深层充填粉细沙层岩溶采用新三管中压浆往复高喷成墙施工技术中国水利水电第九工程有限公司刘启国【摘要】在大型水库基础处理施工中，不可避免的遇到深层岩溶处理问题，在深层岩溶中遇到粉细沙层时处理尤为困难，高水头水库防渗帷幕要确保渗流系数达到防渗标准，需要彻底解决帷幕线区域内的岩溶地质。四川武都水库基础处理难度为国内仅有，世界少有难度的基础处理工程，在底层廊道KS1沙层段采用常规帷幕灌浆施工时出现灌浆效果差，灌后无法成孔等现象，无法形成完整的帷幕墙，为解决这一重大技术难题，中国水利水电基础局有限公司、中国水利水电第九工程局有限公司联合四川省设计院、国电贵阳勘测设计研究院及国内知名水电基础处理专家开展了技术创新，取得了深层粉细沙层岩溶基础处理国内首创、国际领先的新工艺，同时形成了全液压潜孔钻高精度造孔施工工艺，取代了长期以来地质回旋钻垂线孔造孔工艺。由于在深层全充填粉细沙层岩溶基础处理防渗效果显著，技术先进，工效较高，故有明显的社会效益和经济效益。【关键词】深层岩溶 粉细沙层 新三管中压浆 往复喷1 工程概况四川武都水库工程位于四川省江油市武都镇上游约4km，是涪江上一座具有防洪、灌溉、发电、供水、改善环境、旅游和水产养殖等综合利用效益的龙头水库，水库总库容5.72亿m3，电站装机容量为350MW，枢纽主要建筑物有碾压混凝土重力坝和坝后式厂房等。水库坝址位于涪江武都河段上游约4km的摸银洞，坝型为碾压混凝土重力坝，坝顶高程660.34m，坝顶长度736.0m，最大坝高120.34m。在底层帷幕轴线上经专项探测发现分布有粉细沙层，桩号为底洞0+031.00底洞0+051.00桩号、高程EL498EL518区域，形状及厚度不规则，上下游范围不确定，在该部位下游排帷幕灌浆施工时出现灌后塌孔、孔口返细沙等现象，为检验该沙层段帷幕灌浆效果，在该部位下游排帷幕轴线上布置临时检查孔，检查孔在砂层段不能成孔，常规水泥灌浆效果不明显。2010年4月2日，业主在组织召开了“武都水库底层帷幕灌浆深层岩溶处理施工与技术方案研讨会”并形成会议纪要，与会的专家达成一致意见，对该部位粉细沙层段防渗帷幕先采用高喷处理。2 该技术特点（1）利用全液压潜孔钻机加扶正器造孔替代地质回旋钻机垂线孔造孔工艺，工效提高10倍以上，并能以较高工效穿越深层粉细沙层岩溶，并能将部分粉细沙吸出孔外，降低了沙层的密实度，造孔精度也远高于地质回旋钻垂线孔造孔精度。（2）采用新三管法中压浆往复喷施工工艺巧妙的解决了以往施工中的高喷成孔难、水浆喷嘴易堵、水压单一切割半径小、浆液浓度低等问题。（3）该施工工法工效高、工程质量较易保证。3工艺原理采用全液压潜孔钻机加扶正器造孔穿过粉细沙层岩溶，利用高喷机将三重喷管下至岩溶沙层顶部，用高压水（大于35MPa）、中压浆（大于15MPa）、中压风（大于0.8MPa）从顶部旋转切割沙层下喷，喷至穿过沙层进入基岩50cm，到达底部后，待孔口返浆达到设计标准后开始旋转切割上喷，转速与提升或下降速度根据沙层的密实度确定，利用高压水和中压浓浆结合风压保护水击和排气，将粉细沙与水泥浆液结合在一起，形成密实帷幕防渗墙体。4 施工工艺流程及操作要点4.1施工工艺流程施工准备 全液压潜孔钻机造孔施工 新三管中压浆下降喷射 新三管中压浆提升喷射 置换封孔 检查孔施工。