分段阻塞水泥灌浆施工工法

1、分段阻塞水泥灌浆施工工法中国水电基础局有限公司赵存厚 夏可风 胡迪煜 肖恩尚 韩 伟1 前言基岩灌浆有多种方法，按照卡塞的部位分为孔口封闭灌浆法和分段阻塞灌浆法。上世纪六十年代灌浆技术开始在我国得到发展，初期采用的是国外流行的分段阻塞灌浆法。由于当时我国灌浆塞技术不过关，阻塞效果不好，施工时经常出现卡塞、埋塞事故。自上世纪八十年代在乌江渡水电站的灌浆施工中首次成功采用孔口封闭灌浆法之后，分段阻塞灌浆法在国内长期停止了应用。随着国内材料技术和机械制造技术的提高，1996年中国水利水电基础工程局科研所研究制造了液、气压式胶囊灌浆塞和液压胶球式灌浆塞。这两种灌浆塞自1996年在小浪底水利枢纽工程中开

2、始研制并使用，之后又在向家坝水电站可利用岩体固结灌浆等工程中成功应用，在此之前国内没有同类的灌浆塞。国外有与液、气压式胶囊灌浆塞同类的产品，通过室内试验和小浪底工程中大量的灌浆实践证明，该灌浆塞与国外同类灌浆塞处于一个技术水平，但价格比国外产品低的多；液压胶球式灌浆塞在国外也未见同类产品。这两种灌浆塞以其优良的膨胀性和可靠的阻浆效果使高压力下的分段阻塞灌浆法简单可靠，灌浆压力可达15MPa。2 工法特点分段阻塞灌浆法具有工效高、弃浆少等优点，我国八十年代以前的灌浆工程主要采用阻塞法，近20年来，由于孔口封闭法的推广，使用范围减少。但国外灌浆仍普遍采用此法。以前阻塞法灌浆主要使用的是机械塞，由于

3、机械塞能适应的灌浆压力不高，安装灌浆塞的劳动强度较大，灌浆段的封闭效果也不理想，灌浆时容易发生绕塞返浆现象而引发孔内事故。随着材料和工艺技术的进步，液、气压式胶囊灌浆塞和液压胶球式灌浆塞的相继出现并不断完善，其性能的不断提高使得阻塞法灌浆的缺点越来越少、优点越来越明显。不同型式的阻浆塞都有各自的适用范围和特点，主要根据岩石性质、卡塞深度、灌浆压力等分别选用。传统机械式阻浆塞一般只适用较低压力的灌浆，且不太适合较深的灌浆孔。液、气压式胶囊灌浆塞和液压胶球式灌浆塞可适应较高灌浆压力，并自由调整灌浆段长。如果遇有较破碎的地层，可以适当加长或缩短灌浆段，将塞子卡在岩石相对完整的部位。采用自上而下灌浆法

4、时，由于上部已灌段的透水性很小，可在卡好塞后向孔内注满水，通过孔口的水位变化判断灌浆段是否发生绕塞返浆。还可以通过管路在塞子顶部注水，避免绕塞返浆后发生埋塞事故。液、气压式胶囊灌浆塞的囊体为钢丝胶囊。使用这种灌浆塞灌浆时，浆液通过中心灌浆管进入灌段。液体或气体通过专用塑料软管压入膨胀胶囊，使其膨胀。这种塞的囊体膨胀率高，一般可以膨胀至原直径的两倍以上，可以适应不同孔径的灌浆作业。液压胶球式灌浆塞是将传统机械塞的螺杆部分代之液压活塞缸体。工作时，用手压泵将高压水通过高压小胶管送至液压缸体内，缸体伸长，将胶球压缩膨胀，达到分段密封的效果。阻塞法灌浆的主要问题是如何有效解决绕塞返浆的发生。由于这两种

5、灌浆塞膨胀率高，可适应灌浆孔超径和孔壁不规则的情况。塞子的长度一般为0.51m，可以有效防止绕塞返浆的发生。与传统的阻塞灌浆法相比，施工时具有故障率低、工期快、灌浆质量好等优点。3 适用范围分段阻塞灌浆法通常适合于岩石相对完整的地层，但对于较破碎地层，通过增加灌浆塞的长度也可以达到良好的灌浆效果，只是成本相对较高。4 工艺原理4.1液、气压灌浆塞基本类型与原理 液、气压式灌浆塞（图1）的膨胀力是由专门机具将压力水（油）、压缩气体通过管路施加到灌浆塞上产生的，一般都能承受较高的灌浆压力。液、气压式灌浆塞大体上可分为三类（表1），施工单位通常不能自行制作，需要工厂专业加工。图4.1-1 液、气压胶

