器的工作原理是利用橡胶圈弹性作用，在压盖下压时，橡胶圈膨胀密封射浆管外环间隙，从而隔离浆液形成孔内循环。虽然孔口封闭灌浆法已有十五年左右的发展历程，正式写入灌浆规范被全国各专业灌浆队伍推广应用也有十年的历史，然而，规范所要求的孔口封闭设备-孔口封闭器的改进、发展却是相当缓慢的。1996～1999年小浪底灌浆汇集了国内外一些著名的基础处理专业公司，国外的先进施工技术、国内成功的施工经验在小浪底得到广泛的应用和交融，形成了具有小浪底特色的灌浆施工工艺。在灌浆中，国内队伍多采用孔口封闭孔内循环灌浆法。在众多采用孔口封闭灌浆工艺的队伍中，唯有黄河设计公司地质勘探院使用的孔口封闭器在灌浆过程中可以使射浆管灵活转动和升降，该封闭器就是我院在原有的HSDK-I型的基础上研制开发成功的HSDK-II型孔口封闭器。该封闭器在当时的小浪底灌浆工地得到迅速的推广应用，应用工程量近50 000m，在小浪底灌浆工程中发挥了重要的作用。 HSDK-II型孔口封闭器能在钻机动力作用下使灌浆管在孔口封闭器中心灵活转动和升降、从而使灌浆管像搅拌棒一样搅扰孔内流动浆液，改变浆液流态，缓解浆液凝结速度，从而达到减小固管机率的目的。同时升降灌浆管可以降低浆液的内聚力，刮涮粘附在孔壁和灌浆管壁上的水泥浆，在搅拌作用下迫使其液化分解参与新浆中循环，从而能在一定程度上起到克服固管的作用。但HSDK-II型孔口封闭器在使用中也存在着着一些缺点，那就是：密封不是很严，容易漏浆；重量大，影响拆卸；橡胶圈消耗大，寿命较短。这些缺点特别是密封不严使得发生孔故的机率特别是“固管”仍然存在(密封不严，容易造成灌浆中断，从而造成固管)，这在深孔灌浆中表现得尤为突出。为了进一步改进其缺点，增强其性能，有效减小事故率特别是固管机率，我们经过进一步研制改进，开发出HSDK-III型孔口密封器。经过改进后的HSDK-III型孔口封闭器自身重量减轻约40%，造价降低约50%，使用寿命延长了2倍，密封圈由过去的平均5m消耗1个提高到平均25m消耗1个，特别是其封闭性能得到了极大的增强。改进的HSDK-III型孔口封闭器在受压状态下几乎不再出现HSDK-II型孔口密封旋转和升降时容易发生的漏浆现象。HSDK-III型孔口封闭器中的灌浆管在孔口封闭器中心部位灵活转动和升降而不发生漏浆，因而不易发生固管事故，又由于密封圈寿命的提高从而极大的减少了因橡胶圈损坏而造成的中停事故的发生。4.2 金刚石复合片全断面钻头及不提钻连续钻、灌技术的应用该工程60%以上基岩岩性硬、脆，可钻性为Ⅶ～ⅹ级、弱研磨性，局部高角度裂隙发育，因而钻进难度较大。在最初的工程施工中，我院采用了金刚石取芯技术钻进，但由于使用金刚石钻头钻进需要频繁提、下钻取芯，且一旦岩芯脱落，还需要进行扫孔处理，特别是随着孔深的增加以及II、III序孔施工的展开，提、下钻等非钻进工序所占时间的比重越来越大，这样就造成了钻进效率低，工程进度慢、工程效益低的状况，考虑到灌浆施工无需取芯要求，而使用全断面复合片钻头具有不用反复提钻、钻效高，劳动强度小等优点，那么使用复合片钻头钻进能否适应小浪底枢纽的地层情况从而得到最大的经济效益呢？ 由于复合片全断面钻头与岩石的接触面积较大，硬度太高的岩石刻划不动，所以它一般只适应于在中硬～硬类的岩石中钻进。而该工程的地层状况是：T13、T15-1、T15-2、T15-3地层的可钻性为Ⅵ～Ⅷ级，属于中硬类岩层，而T14地层属于坚硬类岩层。根据小浪底地层的特点，我们采取了在属于中硬类的T13、T15-1、T15-2、T15-3岩层中使用复合片全断面，在坚硬的T14地层使用金刚石钻头钻进两者相结合的方法。施工结果显示，使用复合片全断面钻头钻进大大的提高了钻进效率。特别是在Ⅱ、Ⅲ序孔的施工中，由于只要求简易压水，利用复合片钻头无需提钻的技术特点，可以使钻进、压水、灌浆一气呵成，省工省时。具体操作如下：复合片钻头完成5米孔段后，将钻具提离孔底0.5米，带钻头完成压水灌浆工作，冲孔后，不必提钻(只要钻具无问题)直接钻进下一个5米灌段，如此工序循环，即被称为“成孔灌浆连续进行技术”。与传统成孔灌浆工艺相比，施工最终统计结果显示成孔灌浆连续进行技术有以下几个明显的效果： (1)高效性在具体的施工操作中，根据钻杆、钻具的强度允许范围，每12小时可以仅提一钻，这就使钻进不间断的进行，有效劳动时间利用率由传统工艺的45%，提高到75%；台日平均钻灌进度由7米/日，提高到11米/日，使我院提前40天完成灌浆任务。 (2)经济性此技术在整个工程中共完成钻灌任务5 525米，经核算单米成本(钻杆以下材料消耗成本)与传统工艺相比可降低约20元，仅此一项节省成本就达13.09万元；由于钻进效率的提高，工期的提前，据不完全统计，其他工程投入，如工人工资，设备维护等节约近30万元。 (3)安全性首先复合片钻头的应用，减少了提下钻次数，降低钻杆钻具与孔壁在提下钻过程中碰撞的几率，保护孔壁的完整性，避免孔内掉块卡钻等事故的发生；其次成孔灌浆连续进行技术的应用，大大降低了工人的劳动强度，消除因工人过度疲劳而造成人身安全事故和机械安全事故的隐患；再次，此技术的钻进参数(压力，转速)比同径取芯钻进低30%，由于钻具受压损坏和钻机负荷大而造成的孔故和机故率也比传统工艺有所减少。由上可知，结合具体地层情况在深孔灌浆中大胆的使用了复合片全断面钻头及不提钻连续钻、灌技术在本工程中取得了良好的效果。 5 结语在本次深孔灌浆中，HSDK-Ⅲ型高压旋升封闭器的改进、应用极为有效地克服了深孔灌浆中固管事故的发生，极大的降低了深孔灌浆施工的风险，再加上复合片不提钻连续钻、灌技术的使用显著地提高了灌浆施工效率，使得我们如期、圆满的完成了本次灌浆任务，并且灌浆检查效果良好。本次深孔灌浆施工在很大程度上提高了水平，锻炼了队伍，并且收到了良好的经济效益和社会信誉，获得了巨大的成功。