4.2操作要点4.2.1全液压潜孔钻造孔施工造孔孔径及施工工艺根据岩石条件、岩溶埋深、粉细沙层厚度等因素确定，可采用全液压潜孔钻偏心正循环带钢套段钻进和直冲反循环抽沙钻进，对深层岩溶沙层一般较密实，沙层较薄，一般为5m20m厚，因为沙层埋深较深，在施工中较易采用直冲反循环抽沙钻进，穿过沙层进入基岩0.5m，（直冲正循环钻孔施工工艺流程参见图1，直冲反循环成孔钻孔成孔示意图参见图2，以下为施工中的具体要求及注意事项和施工方法：图1直冲反循环钻孔施工工艺流程图 图2直冲反循环钻孔成孔示意图1、施工要求及注意事项1）严格控制钻机开孔精度，为方便钻机就位和锚固，混凝土盖板上沿高喷轴线铺设两榀工字钢，每榀工字钢的长度与高喷轴线长度一致，用水准仪对工字钢进行校平后固定。2）根据施工控制点，利用全站仪现场测量放孔，将要钻进的高喷孔的孔位测放点，高喷孔孔位与设计孔位的偏差不大于2cm；钻机就位后，用地锚钢筋将钻机固定在工字钢上，校正钻机立轴，进行钻孔施工，孔口导向管需高出混凝土盖板20cm，防止钻孔中流出的细沙倒灌。 3）钻进过程中每1.5米加一个孔斜扶正器，确保钻孔精度，同时及时用高精度测斜仪进行孔斜测量。如发现孔斜超过设计标准孔斜，立即停止钻进，进行纠偏或将原孔回填后重新开孔，该造孔工艺孔斜保证率较高，一般情况下不会出现孔斜偏大。4）钻孔到达沙层顶部后立即起用反循环钻程序钻进，将孔壁部分细沙抽出孔外，作用有两个方面，一方面可有效阻止细沙封堵潜孔锤气眼，另一方面可减少孔内沙量，提高沙层内的成孔率。5）钻孔时，遇到孔内涌水、漏气、断层、塌孔、掉块、洞穴（沙层）等特殊情况做详细记录，分析钻孔和地质情况后进行对应处理。6）钻孔进入沙层后，对钻机的进度及孔内返回的杂质进行详细分析，确保钻孔穿过沙层进入完整基岩50cm，保障后期高喷质量。7）钻孔结束后对孔口做好保护，防止施工异物掉进孔内，影响下一步高喷施工效果。2、施工方法钻孔时采用171mm金刚石开孔器开孔，钻孔深度1.0m左右后（具体长度可根据实际情况确定），下入168mm孔口导向管(长1.2m左右)，孔口导向管外漏20cm，管外用水泥砂浆固结；然后用150mm冲击器钻进，钻穿溶洞顶板后，起用反循环程序穿过沙层进入基岩0.5m，确保溶洞底部0.5m高喷灌浆的设计要求。终孔后，起拔钻杆和冲击器后沙层段出现塌孔现象不做处理，高喷时采用往复喷法，如沙层段以上部位出现塌孔钻孔可采用正循环带钢套管钻进，用高压水清理干净套管内的沉砂后，下入PVC管，最后逐级起拔套管。钻孔偏斜是影响墙体可靠搭接的关键因素，施工时采取以下措施进行防斜：1）钻机加设底座，力求钻机工作时保持平稳。钻机就位后，应垫稳及调整好钻机，使开孔钻具保持铅垂状态，用地锚将钻机与调试好工字钢焊接为一体。2）随时校对立轴垂直度，加长粗径冲击器，禁止使用弯曲钻杆和弯曲的冲击器，除开孔外，不得使用短冲击器，冲击器长度宜保持在2.0m左右，并在钻进时合理使用钻进参数。3）钻孔时每1.5米进尺加一个孔斜扶正器，全孔扶正，扶正器直径与孔径相同。4）钻孔每5m进行一次孔斜测量，对钻孔过程适时检测，如孔斜偏差较大，采取回填封孔法进行纠偏，终孔测斜发现孔斜大于设计要求的，作为废孔处理。因冲击钻造孔工效较高（可达5 m/h），纠斜主要采用回填封孔纠斜法，当某一孔段偏斜值较大而采用纠斜方法效果不理想时可采用混凝土封填。由于封填混凝土凝固后与偏斜孔段岩石硬度相等或略高，可避免纠斜钻进时又回到原偏斜孔段里，因而能取得较好的纠斜效果。孔位孔斜误差见表1。表1 深层岩溶高喷施工潜孔钻机造孔孔斜、孔位、孔深允许误差表项目孔斜孔位孔深允许误差0.7%2cm20cm4.2.2新三管中压浆往复喷射施工1、新三管中压浆往复喷施工工艺，三管喷射装置输送水、气、浆三种介质，分别用高压水泵、空气压缩机、高压泥浆泵输送至喷射装置，三管喷射装置由三管喷管体、三管喷头、三管喷嘴组成；高压喷射注浆的成套设备分造孔、供水、供气、供浆、喷注等五大系统和其他配套设备等六个部分。