现场浆液试验与优化：保证现场灌浆施工顺利进行

（一）钻孔施工及测斜

根据不同的地层岩性，采用不同的钻进方法。

采用φ110mm合金钻头钻进（检查孔为φ127mm）覆盖层；基岩用φ75mm金刚石钻头回转钻进（检查孔为φ110mm），金刚石锯齿钻头可以解决岩组局部地层的打滑问题。

钻孔允许偏斜量：斜孔方位角偏差值小于或等于2.5°，直、斜钻孔孔底偏差值不得大于表5-10中规定的数值。

表5-10　允许偏差值表

为了保证上述要求的测量精度，采用北京航空航天部33所生产的CX—02型测斜仪。该仪器为重力加速度式，系统精度为±4mm/15m，可满足孔斜精度要求。为便于测斜、指导钻进施工，大体上每5m测斜一次，其中直径30m以下每10m测斜一次。各钻孔测斜成果如表5-11、表5-12所示。

由上表可以看出，铅直孔组孔深63m，孔底偏差值仅0.16～0.57m，小于允许偏差值。斜孔方位角偏差-0.60°～+1.76°，顶角偏差0.31°～0.66°，偏距0.11～0.72m，也小于允许偏差值，故钻孔孔斜均达到了设计要求。

表5-11　铅直孔组钻孔测斜成果统计表

表5-12　斜孔组钻孔测斜成果统计表

注　偏差值以帷幕线方位23°56′为基准，正值为顺时针方向，负值为逆时针方向。

为保证正确孔向，主要采取了以下措施：

（1）预埋钻机地脚螺栓，以保证钻机机座稳固；

（2）埋设导向管，在斜孔组中采用φ110mm（检查孔为φ146mm）、长度3.5m、弯曲度不大于5‰的钢管，挖坑埋设，经检查无误后，用水泥回填；

（3）钻进中使用直钻杆和大于4.5m的长钻具。

（二）压水试验与岩体浸润

压水试验前均要进行单钻孔冲洗。

（1）钻孔洗孔。当钻孔钻至预定深度，采用大流量水进行钻孔冲洗，直至回水变清且孔底残留厚度不大于20cm后，方可结束洗孔。

（2）裂隙冲洗。压水试验前，采用高压脉动冲洗，以冲出被灌岩体裂隙中所充填的岩屑、泥质等杂质。冲洗压力采用1.0MPa。冲洗直至回水清澈，延续10min后方可结束，但总的冲洗时间不少于30min。

压水试验采用五点法及简易法两种，所有试验孔段均做灌前压水试验段。

（1）五点法。对于直、斜孔组，均要随钻进随采用自上而下分段（孔内栓塞）做压水试验。试段长度与灌浆段长度相对应，一般为5m。量测设备采用成都勘测设计院研制生产的ZS—1000型钻孔水文地质综合测试仪。孔深20m以上各段采用0.3MPa压力进行单点压水（检查孔均为五点法），20m以下各段分别按0.3MPa、0.6MPa、1MPa三级压力5个阶段进行压水。各级压力下压入流量的稳定标准为：在稳定压力下每3～5min测读压入流量一次，连续4 次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min 的即可结束压水。计算流量取最终值。

（2）简易压水法。在各序孔中按孔口封闭自上而下分段压水的方法进行。量测设备采用长委长江科学研究院研制生产的GJY—Ⅱ型灌浆自动记录仪。孔深20m以上各段按0.3MPa压力控制压水，20m以下各段按1.0MPa压力控制。压水进行30min，每5min测读一次压入流量，取后4次读数平均值作为计算流量。其成果以透水率表示。

（三）岩体浸润

由于试区内灌浆的范围都位于地下水位以上，被灌注岩体为非饱水岩体，为了防止灌浆过程中，浆液水分损失过多，影响浆液的流动性及扩散性，在灌浆前，对灌段岩体进行压水浸润1h，压力为0.2MPa。从钻孔冲洗起至灌浆前，对灌段岩体累计实际浸润时间应不少于2 h。

（四）现场浆液试验

室内试验推荐的浆液基本上能满足现场灌浆施工的要求。但由于现场条件同室内试验条件不同，比如制浆设备、制浆规模、季节的变化（试验为夏季，施工为冬季）和膨润土性能等方面都存在一定的差异。针对这些情况，在现场对浆液进行了优化试验，并对优化的浆液进行了现场测试。测试结果如表5-13 所示。

表5-13　现场使用浆液性能指标表

使用情况表明，该浆液具备良好的流动性和稳定性，能很好地适应现场环境和施工规模，保证了灌浆试验的顺利进行。

（五）现场灌浆试验

1.灌浆强度值（GIN）的设定及其包络线(www.xing528.com)

GIN 灌浆方法中有两个关键技术：一个是稳定浆液的配比调试；另一个是灌浆强度曲线的确定。确定后者有两个前提条件：避免岩体劈裂或上覆岩体抬动；有限的灌浆扩散半径。目前尚未见到一个令入可以接受的计算灌浆强度值的公式。

表5-14　限制灌浆最高压力

于1991年在小浪底左岸单薄分水岭进行了3 次常规帷幕灌浆试验。这些试验的地质条件、试验深度等与本次试验基本相同。考虑到岩体劈裂可能与上覆岩层厚薄等因素有关，因此推荐了（设定了）如表5-14 所示的灌浆压力（从该次试验工作完成之后的资料整理中发现，设定的灌浆压力仍有考虑不周之处）。从表中看出，孔深50m 以下使用灌浆压力最大值为3.55MPa，与最大限制压力为4.0MPa 的高强度值200［MPa ·（L/m）］相对应；孔深25m以上使用压力为1.4MPa，与最大限制压力为1.5MPa 的低强度值50［MPa·（L/m）］相匹配；占整个孔灌浆50%以上工作量的25～50m段，使用最大压力为3.01MPa，吃浆量为163L/m，与最大限制压力3.0MPa，最大限制灌入量200L/m 的中等强度值相一致。

