陳經(jīng)緯,馬偉利,高少輝

(中國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。

地下水封石洞油庫工程需考慮存油條件對油品的影響，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存的油品發(fā)生反應(yīng)、不影響日常設(shè)備運行。本文以某地下水封石洞油庫工程注漿材料的應(yīng)用為例，通過對比分析各種注漿材料的優(yōu)缺點，針對對不同地質(zhì)條件選擇適應(yīng)于水封石洞油庫的注漿材料。

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，國內(nèi)一些部門在工程實踐中，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，由于邊界效應(yīng)影響，漿液在粗糙裂隙中流動時，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個大顆粒并排，2個邊壁的顆粒不動，但中間的顆粒向前擠入。用E表示巖石的物理開度，實踐證明當(dāng)E>4d95時，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)度和顆粒曲線是評價其可灌性的一個重要依據(jù)[3]。

圖2 注漿材料顆粒級配曲線示意

圖2是3種注漿材料顆粒級配曲線，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)計算這3種材料對應(yīng)的可灌裂隙開度分別為360 μm、100 μm、48 μm。

2.3 材料對應(yīng)的可灌縫寬

根據(jù)實測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)確評價，且?guī)r石開度測量是不實際的，因此通過在一定深度鉆孔進行壓水試驗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。

由國外學(xué)者的經(jīng)驗公式：

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)某工程項目的巖石巖體滲透率是1 Lu值的數(shù)量級，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)做為回歸方程對該工程進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)驗公式推導(dǎo)出來的，其計算系數(shù)還要摸索，由于每個工程項目所處地區(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)用時應(yīng)通過壓水試驗進行回歸方程修正，以確定適用的理論方程。

2.5 水泥結(jié)石強度增長規(guī)律

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

2.6 注漿與待凝

長期的施工實踐證明，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，不會在下一個注漿段鉆進時被循環(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，待凝是必要的，待凝時間應(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)計要求，設(shè)計未做明確要求時宜符合下列規(guī)定[1]：

1) 宜穩(wěn)定性好，耐久性強、具有良好的可注性；

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

3) 注漿工藝宜簡單，操作方便、安全；

4) 圍巖加固或堵水注漿，宜以摻有膨潤土的水泥漿液為主，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，因為水封石洞油庫內(nèi)的儲品為化學(xué)材料，因此化學(xué)漿液不得與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時應(yīng)對耐久性提出要求，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工程主洞室群由10條主洞室組成，每條主洞室設(shè)計長度均為923 m，設(shè)計洞跨20 m，洞高30 m，截面形狀為直墻圓拱形。兩個相鄰主洞室之間設(shè)計凈間距為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)實踐證明均可在石洞油庫中使用，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)過實踐證明，對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)常會存在 “吸水不吸漿”的情況。若采用超細(xì)水泥灌漿材料，可達到較好的帷幕灌漿效果，此方法制漿及灌注工藝簡單且成本低廉，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，增強結(jié)石強度，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，隨著水對混凝土結(jié)構(gòu)孔隙進行滲透，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，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)晶修補作用機理示意

圖4 結(jié)晶修補實際效果示意

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是活性材料的載體，其特點是后期注漿時如縫隙再次漏水，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)晶材料會提高滲控效果，特別是重復(fù)注漿時，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，會再次修補愈合，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)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與無機復(fù)合注漿材料，采用特制的無機粉體材料作為主要膠凝材料，同時復(fù)配一定比例的納米材料，改善漿液對細(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對漿液的滲透具有很強的促進作用。據(jù)測定，封閉條件下，固化反應(yīng)產(chǎn)生的CO2壓力可達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，能擴散至5～6 m遠(yuǎn)的巖體中。實踐證明，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，為了保證作用持久，聚氨脂注漿層施工完成后需要進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、補強的常用有效手段。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)注漿試驗情況調(diào)整配比。

4 總體注漿工藝流程

地下洞庫注漿施工工藝流程為：地質(zhì)素描→壓水試驗和預(yù)注漿設(shè)計→預(yù)注漿→開挖支護→壓水試驗及后注漿設(shè)計→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

地下水封石洞油庫注漿施工在作業(yè)時，施工組織理念尤為重要，在實際施工過程中，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注漿堵水不利，石洞油庫應(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，提高注漿堵水效果。

5.2 高壓稀灌

設(shè)計時應(yīng)對不同圍巖，盡量采用高壓稀灌方案。設(shè)計單位應(yīng)探索不同圍巖類別的深孔預(yù)注漿合理的設(shè)計方案(孔深、孔向、注漿參數(shù)等)，便于施工過程中不斷驗證和完善滲控堵水方案，這是今后地下水封石洞油庫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因擔(dān)心化灌材料對原油油品產(chǎn)生影響，對化學(xué)注漿材料的應(yīng)用未加以推廣，建議后續(xù)工程進一步研究化灌材料對存油條件的影響及采取有效技術(shù)措施(如隔離、改進等)消除影響，推廣新材料的應(yīng)用。

6 結(jié)語

工程上注漿堵水材料種類較多，只有通過不斷試驗和優(yōu)化，才能取得理想的效果，而地下水封石洞油庫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行相應(yīng)實驗，以檢驗其相容性，如不合格即不能投入使用。此外，注漿是一個系統(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，以便有針對性地選擇施工方法、注漿材料、設(shè)計參數(shù)，提高堵水效果。