姚 昕

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

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斜卡水電站丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工質(zhì)量控制

姚 昕

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

化學(xué)灌漿是一種新型的基礎(chǔ)處理手段，目前在處理水庫壩基軟弱巖帶、斷層帶等復(fù)雜地層時(shí)，已逐步被推廣使用。但化學(xué)灌漿施工技術(shù)復(fù)雜，為獲得良好的實(shí)施效果，在施工中的質(zhì)量控制顯得尤為重要。本文以斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿工程為實(shí)例，簡述化學(xué)灌漿施工中的質(zhì)量控制。

丙烯酸鹽 化學(xué)灌漿 質(zhì)量控制 斜卡水電站 基坑

1 概述

化學(xué)灌漿在我國經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其灌注工藝、漿材都得到顯著改善，尤其在近幾年，化學(xué)灌漿被廣泛地用于軟弱巖帶、斷層處理中，且灌注效果顯著，具有廣闊的發(fā)展前景。與此同時(shí)，化學(xué)灌漿作為一項(xiàng)復(fù)雜的工程技術(shù)，在施工過程中如何進(jìn)行質(zhì)量控制，目前并無成熟的控制手段和標(biāo)準(zhǔn)，故對其在施工過程中的質(zhì)量控制研究具有重要意義。

影響化學(xué)灌漿實(shí)施效果的主要因素在于準(zhǔn)備階段和實(shí)施階段兩個(gè)過程。施工準(zhǔn)備階段應(yīng)主要考慮工程地質(zhì)、漿材性能和灌注機(jī)具的影響；實(shí)施過程階段應(yīng)主要考慮各施工工序的影響，如膠凝時(shí)間、孔內(nèi)排水、灌注過程的合理性、漿液返滲等。在灌注施工中，這些因素既相互聯(lián)系又相互制約，因此對這些影響因素進(jìn)行深入的分析和探討，將是確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵。本文以斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸化學(xué)灌漿工程為例，探討分析化學(xué)灌漿施工中的質(zhì)量控制。

2 施工準(zhǔn)備階段的控制

2.1 化學(xué)灌漿材料選擇

斜卡水電站基坑C區(qū)水泥帷幕灌漿施工于2012年1月20日開始，截止2013年2月5日完成所有灌漿施工任務(wù)。根據(jù)灌后檢查孔壓水試驗(yàn)成果，C區(qū)1～3單元滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。而C區(qū)4～6單元灌后檢查孔多段次透水率不滿足設(shè)計(jì)要求，甚至檢查孔部分孔段在鉆孔過程中出現(xiàn)塌孔、返水中攜帶松散顆粒狀的粉細(xì)砂，返水顏色有時(shí)呈黃褐色等現(xiàn)象。通過水泥漿液復(fù)灌顯示，灌注量小，灌注效果不明顯，因此決定采用化學(xué)灌漿進(jìn)行處理。

化學(xué)灌漿前綜合分析影響因素，主要受地質(zhì)條件、地下水、環(huán)境溫度等多方面影響。根據(jù)設(shè)計(jì)提供及鉆孔過程中揭示的地質(zhì)條件，基坑C區(qū)4～6單元及右岸趾板1～3單元在28m以下存在多條碎石狀破碎帶，該部位鉆孔返水為黃褐色，返渣中含有粉細(xì)砂、粉質(zhì)砂土等。

根據(jù)化學(xué)灌漿試驗(yàn)1號孔孔內(nèi)電視成果，自65m至75m(僅能下設(shè)至75.0m左右)仍存在覆蓋層(見圖1)。

圖1 化學(xué)灌漿試驗(yàn)1號孔部分孔內(nèi)電視成果

斜卡水電站基坑C區(qū)涌水豐富，C區(qū)6單元上游側(cè)施工時(shí)，山體存在大量涌水現(xiàn)象。

基坑C區(qū)水泥灌漿施工時(shí)，多孔段出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水流量達(dá)到5L/min～6L/min，且水泥灌漿結(jié)束后，存在涌漿現(xiàn)象。

另外，斜卡水電站晝夜溫差較大，冬季環(huán)境溫度低，最低溫度達(dá)到-15.6℃，晝夜最大溫差達(dá)27.8℃。通過現(xiàn)場施工中對孔內(nèi)水溫監(jiān)測，孔內(nèi)水溫最低為7℃，最高為11℃。

通過上述統(tǒng)計(jì)分析，明確了化學(xué)灌漿的處理對象，即含有粉細(xì)砂、粉質(zhì)砂土等物質(zhì)的砂層。同時(shí)，化學(xué)灌漿須克服地下涌水和晝夜溫差的影響。

