基岩与隧洞岩体水泥灌浆(黑体)

1第一章概述1.1灌浆的定义及其作用良好的地基是工程安全可靠的保证，当地基的承载能力或防渗能力不满足建筑物的要求时，就必须进行基础处理。一般的情况下，建筑物地基浅层不满足工程的要求时，往往采用开挖的措施进行坝基处理，此时工程的安全性和经济合理性是可以得到满足的。但当不满足工程要求的基岩埋藏较深时，开挖处理就相当困难，甚至是不可行的，此时就可采用灌浆等其它工程措施，对影响坝基的承载能力和防渗性能的断层、破碎带、软弱夹层、岩溶和强透水地基等不良地质构造进行处理。经过近200年的发展，灌浆已形成了一套完整的技术。灌浆就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照一定的配比或浓度，藉用机械或浆浆自重对浆液施加压力，经钻孔或其它设施，压送到需要灌浆的部位（例如：大坝坝基岩石裂隙或砂砾石地基的孔隙、隧洞周围岩石的裂隙、隧洞衬砌与围岩之间的空隙、混凝土大坝坝体接缝以及水工建筑物混凝土缺陷中的孔洞或裂缝等），待浆液经过硬化、胶结以后形成结石，以提高基岩的强度，改善其整体性和抗渗能力。图1-1灌浆示意图大坝坝基灌浆的作用就在于通过采用灌浆技术处理坝基岩石或砂砾石层，使之满足筑坝工程的需要，确保大坝地基稳定、安全，水库正常运行，发挥应有效益。由于坝基地质条件、建坝目的和大坝类型的不同，坝基灌浆处理的方法和施工技术的繁简程度也不一样。地质条件比较好的，灌浆工作就简单些，容易些；地质条件复杂的，则灌浆工作量就要大些，施工也要艰难些。对于高坝，坝基处理一定要严格，因为在高水头长期作用下，大坝基岩地质条件易遭受冲蚀或其他损害。2灌浆技术是水工建筑物地基处理常用的和重要的工程措施之一。灌浆技术在我国也有了60年的历史，取得了显著的成就。当前，我国正处在一个水利水电建设的新高潮，有许多规模宏大的水利枢纽、水电站、堤坝、水闸、输水隧洞等开工兴建，有许多原有的工程需要改建扩建，还有一批病险水库需要整修加固。在这些工程中很多都需要应用水泥灌浆技术对地基进行加固或防渗处理。1.2灌浆的分类在水利工程中从大类来划分，灌浆可分为：基岩灌浆和砂砾石地基灌浆。按灌浆目的和要求不同，基岩灌浆粗略的可分为：固结灌浆、帷幕灌浆、接触灌浆、回填灌浆和接缝灌浆五大类。由于因地质营力或爆破开挖在基岩上部必然形成孔隙、裂隙和破碎带等不良地质条件，它不能满足大坝对地基的要求，固结灌浆的主要目的就是通过浆液固化以后形成结石，提高基岩的整体性和力学性能，达到提高坝基的均匀性和承载能力。同时固结灌浆特别是深孔固结灌浆（孔深10~15m）也能提高基岩的抗渗性能。帷幕灌浆的主要目的是为了在透水性较强的坝基中，通过灌浆形成一道阻水帷幕，减少坝基的渗漏量，防止渗透破坏。对混凝土坝还可起到降低扬压力的作用。接触灌浆的主要目的加强混凝土结构物（如混凝土坝、隧洞衬砌等）与地基的结合能力，同时也提高地基的强度和防渗性能。回填灌浆旨在通过较浓的浆液，对地基中的较大孔洞进行回填处理。按灌浆材料又可划分为：水泥灌浆、水泥粘土灌浆、水泥水玻璃灌浆和化学灌浆等。在水利工程中水泥灌浆应用最为广泛，因其灌浆效果比较可靠，成本较低。按灌浆压力，还可分为高压灌浆（3MPa以上）、中压灌浆（0.5MPa~3MPa）和低压灌浆（0.5MPa以下）。1.3坝基灌浆（或灌浆试验）前的准备工作1.3.1灌浆前应进行的工程地质及水文地质调查工作灌浆是与坝基地质条件相伴的工程措施，因此，灌浆的成败很大程度上取决于对坝基地质情况的掌握程度，在灌浆开展前必须深入了解坝基工程地质和水文地质条件，这对确保灌浆效果是至关重要的，包括：（1）了解坝址区的地质构造情况，如断层、裂隙、破碎带的分布、产状及其性质；3（2）了解坝基中的不良地质构造分布，如大裂隙、破碎带、软弱夹层、岩溶洞穴和充填物性质等；（3）查清坝址区水文地质条件，如基岩透水性、地下水流速、含水层的埋深和地下水水质等。