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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
2、中开始研制并使用，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
3、的是机械塞，由于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.如果遇有较破碎分段阻塞水泥灌浆施工工法 的地层，可以适当加长或缩短灌浆
4、段，将塞子卡在岩石相对完整的部位。采用自上而下灌浆法 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
5、。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
6、工单位通常不能自行制作，需要工厂专业加工。471。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。12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f类型特征J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4。2.1液、气压式
7、胶囊纯压灌浆塞液、气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。分段阻塞水泥灌浆施工工法 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W18MPa。钢丝塞的抗划破性能和抗刺破性能明显，使用寿命高。4.2. 2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.
8、它不仅适用于稳定性浆液，也适用于非稳定的浆液。4。2。3液压胶球阻浆塞液压胶球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
9、优于机械塞。5施工工艺流程及操作要点5。1工艺流程工工艺流程图施工工工艺流程见图5.11.图5.1-1施工5.1.1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.如图5。1。1-1所示.(a)(b)(c)(d)(e)(f)图5。1.11自上而下灌浆法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5.1。2自下而上分段落阻塞灌浆法自下而上分段落阻塞灌浆法(也称上行式灌浆法)就是将钻孔一次钻到设计孔深，然后自下而上逐段安装灌浆塞进
10、行灌浆的方法(图5.1。2-1)。a一钻孔；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5。1.3综合灌浆法综合灌浆法是在钻孔的某些段采用自上而下灌浆，另一些段采用自下而上灌浆的方法。5.2操作要点分段阻塞水泥灌浆施工工法 5。2。1定孔位根据高计要求准确标出灌浆孔的位置，并进行复测。5.2.2钻孔与灌浆设备就位(1) 灌浆孔标定后，移动钻机到钻孔位置，按设计要求调整钻孔角度并固定钻机，完成钻 机就位.(2) 灌浆设备应就近安装，灌浆管路不宜过长，一般不超过50m，以防压力损失。5.2.3钻孔(1) 用钻具对准所标孔位，用符合设计要求的钻头开孔并钻孔.采用自下而上分段阻塞灌
11、浆法时，一次钻孔至终孔深度；采用自上而下分段阻塞灌浆法或综合灌浆法时，钻孔至要求的灌 浆段深度。在钻进过程中应注意观察地层变化。(2) 钻孔过程中应选用合适的钻孔压力、钻机转速和冷却液流量，并注意孔内情况，避免 卡钻、埋钻、烧钻等事故。5。2.4安装阻浆塞(1) 采用自上而下灌浆法时，每一灌浆段的长度通常为5m，特殊情况下可适当缩短或加长， 但最长也不宜大于10m，其它各种灌浆方法的分段要求也是如此。灌浆塞在钻孔中预定的位置 上安装时，有时候由于钻孔工艺或地质条件的原因，可能达不到封闭严密的要求，在这种情况 下，灌浆塞可适当上移，但不能下移.自上而下灌浆法可适用于纯压式灌浆和循环式灌浆，但通
12、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) 综合灌浆法通常在钻孔较深、地层中间夹有不良地质段的情况下采用。分段阻塞水泥灌浆施工工法(4) 无论采用哪一种分段阻塞方法进行灌浆，在阻浆塞安装完毕后都应该先压水进行阻浆 塞封闭试验，确认阻塞效果达到要求方可进行下一工序，否则就应该重新安装阻浆塞.5。2.5洗孔与压水
13、试验洗孔是为了避免钻屑堵塞孔壁上的裂隙，洗孔时孔口返水要达到水清砂净.压水试验目的是 检查地层灌前的渗透情况。5。2.6浆液配制配制符合设计要示的灌浆浆液。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
14、状浆液：系指塑性屈服强度大于20Pa的混合浆液。5.2.7灌浆(1) 灌浆施工应严格按照施工规范和设计要求进行实施。(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
15、 分段阻塞水泥灌浆施工工法 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.5. 2. 8封孔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，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W14MPa. 钢丝塞的外套卡在钢丝层上，扣押力大，结