6、囊灌浆塞 1.射浆管 2.滑套 3.前接头 4.胶囊 5.后接头6.胀塞接头 7.胀塞管图4.1-2 液压胶球灌浆塞1.射浆管 2.底托 3.胶球 4.垫圈 5.弹簧 6.油缸 7.活塞 8.挡板 9.液压管接头 10.液压管表4.1-1 液、气压式灌浆塞的类型和技术参数类型特征液、气压胶囊纯压塞液、气压胶囊循环塞液压胶球灌浆塞胶塞直径（mm）59906911059110胶塞长度(mm)5001000500100030070最大工作压力(MPa)10181014510胶塞数量（个）单胶囊单胶囊37结构形式见图1进、返浆为同心双管见图24.2液、气压胶囊阻浆塞的性能液、气压式胶囊纯压灌浆塞液、气

7、压式胶囊纯压塞有单塞和双塞双种。胶囊的内筋材料为钢丝胶囊。使用这种阻浆塞灌浆时，浆液通过中心灌浆管进入灌段。液体或气体通过专用塑料软管压入膨胀胶囊，使其膨胀。这种塞的囊体膨胀率高，一般可以膨胀至原直径的两倍以上，可以适应不同孔径的灌浆作业。钢丝胶囊塞的外套卡在钢丝层上，扣押力大，结合牢固，在高压下不易脱塞，这是钢丝塞的特点之一，正常工作压力18MPa。钢丝塞的抗划破性能和抗刺破性能明显，使用寿命高。液、气压胶囊循环灌浆塞液、气压胶囊循环塞与液、气压胶囊纯压塞的结构基本相同，所不同的是孔内灌浆管为同心双管，以适应浆液循环的要求。它不仅适用于稳定性浆液，也适用于非稳定的浆液。液压胶球阻浆塞液压胶球

8、阴浆塞是将原机械塞的螺杆部分代之液压活塞缸体，因而能适应较深的灌浆孔。其工作原理是，用手压泵将高压水通过高压小油管送至液压缸体内，液压缸体伸长，将橡胶球压缩膨胀，达到密封效果。灌浆结束后，消除缸内压力，缸体收缩，橡胶球恢复原状。与机械式灌浆塞相同，其密封能力依赖于橡胶球的压缩膨胀性能。橡胶球的膨胀系数一般在1.251.4之间，如能选用性能优良的橡胶球，有效膨胀率可以大于1.5倍。由于液体产生的压力大于机械塞的膨胀压力，因此灌浆塞中的胶球数量可以比机械塞多，塞子的有效工作长度增加，所适应的灌浆压力和密封效果孔优于机械塞。5 施工工艺流程及操作要点5.1 工艺流程 施工工工艺流程见图5.1-1。定

9、孔位钻机与灌浆设备就位钻孔冲孔、压水试验安装阻浆塞灌浆最后一段灌浆、封孔自下而上分段阻浆灌浆法流程自上而下分段阻浆灌浆法流程图5.1-1 施工工工艺流程图 自上而下阻塞灌浆法自上而下阻塞灌浆法是指自上而下分段钻孔、分段安装灌浆塞进行的灌浆。采用自上而下灌浆法时，各灌浆段灌浆塞分别安装在其上部已灌灌浆段的底部。（a） （b） （c） （d） （e） （f）a第一段钻孔；b第一段灌浆；c第二段钻孔；d第二段灌浆；e第三段钻孔；f第三段灌浆；1、2、3施工顺序分段落阻塞分段落阻塞（也称上行式灌浆法）a钻孔；b第一段灌浆；c-第二段灌浆；d-第三段灌浆；1、2、3施工顺序(1)(2)(1)(2)(1)