2、高喷施工主要工序与技术措施1)地面试喷将高喷机移至孔口处，先进行地面浆、气、水试喷，检查各管路是否畅通，检验合格后向成孔内下入喷射管。2)技术措施 高压喷射灌浆采用新三管法施工工艺，为新工艺施工，本次高喷孔孔深最深处达80米，施工时要求使用高压水、高压浆、压缩空气。与常规三管法相比工艺有以下几方面改进： 浆压由老三管的0.2 MPa 1.0 MPa改为15MPa20MPa，进浆密度由常规新三管法的1.45Kg/L1.50Kg/L提升至1.70Kg/L1.75Kg/L，浆液压力在老三管法的基础上提升，进浆密度在新三管法的基础上提升，充分吸取了常规新老三管高喷的各自优点，对高喷的质量进一步加强， 高喷采用往复喷射，解决了沙层段成孔难、易堵嘴、喷射时PVC管消耗量大等因素。具体喷射方法：高喷管下至沙层顶部后，按气、水、浆顺序开启，待孔口返出水泥浆后，达到回浆标准，开始按表2中参数要求进行高压喷射灌浆。高喷灌浆先为自上而下均匀连续进行，穿过沙层到达设计孔底后，回浆达到设计要 求标准后开始自下而上喷射施工，提升过程中因拆卸喷射管而中断时，重复高喷灌浆长度不小于0.5m。喷浆中因机械故障中断时，尽量缩短中断时间，及早恢复灌浆，且续喷时应复喷0.5米以保证高压旋喷体的连续性。如中断时间超过2小时，则应扫孔后重新喷射。高喷时具体参数见表2。 表2 新三管中压浆往复喷施工工艺参数表项 目高喷注浆技术参数备注水压力(MPa)35水压必须保证大于35MPa流量(L/min)7595下降时取小值喷嘴孔径(mm)及个数2.2 (2个)气压力(MPa)0.61.2上喷时取大值流量(m3/min)0.81.2喷嘴个数2个浆压力(MPa)15压力不易过大，容易堵嘴流量(L/min)80100一般情况取大值水灰比0.6：1进浆密度(g/cm3)1.651.75一般情况取大值回浆密度(g/cm3)1.2必须大于1.2 g/cm3喷嘴孔径(mm)及个数2.6(2个)可取一个，孔径适当加大下降或提升速度(cm/min)1015提升时取小值旋转速度(转/min)1015提升时取小值水浆喷嘴间距（cm）204.2.3置换封孔及工程质量检查技术1、封孔高喷结束后，从孔底逐级起拔喷管，并及时进行孔口补浆，浆液沉淀后采用水泥砂浆置换孔内泌水，孔口捣实磨平。2、工程质量检查工程质量检查应以检查孔压水试验结合物探测试及孔内录像的检测手段检测进行，主要对压水吕荣值和沙层部位取芯抗压技术进行分析，以及对工程资料和测试成果的分析，综合评定。检查孔压水试验应在高喷结束14d后进行。程度的简化了施工工序和施工成本，并减少了PVC管对水浆喷射的阻力，更易保证工程质量。5 施工及质量情况钻孔施工共计有效时间为36天（高喷施工时停止钻孔），共计完成钻孔6190m，投入2台钻机，单机月完成强度2600m/月，钻孔时采用全液压潜孔钻机返循环直冲钻孔，每钻进1.5米加一个与孔内径一致的扶正器，每钻进10米进行一次孔斜检测，钻孔将穿过沙层进入基岩0.5米，孔斜检测最大0.66%，最小的0.15%，孔斜保证率为100%。高喷采用新三管中压浆往复喷施工工艺，对现钻穿的一序孔进行高喷施工，施工参数与上述参数一致，高喷共计完成895m，共计耗水泥953吨，单位耗灰1061Kg/m，其中一序孔456m，耗灰551吨，一序孔单耗1208Kg/m，二序孔439m，耗灰402吨，二序孔单耗918Kg/m，对沙层段采用上下往复喷射施工，在二序孔施工过程中孔内返沙相对一序有明显减少，沙层得到有效的凝固和置换。采用潜孔钻加扶正器返循环造孔新三管中压浆往复高喷施工工法处