目前化學(xué)灌漿的灌漿材料主要有聚氨酯、環(huán)氧樹脂和丙烯酸鹽。聚氨酯遇水即開始反應(yīng)，不適合處理此類涌水地層；依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，環(huán)氧類化學(xué)灌漿材料膠凝時(shí)間一般在3d以上，處理效果難以保證。根據(jù)各種灌漿材料的特性結(jié)合工程地質(zhì)概況，使用丙烯酸鹽并采用適宜的施工工藝，方可取得良好處理效果，最后明確基坑C區(qū)4、5單元化學(xué)灌漿材料為丙烯酸鹽。

2.2 灌注機(jī)具的選擇

斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿壓力采用1.5MPa～2.0MPa?；瘜W(xué)灌漿的漿液配制及流量控制，依據(jù)灌前壓水結(jié)合現(xiàn)場配漿效率確定，流量最大控制在30kg/min～40kg/min。因此，在對比國內(nèi)外多種灌漿設(shè)備后，選擇無錫市前洲龍洋高壓往復(fù)機(jī)械廠生產(chǎn)的高壓往復(fù)泵。其性能參數(shù)見表1。

表1 化學(xué)灌漿泵性能參數(shù)表

為實(shí)現(xiàn)流量的大范圍調(diào)節(jié)，該泵電機(jī)采用變頻驅(qū)動，通過變頻調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)流量在0～60L/min的調(diào)節(jié)，避免了通過回漿調(diào)節(jié)流量而造成漿液循環(huán)發(fā)熱，影響漿液性能。此外該泵還便于清洗，為高強(qiáng)度的施工節(jié)約了大量的輔助時(shí)間。

3 灌漿施工階段的控制

丙烯酸鹽化學(xué)灌漿的施工工藝流程如圖2所示。

圖2 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工流程

3.1 灌前壓水參數(shù)調(diào)整

丙烯酸鹽化學(xué)灌漿灌前壓水采用單點(diǎn)法，試驗(yàn)孔灌前壓水壓力采用1.0MPa，而灌漿壓力采用1.5MPa。灌注過程中出現(xiàn)部分孔段灌漿流量與壓水流量明顯不匹配，且耗漿量較大甚至無法結(jié)束的現(xiàn)象。為此在大面積施工時(shí)，將灌前壓水壓力上調(diào)至1.5MPa，與灌漿壓力相匹配。并規(guī)定采用人工實(shí)測記錄，為漿液的選擇和拌制提供更為精確、可靠的數(shù)據(jù)。

3.2 孔內(nèi)余水的排除與射漿管的調(diào)整

在丙烯酸鹽化學(xué)灌漿中，排出孔內(nèi)積水是施灌前的重要步驟。排水方法采用將射漿管下至孔底(距孔底不大于50cm)，采用壓力風(fēng)吹出孔內(nèi)積水。因此射漿管是否下至設(shè)計(jì)位置，將對孔內(nèi)積水的排除產(chǎn)生重大影響。

斜卡水電站前期采用孔內(nèi)卡塞進(jìn)行化學(xué)灌漿，射漿管根據(jù)實(shí)測孔深采用鐵管下設(shè)至預(yù)定位置。然而由于砂層強(qiáng)度低，塌孔掉塊嚴(yán)重，時(shí)常造成射漿管無法正常下設(shè)至預(yù)定位置，同時(shí)結(jié)合孔內(nèi)涌水現(xiàn)象，為確保灌漿質(zhì)量要求漿材膠凝后才可起塞。但在漿材膠凝后起塞時(shí)，常常出現(xiàn)射漿鐵管抱死無法起拔的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約后續(xù)鉆孔的正常實(shí)施，對施工進(jìn)度造成重大影響，導(dǎo)致施工成本極高。

為避免灌漿塞無法取出，節(jié)約施工成本，提高施工效率，后續(xù)化學(xué)灌漿改為孔口封閉法施工，且下設(shè)膠管作為射漿管。然而灌漿后掃孔證明，包裹著射漿管的丙烯酸鹽膠凝體掃孔極其困難，時(shí)常出現(xiàn)射漿管纏繞鉆頭及鉆頭堵塞等異常情況，同樣影響施工進(jìn)度。

最終，射漿管調(diào)整為硬質(zhì)厚壁的膠管，確保射漿管下至預(yù)計(jì)位置，同時(shí)保證高風(fēng)壓不會扭曲破壞射漿管；當(dāng)孔口返出原漿后，拔出射漿管繼續(xù)灌注。射漿管下設(shè)方法的調(diào)整，為確保施工進(jìn)度和施工質(zhì)量提供了可靠的解決方案。