10、 采用自上而下灌浆法时，纯压式灌浆和循环式灌浆，但通常与循环式灌浆配套采用。(2)采用自下而上灌浆法时，灌浆塞在预定的位置塞不住，其调整的方法是适当上移或下移，直至找到可以塞住的位置。如上移时就加大了灌浆段的长度，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范规定，当灌浆段长度大于10m时，应当采取补救措施。补救的方法一般是在其旁布置检查孔，通过检查孔发现其影响程度，同时可进行补灌。(3)(4)水泥灌浆一般使用纯水泥浆液，纯水泥浆液的搅拌时问，使用普通搅拌机时，应不少于3min；使用高速搅拌机时，宜不少于30s。浆液在使用前应过筛，自制备至用完的时间宜小于4h。在特殊地质条件下或有特殊要求时，根据需要，通过现

11、场灌浆试验论证，也可使用下列类型浆液： (1) 细水泥浆液：系指干磨水泥浆液、湿磨水泥浆液和超细水泥浆液； (2) 稳定浆液：系指掺有少量稳定剂，析水率不大于5%的水泥浆液； (3) 混合浆液：系指掺有掺合料的水泥浆液； (4) 膏状浆液：系指塑性屈服强度大于20Pa的混合浆液。(1) (2) 灌浆过程中，灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施处理。(3) 灌浆应尽快达到设计压力，但注入率大时应分级升压。(4) 灌浆工作必须连续进行，若因故中断，可按照下述原则进行处理：应及早恢复灌浆，否则应立即冲洗钻孔，而后恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，而后恢复灌浆；恢

12、复灌浆时，应使用开灌比级的水泥浆进行灌注。如注入率与中断前的相近，即可改用中断前比级的水泥浆继续灌注，如注入率较中断前的减少较多，则浆液应逐级加浓继续灌注；恢复灌浆后，如注入率较中断前的减少很多，且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施。采用自上而下分段灌浆法时，灌浆孔封孔应采用“分段压力灌浆封孔法”；采用自下而上分段灌浆时，应采用“置换和压力灌浆封孔法”或“压力灌浆封孔法”。6 材料与设备6.1 液、气压式胶囊式纯压阻浆塞液、气压式胶囊式阻浆塞按其材质有尼龙胶囊灌浆塞和钢丝胶囊灌浆塞，尼龙胶囊灌浆塞的最大灌浆压力比钢丝胶囊相对要低，尼龙胶囊灌浆塞的接头套是直接扣压在胶囊的橡胶上，扣压力不能太大，

13、否则会损坏橡胶，因此在高压下工作容易产生脱套现象，其正常工作压力14MPa。钢丝塞的外套卡在钢丝层上，扣押力大，结合牢固，在高压下不易脱塞，这是钢丝塞优于尼龙塞的特点之一，正常工作压力18MPa。钢丝塞的抗划破性能和抗刺破性能明显优于尼龙塞，使用寿命也远远高于尼龙塞。液、气压式胶囊纯压灌浆塞可适用于自上而下、自下而上分段法纯压式灌浆，适用的浆液主要是稳定性浆液，在国外的灌浆工程中应用极其广泛。此类塞操作简单，作业时由灌浆管将液（气）压软管送入孔内预定的深度，然后用任何一种中性液体或气体使其膨胀，通常使用水或压缩空气。超过30m的孔段最好使用压缩气体，这样卸压时塞体回缩快，有利于提高工效，结束灌

14、浆后将膨胀软管中的压力释放使塞复原。在小浪底灌浆工程中中国水利水电基础工程局科研所自行研制的灌浆塞，效果都很好。该塞可用于深度不大于150m的灌浆孔。最理想的充气（水）压力应由钻孔直径及塞的大小而定，在钻孔直径与灌浆塞的直径合适的情况下，灌浆塞的膨胀力应超过灌浆压力的10%或至少0.3MPa，选择合适的膨胀压力，在施工中十分重要。同样灌浆压力下，充气压力要比充水稍高。通常情况下，尽可能使用压缩气体，可以是空气、氮气。应避免使用氧气，因氧气不是惰性气体，不安全。 图6.1-1 液、气压胶囊灌浆塞照片6.2 液、气压胶囊循环阻浆塞液、气压胶囊循环塞与液、气压胶囊纯压塞的结构基本相同，所不同的是孔内

