软弱地基及破碎带灌浆处理

苏长林1，李 超1，张光西1，阎海娥2

(1.成都水利水电建设有限责任公司，四川成都，610072;2.中国电建集团中国勘测设计研究有限公司，湖南长沙，410014)

作者简介: 苏长林(1965—)，男，四川都江堰人，工程师，主要从事岩土工程基础处理。

【摘 要】 灌浆通常是在多种复杂地层下进行，尤其是在软弱地基及破碎带更需要进行灌浆处理。软弱地基及破碎带存在透水率大、地基承载力低等特点，针对这种地层，需要找准适合的处理方式及在处理过程中的措施控制。

【关键词】 软弱地基; 破碎带; 帷幕灌浆; 效果

1 前言

灌浆是为了弥补或弥合地层中的空隙，而岩体的质量主要由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。风化砂岩为中硬岩－较软岩，明显呈各向异性; 板岩为软岩，存在较明显的软化现象、各向异性等。

软弱地基及破碎带一般为Ⅳ、Ⅴ类岩体，存在透水率大、地基承载力低等特点; 灌浆时地层不受压，易发生抬动、地表冒浆、漏浆、串浆等。同时，在该类地层进行灌浆孔成孔施工时易发生塌孔、埋钻、卡钻等事故，即使成孔仍存在洗孔不净、孔底残留物过多等现象。

因此，在灌浆处理时一定要找准处理方法及处理过程中的控制措施。下面介绍几种针对不同软基及破碎带的处理方法。

2 高压旋喷灌浆处理

2．1 方案的确定

某电站拦河大坝泄9坝段横向廊道分隔帷幕灌浆部位存在挠曲破碎带，破碎带地层主要为Ⅳ～Ⅴ类岩体，厚度达30～40m不等。

由于挠曲破碎带的Ⅴ类岩体颗粒间基本无胶结，密实性好，干密度高，遇水扰动后极易软化呈粉细砂状，造成塌孔、埋钻、卡钻等，不能有效完成帷幕灌浆施工。在实际实施过程中采用缩短灌浆段长、浓浆开灌、边钻边灌等特殊处理措施，仍然不能解决塌孔、卡钻、埋钻等问题，灌浆效果也不能满足设计要求，致使该项施工难以开展。

针对挠曲破碎带的帷幕灌浆施工存在的上述问题，工程参建有关单位多次研究讨论后决定采用高压旋喷灌浆技术处理。

2．2 高喷施工

2.2.1 钻孔

高喷区钻孔使用回转地质钻机造孔，对于帷幕兼高喷灌浆的钻孔，开孔直径为φ89mm，对于单一高喷灌浆孔开工直径为φ76mm。

在破碎带地层中，按照3～5m的长度分段自上而下进行旋喷灌浆。钻孔进入破碎带后，视钻孔成孔情况确定段长，采用自上而下分段进行，每段喷灌后待凝24h再进行下一段钻孔。

2.2.2 冲洗

造孔完成并确定高喷段长后，将高喷钻机连接好风管和高压水，将孔段内碎屑状岩体或砂化物冲洗出孔口，达到扩孔目的。并投钢球封堵钻头底部水眼，自下而上进行高压喷水冲洗，再自上而下进行洗孔复喷至该段底部，视孔口返砂情况结束喷水洗孔作业。

2.2.3 喷射灌浆

喷射管下入到设计深度后，送入满足要求的气及水灰比为0.8 1～1 1的水泥浆，喷射1～3min，待注入的浆液返出地面后(返浆量正常范围为注浆量的10%～20%)，按10cm/min的提升速度自下而上边喷射、边转动、边提升，直到设计高度，停送气、浆液，提出喷射管。

2.2.4 静压回灌

为解决旋喷凝结体顶部因浆液析水而出现凹陷现象，喷射结束后，即在喷射孔内进行静压充填灌浆，直至孔口液面不再下沉为止。

3 煤系地层帷幕灌浆

某水库坝区基岩地层为三叠系上统须家河组(T33xj)含煤砂页岩地层，主要为: 局部含煤含砾中细粒砂岩、含有煤块煤屑粉砂岩、煤质页岩和含有煤块煤屑泥质粉砂岩。坝区节理裂隙主要为: ①走向N50°～75°E倾向NW倾角50°～60°，节理面平直，延伸长，与层面基本一致; ②走向N10°～45°E倾向SW倾角10°～35°，面平直，与层面近于直交; ③走向N50°～80°W倾向SW倾角60°～80°，具张性结构面特征，延伸较长。“沙金坝向斜”核部处于河床帷幕线中部，往左岸含煤及煤质页岩互层发育。