3.3 膠凝試驗(yàn)與漿液配制的控制

不同批次的丙烯酸鹽漿材膠凝時(shí)間存在差異，施工現(xiàn)場膠凝試驗(yàn)表明添加同量的緩凝劑，同一批次的漿材在不同溫度下膠凝時(shí)間差異仍然較大。斜卡電站地處高寒地帶晝夜溫差大，因此為精確地掌握膠凝時(shí)間、確保灌漿過程受控，規(guī)定若現(xiàn)場溫度與膠凝試驗(yàn)的溫度差異較大(溫差10℃以上)，則須重新做膠凝試驗(yàn)，同時(shí)每批次新進(jìn)場的漿材都應(yīng)進(jìn)行膠凝試驗(yàn)。

常規(guī)的丙烯酸鹽化學(xué)灌漿對無滲水孔段，漿材膠凝時(shí)間一般按下述標(biāo)準(zhǔn)控制：①當(dāng)壓水流量Q≤5L/min時(shí)，膠凝時(shí)間按照45min控制；②當(dāng)壓水流量5L/min10L/min時(shí)，膠凝時(shí)間按照35min控制。

由于斜卡水電站基坑C區(qū)地下水豐富，故漿液采用多比級梯度配制，達(dá)到漿材灌注至地層后同時(shí)膠凝的效果。灌注時(shí)采用大流量高壓力灌注，確保擴(kuò)散半徑和較短的灌注時(shí)間，防止?jié){材進(jìn)入地層后被稀釋，影響灌漿質(zhì)量。同時(shí)，調(diào)整了丙烯酸鹽化學(xué)灌漿射漿管的下設(shè)及灌注方法，因此按常規(guī)的膠凝時(shí)間控制明顯不合理，需要重新調(diào)整以滿足施工需要。漿材的膠凝時(shí)間控制標(biāo)準(zhǔn)，通常根據(jù)壓水試驗(yàn)的流量結(jié)合孔管占計(jì)算：①計(jì)算孔占及管占并估算注漿量，注漿量估算方法：注入量≈注入率×預(yù)計(jì)灌注時(shí)間。若地層壓水流量較大、涌水量大，預(yù)計(jì)灌注時(shí)間≈第一組漿材從孔口被灌注到地層的歷時(shí)+(3～5)min；②管占漿材的膠凝時(shí)間=輔助時(shí)間+拔射漿管時(shí)間+預(yù)計(jì)灌注時(shí)間，且根據(jù)注入率梯級配置；③拔出射漿管后漿材的膠凝時(shí)間，選用預(yù)計(jì)灌注時(shí)間，并根據(jù)注入率變化調(diào)整。

以孔占為280kg、灌前壓水流量達(dá)30kg/m～40kg/m，且涌水較大的段次為例，孔管占漿液的配制通常為三組150+80+80=310kg(配制的漿材要略大于孔占，灌漿時(shí)須排出一部分的漿水混合物，每次配漿量根據(jù)現(xiàn)場電子秤稱量、配漿容器配制)?？坠苷嫉臅r(shí)間為4+3+3=10min，預(yù)計(jì)灌注時(shí)間因涌水流量和壓水呂容值均較大，選用10+5=15min，注入量為15×30=450kg，除孔管占外還須備用80kg的漿材6組。拔射漿管時(shí)間通常為8min，管占漿材的膠凝時(shí)間為第一組10+8+15=33min/第二組29min/第三組26min。拔出射漿管后,灌注漿材的膠凝時(shí)間選用15min。至第六組漿材時(shí)，注入率和流量通常變化明顯，若有結(jié)束趨勢，則配制30min～40min膠凝時(shí)間的漿材，防止短膠凝時(shí)間因注入率較小長時(shí)間灌注導(dǎo)致灌漿管路堵塞。

通過上述方法，首先可以預(yù)計(jì)灌注需要的漿材總量，預(yù)先準(zhǔn)備灌漿漿材。丙烯酸鹽漿材通常25kg/桶，若開灌后才開始倒置、添加緩凝劑配漿，根據(jù)灌注速率可能無法保證灌漿的連續(xù)性。其次，由于灌注方法的改變，漿材膠凝時(shí)間的選用不同于常規(guī)的丙烯酸鹽灌漿，通常需要多個(gè)配比。管占漿材膠凝時(shí)間的梯度配制，保證了灌注至地層的漿材同時(shí)膠凝，后續(xù)漿材的梯度配制保證了地層逐步充填密實(shí)，且避免了可能引起的灌漿管路堵塞，同時(shí)也為灌漿過程中的速率控制提出了更高的要求。

3.4 灌漿參數(shù)的調(diào)整

為驗(yàn)證丙烯酸鹽化學(xué)灌漿的可行性，在大面積施工前，進(jìn)行了丙烯酸鹽化學(xué)灌漿試驗(yàn)。試驗(yàn)孔按照三角形布置，孔間距分別為0.8m、1.2m、1.5m，中間CHS-J01為灌后檢查孔(見圖3)。