15、灌浆管为同心双管，以适应浆液循环的要求。它不仅适用于稳定性浆液，也适用于非稳定的浆液。6.3 液压胶球式阻浆塞液压胶球阻浆塞是我局在小浪底灌浆施工中研制的，是将原机械塞的螺杆部分代之液压活塞缸体，因而能适应较深的灌浆孔。其工作原理是，用手压泵将高压水通过高压小油管送至液压缸体内，液压缸体伸长，将橡胶球压缩膨胀，达到密封效果。灌浆结束后，消除缸内压力，缸体收缩，橡胶球恢复原状。与机械式灌浆塞相同，其密封能力依赖于橡胶球的压缩膨胀性能。橡胶球的膨胀系数一般在1.251.4之间，如能选用性能优良的橡胶球，有效膨胀率可以大于1.5倍。由于液体产生的压力大于机械塞的膨胀压力，因此灌浆塞中的胶球数量可以比

16、机械塞多，塞子的有效工作长度增加，所适应的灌浆压力和密封效果孔优于机械塞。7 质量控制分段阻塞灌浆法的质量控制措施与其他灌浆法相同，灌浆质量的检查方法和标准见水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（SL62-94）。8 安全措施（1）认真贯彻并严格执行灌浆施工安全技术规程； （2）施工前对阻浆塞及其加压器具进行认真的检查和试运行，发现问题及时处理。9 环保措施废水、废浆经沉淀后排放到业主指定的位置。10 效益分析与孔口封闭灌浆法相比，分段阻塞灌浆法减少了管路占浆造成的弃浆，又减少了弃浆对环境的污染，同时，钻孔可以分几次或一次完成，简化了工序，施工更简便，施工工时短，节约了大量的工时和费用，因而具有显著

17、的经济和社会效益。根据水利水电施工预算定额，分段阻塞灌浆法与孔口封闭灌浆法相比，每钻灌1m，节约成本在50元以上。11 应用实例11.1小浪底水利枢纽坝基帷幕灌浆小浪底水利枢纽大坝为壤土斜心墙堆石坝,最大坝高154m，水库库容为126.5亿m3。具有防洪、防凌、减淤、灌溉、供水、发电等综合效益。基于小浪底主要土建工程国际招标的特殊情况，帷幕灌浆共分4大部分，分别由不同的承包商完成。国际标即大坝标，负责坝基（DG0+347.89DG1+317.36）露天帷幕灌浆。国际标即泄洪系统标，负责泄洪洞群帷幕线部位的环形灌浆和溢洪道下的帷幕灌浆。国际标即厂房标，负责引水发电洞帷幕线部位的环形帷幕灌浆。国内

18、标负责1#、2#、3#、4#灌浆洞、大坝左端点以左的露天帷幕灌浆和副坝帷幕灌浆。小浪底水利枢纽帷幕灌浆所采用的灌浆方法主要有两种： 孔口封闭灌浆法。 分段阻塞灌浆法。国际标技术规范中要求的灌浆方法是第种灌浆法,左岸多采用。右岸坝基表面帷幕灌浆先导孔采用法施工时，因岩层裂隙发育，地层破碎，几乎每段都出现绕塞渗漏，发生铸塞事故，之后改为法。2#、3#、4#灌浆洞全部采用了第一种灌浆法。主要灌浆成果见表11.1-1。表11.1-1 各部位灌浆成果汇总表灌浆区段工程量（m）各序孔水泥单注耗(kg/m)平均(kg/m)大 坝右 岸28886.97439.74272.47217.3752.01287.2防

19、渗墙下6619.08288.55127.2871.9316.12145.32左 岸21873.89526.56497.35327.4986.21326.272灌浆洞4281.81412.63269.65154.31253.663灌浆洞14816.29425.38214.44104.06219.084灌浆洞26630.25407.26239.1198.80391.70223.86两种工法对比情况见表11.1-2。 表11.1-2 第和第种灌浆法单位注入量与工时对比部 位第种灌浆法第种灌浆法单耗之比/工时之比（/）2#灌浆洞274.48/2.12149.34/1.531.83/1.394#灌浆洞158.80/1.1449.07/0.863.2/1.33注：表中数字为单位注入量（kg/m）；孔段平均耗用工时（h）。 灌浆质量检查情况见表11.1-3。表11.1-3 检查孔压水试验结果灌浆地段检查孔数压水段数透水率段数合格率（%）3Lu5Lu右岸基础5566163865098.84左岸防渗墙底1088798394.32左岸山坡4038233335993.98左岸山脊3714012913898.572灌浆洞1711611511599.143灌浆洞27258256258100.004灌浆洞38578512574