1.3.2坝基工程性质研究为了编制灌浆试验工作计划，初步制定灌浆技术要求，确定灌浆材料和浆液试验的项目，还应针对灌浆的主要目的继续深入地做一些研究工作。1．岩性的研究对于岩石种类、成分、岩层构造、岩性特征要做仔细的了解和研究，因为这些因素对选择钻孔方法和灌浆技术措施有很大的影响。实践表明钻孔的结构、钻进方法和钻孔方向，在很大程度上决定于岩石的硬度。岩层的完整性或松散程度以及层面和裂隙的倾斜方向。灌浆的方法和灌浆压力的大小，在一定程度上也是根据岩石的种类和层面的方向而定的。2．裂隙和空洞性质的研究裂隙和空洞是灌浆的直接对象，要取得良好的灌浆效果，必须首先对裂隙和空洞做详尽的研究，搞清它们的性质，如裂隙的宽度尺寸，裂隙的方向，分布的情况；空洞的大小，分布的情况，洞隙中填充物的种类和填充的密实程度等。这些对选择灌浆方法、灌注材料、钻孔方法、冲洗措施均有着很大的影响。例如，为了减少钻孔工程量增进灌浆效果，钻孔的方向布置最好垂直于裂隙的方向。当裂隙或空洞很大时，往往需要采取灌注浓浆，或掺用粗粒材料灌注。裂隙或空洞中填充有粘土质等杂物时，应当采取必要的冲洗措施，以清除这些填充物，为有效地灌浆创造条件。3．地基岩层渗透性的研究坝基渗透性是布置灌浆，选定灌浆方法的主要依据。目前在基岩中主要是采用压水试验的方法，求得岩石的透水率，以了解岩石的渗透性质。根据岩石透水率所编制的渗透剖面图，可以作为确定防渗帷幕深度、厚度以及灌浆试验孔应如何布置的主要依据。所以，在灌浆试验前详细摸清地基岩层的渗透性是非常重要的。4．灌注材料的调查与研究4基岩灌浆除主要材料水泥外，有时还需要较多数量的砂、粉煤灰或粘土等作为掺合料。在灌浆试验前，对这些材料的产地、储量、性能以及开采运输条件等需做充分的调查和研究，并选取试样送试验室进行物理、力学及化学性能试验。在地基岩层透水率小，而裂隙又细微的情况下，如果对这样的地基岩层还要求进行灌浆时，可能常需使用磨细水泥作为灌注材料。磨细水泥可以向水泥厂专门订货，也可以根据情况自行加工磨细。对磨细水泥的性能与搅拌的方法及设备也应进行试验研究。若磨细水泥仍不能满足灌浆要求时，则需考虑采用超细水泥或化学灌浆材料进行灌注试验。5．灌浆浆液的性能试验适宜的灌浆材料和浆液是取得良好灌浆效果的重要因素。因此，在灌浆试验前，对所拟使用的各种灌浆浆液也应进行各项试验。如果考虑在浆液中需加入某些附加剂或掺合料时，同样需要进行试验，了解它们的性能和适当的掺入量，最后确定合宜的灌浆材料及适用的浆液，并确定浆材合宜的配比和外加剂适宜的掺入量。需要进行试验的各种材料的名称、试验的项目、试验的要求等，均应在灌浆试验技术任务书中予以写明。6．地下水的水质分析了解地下水与河水的水质，鉴定其有无侵蚀性，这与选用灌浆材料的品种有关，如刘家峡大坝基岩的地下水具有硫酸盐的侵蚀性，故采用抗硫酸盐水泥做灌浆材料。1.4灌浆试验由于目前灌浆技术尚不够成熟，各工程的地质条件和设计对地基的要求也不尽相同，已有的经验只能作为参考，不宜直接套用。设计阶段所提出的灌浆设计是非常初步的，并不能满足坝基实际处理的要求。为做好灌浆工作就必须结合工程的具体条件，提前在坝址区开展灌浆试验，以取得的灌浆技术参数成果，作为坝基灌浆深入（可供实施的）设计和施工控制的主要依据。灌浆试验的主要任务是：1验证坝基采用灌浆处理方案，技术上的可行性，效果上的可靠性和经济上的合理性，验证和修改设计时初拟的灌浆方案；2选择合理的灌浆材料、最优的浆液配比和提高浆液性能的措施；3提供设计和施工所需要的灌浆技术参数，如钻孔深度、孔距、排距、灌浆压力及5浆液稠度等。4提出灌浆机械选型；5编制灌浆作业程序，确定灌浆施工工艺；6确定灌浆的质量控制标准。灌浆试验应根据坝基工程地质条件和水工布置，选择有代表性的地段进行。一般可选在待灌区地质条件较差的地段处。帷幕灌浆试验可选在拟定的帷幕灌浆线上游部位，这可使试验用的灌浆帷幕起到永久帷幕前的深孔固结作用，有利于提高坝基的防渗性能。如果坝基地质条件比较简单，工程等级比较低时，也可将试验段直接布置在设计帷幕线上，它就是坝基防渗帷幕的以部分，减少了帷幕工作量。