16、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W18MPa.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 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
17、，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。90 皿” _t6（）mi56 nim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
18、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机械塞多，塞子的有效工作长度增 加，所适应的灌浆压
19、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；分段阻塞水泥灌浆施工工法(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，因而具有显著的经济和社会效益。根据水利水
20、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I标即大坝标，负责坝基(DG0+347。89DG1+317.36)露天帷幕灌浆。国际II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III标即厂房标， 负责引水发电洞帷幕线部位的环形帷幕灌浆.国内标负责1
21、#、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11.11 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)1IIIIIIV大坝右岸28886.97439。74272。47217.3752.01287
22、.2防渗墙 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。12。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
23、/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。13。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一透水率段数V3LuV5Lu合格率（%）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#灌浆洞3857851257499.30从灌浆成果及检查孔检查结果看，两种工法在
24、各区域的灌浆效果均良好，灌浆帷幕均能满足设计防渗要求.11.2向家坝水电站一期围堰基础防渗工程向家坝水电站一期围堰基岩帷幕灌浆布置在防渗墙下和上游山坡段，分为两段，起止桩号分分段阻塞水泥灌浆施工工法 别为堰Z0055m墙0+106m和墙0+380m墙0+980m，轴线总长793m.其中，堰Z0055m墙 0016m为左岸山坡段，孔口高程为274。0303m，帷幕灌浆底高程230275m，深度2035m, 灌浆帷幕轴线与围堰轴线平行，位于围堰轴线靠迎水面一侧，距围堰轴线6.77m;墙0015m墙 0+106m和墙0+380m墙0+980m段灌浆帷幕为防渗墙下帷幕灌浆，在防渗墙内预埋灌浆管，孔 口
25、顶高程为2740m,帷幕底高程176240m，深度3498m;帷幕灌浆采用一排孔，孔距一般为1.50m, 设计防渗标准为5Lu。工期为2005年2月至2005年11月。灌浆轴线总长793m，采用一排孔，设计孔距1。50m。墙下帷幕灌浆部位，在槽孔浇筑前预埋 灌浆用钢管，根据防渗墙的槽段划分要求、墙段接头和下设导管进行浇筑的需要，预埋管的间 距布置为0.851.60m。共布置灌浆孔565个（含灌浆试验），灌浆检查孔33个，预埋灌浆管536 个，预埋管21289.47m，防渗墙混凝土及岸坡岩石钻孔541.30m，基岩钻灌13686。26m，使用水 泥 2550。 36t.墙下帷幕灌浆采用分段阻塞灌
26、浆工法施工，经过参战员工的共同努力，工程按期完工并顺 利通过验收，目前工程运行情况良好.11.3长江三峡水利枢纽二期围堰基础防渗工程三峡二期围堰由上下游土石围堰和右岸混凝土纵向围堰组成。其中上游围堰全长1439.6m, 堰顶高程88。5 最大高度82.5 m,防渗墙4.22万m2,帷幕灌浆7789 m。工期为 1995年5 月至1998年8月。围堰地基地质条件复杂，表层为厚度510m粉细砂层，影响围堰地基的渗透稳定性。原河 漫滩残积冲积层内有花岗岩石质的块球体，基岩全风化层中也有包裹着的块球体。块径一般为13 最大为57 m,石质坚硬完整，饱和抗压强度达100 MPa.基岩为闪云斜长花岗岩，弱 风化。这些地质条件对防渗墙的施工极为不利.二期上游围堰是折线凸向上游，长度1439。5m,采用百年防洪标准，蓄洪量达20亿m3。采用垂直防渗方案，主要防渗体为防渗墙，防渗墙上部接土工布至86。2m高程，下部为墙下帷幕灌浆，单排孔，孔距1。5m,帷幕底线控制为岩石透水率V10Lu, 般515m。墙下帷幕灌浆采用分段阻塞灌浆工法施工，经过参战员工的共同努力，工程按期完工并顺利通过验收。并经受了 1998年长江特大洪水的考验，运行情况良好。分段阻塞水泥灌浆施工工法 保证了三峡水利枢纽二期工程的顺利施工，目前围堰已完成其历史史命，已被拆除。