坝区所处位置有着300年煤窑开采历史，因此不可避免地会出现大注入量的现象。

3．1 帷幕灌浆设计

设计为双排帷幕灌浆，下游排为主帷幕，上游排为次帷幕。排距1.50m，孔距2.0m，分三序施工，布孔型式呈梅花形布置。主帷幕孔深89.00～103.00m，次帷幕孔深62.60～73.50m。灌浆帷幕防渗设计标准为3Lu。

3．2 灌浆方法

由于帷幕灌浆区域地质条件所揭示煤层、煤质页岩互层较发育，采用卡塞灌浆是根本不现实的，因此采用国内最常用的孔口封闭，自上而下分段循环灌浆法。

3．3 灌浆浆液与浆液变换

灌浆采用5 1、3 1、2 1、1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1七级水灰比纯水泥浆液，开灌水灰比一律采用5 1浆液。

变浆原则按有关规范及设计要求进行。由于开灌水灰比一律采用5 1浆液，因此遇吸浆量大时越级变浆较快。

3．4 特殊情况处理

(1)由于帷幕灌浆处地质条件受岩性、倾角、倾向及裂隙发育程度及煤窑开采等因素所决定，灌浆过程中出现地层不受压、吸浆量特别大的现象，正常灌注难以达到结束条件。针对这种现象，采取以下措施和方法:

①灌浆过程中的压力控制为缓慢升压，一旦压力升到某一限额而出现吸浆量突然增大或压力突然降低时，则进行限压灌注。

②对于限压灌注效果不明显的，则进行限量控制。即按每一灌浆段注入水泥量10～20t控制，如果达到这一灌注量依然明显显示不能结束灌浆，则待凝后扫孔复灌处理; 如果达到或接近这一灌注量显示出有正常结束趋势的，则正常灌注至结束。

③灌注过程中采用间歇灌浆，若间歇达2～3次或以上仍不能正常结束灌浆，则待凝后扫孔复灌处理; 若间歇2～3次出现有正常结束趋势的，则正常灌注至结束。

(2)由于岩层的倾角、倾向上游及裂隙发育程度的原因，以及在灌浆施工同时趾板下游的坝体在同步进行填筑。因此，在灌浆过程中很容易发生串、冒浆现象，而且在发生冒浆的初期是不会被发现的，必须待浆液从填筑层中冒出后才会被发现。针对这种情况，采取以下措施和方法:

①安排专职人员对帷幕线下游的填筑层进行巡视、观察，一旦发现冒浆立即通知现场灌浆施工人员及现场灌浆值班技术人员，以便采取措施进行处理。

②发生冒浆后，立即采取降压、限流、浓浆、间歇灌注等方法进行处理，若上述方法处理无效，则进行待凝后扫孔复灌。

(3)由于含煤及煤质页岩互层发育，钻孔过程中极易发生塌孔，造成射浆管下入困难及灌浆难以进行。对此情况，采取以下措施:

①尽量缩短段长。但由于工期紧，此方法耽误时间较多，实际施工中采用较少。

②按设计要求钻出段长后，将射浆管底部镶铸硬质合金形成一小口径钻头，利用钻机的回转能力将射浆管下入到设计规定部位，再施以大泵量水将孔内岩粉及小颗粒岩屑冲洗出孔口。此时，孔内残留的大颗粒岩块(岩屑)之间存在一定的空隙可供水及水泥浆液流动，灌浆即可正常进行。

③开灌初期对孔内回浆进行过滤，即将回浆通过细孔筛网过滤后回到回浆桶，这样可以有效地将孔内渣、屑进行过滤。

4 板岩、砂岩及挤压破碎带帷幕灌浆。

某水库坝址区基岩主要为三叠系上统中、上博大组(T3zb+sb)，薄－中厚层状泥质、粉砂质板岩夹少量粉砂岩、砂岩，并伴有挤压破碎带(层间挤压错动带)。坝区岩体主要分为Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅴ级三类。其中微新岩体属Ⅳ1级; 弱风化、弱卸荷属Ⅳ2级; 强风化、强卸荷岩体属Ⅴ级。该地层裂隙细微、发育长度较短、连通性差。