所取得技术参数将更加符合工程的实际施工条件。固结灌浆试验，一般直接选在需要进行灌浆的部位上，灌浆试验完毕后，就可作为坝基固结灌浆的一个组成部位。坝基中常有一些特殊需要灌浆的部位，如断层破碎带、软弱夹层等等，也应根据实际情况选择有代表性的地段，进行撞门的灌浆试验。1.5灌浆设备机具和灌浆材料概述灌浆采用以下设备和机具：1钻探机。宜采用回转式钻机，如XY－2型液压立轴式钻机或其他各式适宜的钻机。2搅拌机。常用搅拌机有ZJ－400L型·GZJ－200型高速搅拌机、NJ-100L型低速搅拌机和200L×2型双层贮浆筒。63灌浆泵。常用灌浆泵有TBL－100/100型灌浆泵或BW250/50型泥浆泵等。由于灌浆多为高压力，小流量工况，因此，灌注纯水泥浆液应采用多缸柱塞式灌浆泵。容许工作压力应大于最大灌浆压力的1.5倍。4压力表。使用压力宜在压力表最大标准值的1/4～3/4之间。压力表应经常进行检定，不合格的压力表严禁使用，压力表与管路之间应设隔浆装置。5灌浆管路。应保证能承受1.5倍的最大灌浆压力。6水泥湿磨机。常用水泥湿磨机有长江科学院研制的JTM135S－1型湿磨机和JTM胶体磨（转速为300r/min）。77自动记录仪。可采用GJY－Ⅲ型、GY－Ⅳ型或J－31型等微机自动记录仪，以提高灌浆记录的准确性和工作效率。8灌浆压力大于3MP时，应采用高压灌浆泵、高压灌浆塞、耐蚀灌浆阀门、钢丝编织胶管、大量程压力表、孔口封闭器或专用高压灌浆塞。集中制浆站的制浆能力应满足灌浆高峰期所有机组用浆需要。制浆站应配置除尘设备。所有灌浆设备应作好维护保养，保证正常工作状态，并应有必要的备用量。8第二章灌浆材料及灌浆浆液2.1灌浆材料灌浆所用材料可分为：固体颗粒材料（包括水泥、粘土、粉煤灰、膨润土和砂等）、化学灌浆材料（如甲凝、环氧树脂、氰凝和聚氨酯等）、外加剂（包括速凝剂、减水剂和稳定剂等）和拌合用水。水泥是固粒灌浆材料中的最主要和应用得最广泛的灌浆材料。目前大坝基础灌浆仍以水泥为主。本章将重点介绍水泥浆液的应用。2.1.1水泥水泥浆液主要是由固体颗粒的水泥与水拌制而成的水泥浆，有时为了改善浆液的性能，或降低灌浆的成本，也常在浆液中加入其它如粘土、粉煤灰等固粒材料。对灌浆用水泥的要求应具有：颗粒细，可灌性好；浆液稳定性好；与被灌对象性强；结石强度高和耐久性优良等。一般情况下，当地下水无浸蚀性时，多选用普通硅酸盐水泥（代号：P.O），这种水泥硬化速度快，硬化后的结石较为密实，早期强度高，界面上结合牢固，但这种水泥的抗浸蚀性较差。当地下水有浸蚀性时，则应采用抗硫酸盐水泥或矾土水泥。矿渣水泥的抗浸蚀性能虽然较好，但这种水泥析水快，浆液稳定性差，容易产生沉淀，早期强度低，一般不推荐使用。因此，我国规范规定，当使用矿碴水泥作为灌浆材料时，应征的设计方的同意。岩基回填灌浆的水泥标号不应低于32.5级；帷幕和固结灌浆所用水泥不得低于42.5级；坝体接缝灌浆所用水泥以大于52.5级为好。水泥的细度对灌浆效果有重要影响，根据大量的实践证明，只有当水泥颗粒的粒径小于岩石裂隙宽度的1/3时，灌浆效果才可显现出来。水泥颗粒愈细，浆液才能进入细微的裂隙中，扩大灌浆范围，提高灌浆效果。我国规范规定：帷幕灌浆和坝体接缝灌浆，水泥细度应满足通过80μm方孔筛的筛余量不得大于5%；当坝体接缝张开度小于0.5mm时，水泥细度应满足通过71μm方孔筛的筛余量不得大于2%。水泥颗粒愈细，所拌制的浆液稳定性愈高，浆液不易产生分离和沉淀，抗分离的的能力愈强。水泥颗粒愈细，水化作用愈充分，所形成的结石强度也愈高。一般说来，水泥的细度与强度等级有直接关系，强度等级愈高，其细度愈细。当岩基裂缝宽度小于0.2mm宽度时，用一般水泥9进行灌浆可能没有效果，此时，可以采用近年来研制成功的超细（磨细）水泥纸杯浆液。2.1.2砂在灌注大裂隙和溶洞时，为了避免浆液过大的扩散流失和节省水泥，在浆液中常加入砂，制成水泥砂浆或水泥粘土砂浆。砂，应为质地坚硬的天然砂或人工砂