圖3 化學(xué)灌漿試驗(yàn)孔及檢查孔孔位布置

化學(xué)灌漿試驗(yàn)的施灌條件為：①當(dāng)灌前透水率不大于3Lu時(shí)，可繼續(xù)鉆進(jìn)施工。若連續(xù)三段(即段長為15m)透水率不大于3Lu時(shí)，可進(jìn)行一次化學(xué)灌漿。若繼續(xù)鉆進(jìn)施工的孔段出現(xiàn)透水率不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可與上部合格的孔段一起灌注，但段長不得大于15m；②當(dāng)灌前透水率在3Lu～20Lu(包含20Lu)時(shí)，可直接采用化學(xué)漿液灌注。當(dāng)灌前透水率大于20Lu時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行水泥漿液灌注，再進(jìn)行化學(xué)漿液灌注；③當(dāng)遇塌孔孔段時(shí)，即使透水率較小，也應(yīng)進(jìn)行化學(xué)漿液灌注。

試驗(yàn)區(qū)化學(xué)灌漿的成果見表2所示：

表2試驗(yàn)孔化學(xué)灌漿情況一覽

檢查孔施工在CHS-1施工至96m，HC4-1-2施工至65m，HC4-2-03施工至70m時(shí)開始，檢查孔深度64m。其檢查情況為：47m～64m整孔壓水透水率為3.47Lu，分段壓水最大透水率為5.17Lu(53m～58m)。通過CHS-1孔內(nèi)電視可以看出，該孔在0～81m范圍均為覆蓋層，可明顯見丙烯酸鹽填充物。檢查結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿雖然取得了一定的成效，但沒有達(dá)到預(yù)期的灌漿效果。分析原因：①灌前壓水呂容值偏大的段次，化學(xué)灌漿開灌壓力偏小，漿液擴(kuò)散達(dá)不到預(yù)期半徑；②多數(shù)孔段化學(xué)灌漿前并未進(jìn)行水泥灌漿，灌漿時(shí)常出現(xiàn)流量越灌越大的情況，灌漿難以結(jié)束。

鑒于此，對化學(xué)灌漿參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整：①每灌漿段鉆孔完成后，直接采用水泥漿液灌注；②段長一般情況下均按照5m劃分，化學(xué)灌漿段長最大不得超過10m。當(dāng)水泥漿液灌注后壓水注入率>2L/min時(shí)，采用化學(xué)灌漿。注入率≤2L/min，可繼續(xù)鉆進(jìn)施工，并與下一段合并為一段灌注；③化學(xué)灌漿壓力調(diào)整為2.0MPa；④化學(xué)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為：當(dāng)灌漿壓力達(dá)到2.0MPa，注入率小于2kg/min時(shí)，持續(xù)灌注6min可結(jié)束灌漿。當(dāng)化學(xué)灌漿注入量達(dá)到150kg/m時(shí)，且流壓比無明顯變化，可結(jié)束灌漿。

3.5 質(zhì)量檢查與復(fù)灌標(biāo)準(zhǔn)

為保證丙烯酸鹽化學(xué)灌漿質(zhì)量，每段灌漿結(jié)束待凝后，都需掃孔至灌漿深度進(jìn)行單點(diǎn)法壓水。壓水壓力采用1.5MPa，若流量≤2kg/min時(shí)，可不再復(fù)灌；若流量>2kg/min時(shí)，必須進(jìn)行復(fù)灌。

4 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿效果評價(jià)

斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿，灌后質(zhì)量檢查共布置5個(gè)孔，共計(jì)壓水檢查70段，全部滿足灌后要求，q﹤3.0Lu。檢查孔最大透水率為2.85Lu，最小透水率為0，說明通過化學(xué)灌漿巖層的整體防滲明顯提高，完全滿足大壩蓄水、運(yùn)行要求。

5 結(jié)語

通過在斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工中的質(zhì)量控制，說明在化學(xué)灌漿過程中，無論是在施工準(zhǔn)備階段對現(xiàn)場地質(zhì)情況的分析、機(jī)具的選擇，還是在施工過程中對關(guān)鍵、重要工序的現(xiàn)場監(jiān)控，都將對化學(xué)灌漿質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。因此，隨著潔凈能源的相繼開發(fā)，化學(xué)灌漿將更加廣泛地推廣和運(yùn)用，如何增強(qiáng)過程監(jiān)控，嚴(yán)把關(guān)鍵控制點(diǎn)的運(yùn)行，將是保障施工質(zhì)量的重點(diǎn)，需要進(jìn)行長期探索。

〔1〕欄玉坤.化學(xué)灌漿在軟弱地基中的質(zhì)量控制[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,12(4)∶46～49.

〔2〕劉安榮，陳秋華等.復(fù)雜地基處理中化學(xué)灌漿及質(zhì)量控制的研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010,8(1)∶60～61,83.

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