由于地质条件因素，灌浆孔在钻孔及灌浆过程中往往会遇到钻孔时掉块、塌孔，钻孔冲洗不干净，灌浆时回浆中带有大量岩粉、岩屑等，灌浆时易发生抬动、地表冒浆、漏浆严重等现象。为指导帷幕灌浆施工，在帷幕灌浆施工前进行了帷幕灌浆试验。

4．1 帷幕灌浆设计

灌浆试验设计为单排及双排，单排孔距为1.5m，双排孔距为2.0m、排距为1.5m，分三序施工。布孔型式呈梅花形布置。帷幕孔深最深60.0m，灌浆帷幕防渗设计标准为3Lu。

4．2 灌浆方式

由于地质条件因素，适合选择孔口封闭自上而下分段循环灌浆法进行灌浆。

4．3 灌浆浆液与浆液变换

灌浆采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六个重量比级水灰比，开灌水灰比应尽量采用稀浆。

4．4 特殊情况处理

(1)大吸浆段处理

灌浆过程中遇大吸浆量时，主要采用低压、浓浆、限流、限量、间歇等措施。在采用限流时，限流量不超过15L/min，同时采用分级升压，且每级压力不超过0.2MPa，使其岩体不产生劈裂，通过这样的处理方式使灌浆达到有效控制，也能在不采用间隙或待凝措施的情况下结束灌浆。

灌浆过程中若遇吸浆量突然增大、压力突降，立即对灌浆区域及周边进行巡视、检查。

(2)冒浆、漏浆处理

灌浆过程中发现冒浆、漏浆，根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

由于地层软弱，嵌缝及表面封堵基本无效。因此，采用低压力灌注，并在灌注过程中采用同“大吸浆处理”一样的方法; 对于限流，其限制标准可以低到5L/min，直至使冒、漏浆达到有效控制为止。

(3)挤压破碎带处理

帷幕灌浆施工过程中，在钻孔、灌浆过程中频繁遇到挤压破碎带(软弱夹层)，首先利用射浆管采用大水量扫孔到底，然后采用大水量脉动对钻孔进行冲洗，使钻孔内的沉砂及夹层内的不稳定体被脉动水流带出孔外。在灌浆时，采用较稀浆液开灌并进行限流及分级升压，使浆液能缓缓地沿着夹层的顶、底板进行充填，从而使夹层达到充分灌注。

5 结语

以上几个工程，通过采用有效手段，均达到了预期效果。

(1)先高喷后帷幕的方法按高压旋喷施工技术的原理，结合工程的地质特点，采用高压水冲洗法与高压喷浆相结合的施工方法，有效解决帷幕灌浆造孔中出现塌孔、埋钻问题，保证了破碎带地层内及其下部帷幕灌浆施工的质量和进度。

(2)在煤系地层采用一系列有效措施，使得帷幕灌浆效果达到了设计要求。

通过19个检查孔共376段压水，透水率由灌浆前的Ⅰ序孔平均9.93Lu降低至所有压水段透水率最大为3.04Lu，最小为0.03Lu，除有一段透水率略大于设计要求的3Lu外，其余均全部满足设计要求。

针对煤系地层裂隙连通性差，通常存在顺向性通道等特点，采取前述措施有效解决了灌浆过程中的特殊情况。尤其是煤系地层易塌孔、钻孔冲洗困难、冲洗不净、射浆管下入困难等问题，通过前述措施得到了很好解决，同时也保证了灌浆质量。

(3)由于板岩、砂岩及挤压破碎带地层裂隙细微、发育长度较短、连通性差、地层不受压等特点，采取多灌稀浆、低压开灌、分级升压等措施能有效地使浆液缓慢渗入岩体缝隙并促使浆液中的水泥颗粒堆积而达到裂隙填充的效果，且不至于扩散过远，同时也避免了采用较浓浆液开灌过早地将裂隙封堵，从而达到比较理想的灌浆效果。

通过6个检查孔共90段压水，透水率由灌前的Ⅰ序孔平均50Lu降低至灌后最大3.78 Lu、最小0Lu、平均2.05Lu，全部满足设计要求。