表5-15　灌浆强度值表

各深度段灌浆强度值和限制包络线见表5-15和图5-9所示。

2.灌浆主要设备及现场布置

（1）灌浆泵。采用能源部钻探机械厂生产的TGBS—10型灌浆泵两台，该泵为水泥灌浆专用设备，其设计排量为100L/min，最大压力10MPa。

（2）搅拌机。高速搅拌机为长委陆水自动化设备厂生产，转速280r/min，容量200L、400L各一台；低速搅拌机为杭州钻探机械厂生产的JJS—2 型，容量200L。

（3）阀门、高压胶管。采用灌浆专用高压阀门和双编丝高压胶管，其最大设计压力为10M Pa。

（4）灌浆自动记录仪。为长委长江科学研究院生产的GYJ—Ⅱ型记录仪。

（5）回浆桶。由黄委院加工。该桶的作用是实现灌浆过程中的大、小循环。现场主要灌浆设备及仪器的安装连接按图5-10 进行布置。

3.灌浆方法及过程控制

（1）灌浆方法。本次灌浆是为服务于小浪底今后大规模施工而进行的。为简化工艺，采用小口径孔口封闭灌浆法施工。自下而上分段灌浆法作为对孔口封闭法的补充，仅在A2 孔中使用。

灌浆施工时，射浆管管口距孔底不大于0.5m，当采用自下而上分段灌浆时，射浆管使用塑料管，栓塞位置按实际段长控制。

（2）灌浆与过程控制。灌浆段长为5m，铅直孔组底部为8m。上部因地层原因，局部为3m 左右。

灌浆过程始终是在微机监控下进行的。本次灌浆采用中等的灌入速度（≤30L/min），地层吸浆量特别大时，通过调整灌浆泵上的回浆阀门以达到控制的目的；在正常情况下，灌浆在小循环状态下进行，当灌浆时间偏长时，视现场具体情况，可暂时解除压力，关闭自动记录仪，执行大循环过程，以疏通管路和使可能失水的浆液通过循环得到改善。

为防止灌浆过程中出现固管现象，对斜孔的环状间隙进行了调整。另外，改进了传统的孔口封闭装置，使其与机上钻杆相连接，灌浆工作管靠机上钻杆驱动，并随之旋转或上下移动，这样，必要时在1～2min或更短的时间内，便完成工作管的活动，这可大大降低事故率，加快灌浆进程。

图5-9　灌浆强度值限制包络线

1—强度值为50MPa（L/m）的灌浆限制包络线；2—强度值为150MPa（L/m）的灌浆限制包络线；3—强度值为200MPa（L/m）的灌浆限制包络线

图5-10　灌浆设备及仪器安装连接示意图

1—高速搅拌机；2—低速搅拌机；3—流量传感器；4—灌浆泵；5—压力传感器；6—钻孔；7—灌浆自动记录仪；8—回浆筒；9—管路；10—灌浆参数信号线；11—阀门

（3）灌浆工艺流程。灌浆施工中，严格按序次进行。为避免灌液对已灌岩体的破坏，对相邻的两个序孔之间，钻孔灌浆段的间隔高差不少于15m，每个试段的灌浆（孔口封闭）流程如图5-11 所示。

图5-11　灌浆工艺流程框图

对于直、斜孔组的导孔，为获得岩体在天然状态下的透水率而提前终孔。A2 孔采用自下而上分段灌浆法连续灌浆；A'1 孔采用小口径孔口封闭法。

（4）灌浆结束标准与待凝。灌浆开始后，随灌浆过程的进行，当达到灌浆最大压力或灌浆强度值时，出现5m 段长注入率不大于1L/min 时，可继续灌注30min 后结束灌浆。灌浆结束后，一般不待凝，但对于个别吃浆量大且未达到结束标准的段次，应调整压力，使之沿包络线下滑，直到流量小于规定值时，持续10min即可结束。对于复灌段，需待凝2h后再进行下一段。

（5）特殊情况处理。灌浆过程中，因孔故、设备故障导致的中断，应尽可能早地恢复灌浆。如中断时间超过30min，立即冲洗。如不能冲洗，上提射浆管，进行扫孔，以减少对灌浆质量影响和固管（塞）现象的发生。灌浆过程中，发现有串浆现象后，应立即用灌浆塞塞于被串部位上方1～2m后继续对灌浆孔灌浆。

（6）抬动变形观测。抬动孔分主、副孔，孔深分别为65m和6m。当抬动主孔造孔结束后，向孔底注入0.5∶1的浆液，及时下入φ15mm铁管（内管）罩护，外管与孔壁间填极细砂。主、副孔安装相同，灌浆时，主、副孔内管高度变化相对值之差，用千分表测读岩体抬动变形值。本次灌浆过程中，对地层的抬动变形进行了随时观测，仅在A2 孔第1段孔深5～10m发生了较轻微的抬动变形（抬动0.025mm）。经分析认为，这是由于在升压过程中，压力升的过快，压力脉动较大，瞬时压力超过了岩体抗劈裂强度所引起的。而在其他孔段均未发现抬动现象。

（7）封孔。采用机械压浆法。全孔灌浆结束后，将钻杆下至孔底，用灌浆泵向孔内压入水灰比为0.6∶1的浓浆，由孔底逐渐上升将孔底积水排出，直至孔口冒出浓浆为止。待凝数日后，钻孔上部空余部分再用此法封补。