孔口封闭器在水牛家大坝帷幕灌浆中的应用

1、概述 

    水牛家水利枢纽工程帷幕灌浆采用孔口封闭，孔内循环，自上而下的灌浆方法。孔口封闭灌浆法是目前国内较先进的施工工艺。其优点为：①孔内不需下入灌浆塞，施工简便，可以节省大量时间和人力；②每段灌浆结束后，不需待凝，即可开始下一段的钻进，加快了施工进度；③多次重复灌注，有利于保证灌浆质量；④可以使用大的灌浆压力等。近期许多工程相继采用此法施工。灌浆质量比较好，采用孔口封闭灌浆法施工,其主要缺点是灌浆管容易在孔内凝住,通常称为“固管”。固管的因素很多，人为因素和机械设备都会直接影响固管。灌注浓浆时间较长时容易发生固管，防止固管的主要措施：灌浆过程需要经常转动和升降灌浆管，要求使用性能良好的孔口封闭器。水牛家帷幕灌浆施工有数十家单位，唯有四川准达岩土工程公司(以下简称准达公司)，使用的孔口封闭器性能较好，灌浆管在灌浆过程中始终作匀速转动，在转动中还能升降灌浆管，在高压４ＭＰa灌浆中不发生漏浆，解决了帷幕灌浆中固管的技术难题，使固管率从根本上减少。在水牛家大坝左岸主帷幕补强３号灌浆洞中使用，效果很好。有借鉴之处。

    2、孔口封闭器的构造和工作原理

    2.1孔口封闭器的构造

    准达公司现在使用的孔口封闭器是在原孔口封闭器基础上改进的。改进型孔口封闭器是采用Ф９１mm铁砂钻头料和Ф１１０mm圆钢及高压接头经加工焊接而成，主要由三部分组成：①孔口封闭器基座；②压盖；③橡胶圈。孔口封闭器高２６０mm，上部外径Ф１１０ mm，下部外径Ф９１mm，压盖外径Ф１１０mm，内径Ф５５mm，具体构造见剖面图１－１；橡胶圈高度５０mm，外径Ф７５mm，内径Ф５０mm。

    2.2工作原理

    改进型孔口封闭器是利用橡胶圈的弹性和韧性在压盖压力作用下膨胀抱紧灌浆管，封闭孔内浆液形成孔内循环，并在钻机动力作用下使灌浆管在孔口封闭器中心灵活转动和升降、且不漏浆。从而使灌浆管像搅拌棒一样搅扰孔内流动浆液，改变浆液流态，缓解浆液凝结速度，达到克服固管的目的。升降灌浆管可以降低浆液的内聚力，刮涮粘附在孔壁和灌浆管壁上的水泥浆，在搅拌作用下迫使其液化分解参与新浆中循环，起到克服固管的作用。改进型孔口封闭器的安装使用很简单：当每灌浆孔段造孔结束后，提出钻具。配好灌浆管(一般采用Ф５０mm平头钻杆作为灌浆管)下至孔底，然后把孔口管护丝冒御下，再逐个套入孔口封闭器基座、橡胶圈、压盖。基座与孔口管上紧后，灌浆管提离孔底５０cm，把橡胶圈压入基座，上紧压盖。连接高压胶管，开动钻机对好前车，孔口封闭器安装完毕。连接循环管路，架冷却水管，开泵开始灌浆。

    3、大坝左岸帷幕补强３号洞帷幕灌浆

    3.1 灌浆材料和灌浆设备

    灌浆材料：采用拉法基425#普通硅酸盐水泥，先由制浆站制成0.5：1浓浆，在由各灌浆孔段根据实际情况调制使用。灌浆设备：灌浆泵使用ＳＧＢ６－10型多缸柱塞式高压泵，排浆量100L/min，使用平接头钻杆作为射浆管，XY－２型地质钻机配合使用，灌浆使用计算机灌浆监测系统进行实时灌浆自动记录。

    3.2帷幕灌浆

    帷幕灌浆一律采用孔口封闭、孔内循环、自上而下的灌浆方法。灌浆使用孔口封闭器，射浆管距孔底５０cm ，先导孔孔径Ф751000mm，帷幕灌浆孔孔径Ф75mm，最大孔深89m，40m以上为补强帷幕，以下为加深帷幕，单排孔孔距2m，灌浆段长为５m，４段以后灌浆压力为４ＭＰa，帷幕灌浆结束标准：在4ＭＰa 压力下，注入率不大于1Ｌ／min时连续灌注60min，且在设计压力下的灌浆时间不少于90min。３#洞帷幕有断层破碎带Ｆ238，F236，Ｆ240穿过帷幕线，Ｆ238断层破碎带较宽，宽度达22m，破碎带的孔吃浆量较大，200号先导孔第12段，灌入水泥25Ｔ，灌浆待凝８次，先导孔和一序孔大约平均单耗水泥240Ｋg／m左右，技术规范要求：帷幕灌浆孔Ⅲ序终孔段单耗水泥不大于50Ｋg／m，其它各序不大于100Kg/m，方可以终孔，否则应继续加深，直至满足上述要求。

    ３号洞帷幕灌浆工程量23028m，合同要求工期一年，其中Ｆ238，F236断层段和山体斜坡底段３段工程量9160 m，合同要求应在2005年5月20号汛前完成。投入钻机14台，灌浆泵９台，截止4月２号已完成灌浆帷幕15400m，完成工程的75％。全部工程2005年9月底完工。工期提前4个月。
   
    ３号洞帷幕灌浆工程投入的设备，人力与同期水牛家帷幕工程其它标段相比是比较少的，合同工期要求比较紧张，2005年5月20号汛前工程量已按时完成，除其它有利条件外，使用改进后的孔口封闭器灌浆不发生固管事故起重要作用。工程质量与合同工期都得到保障。

    4、孔口封闭器灌浆工艺评述

    ３号洞帷幕灌浆深度范围的地层是以Ｔ１３－２为主的Ｔ１１－Ｔ１４碎屑岩系，从钻孔岩石取心看，岩性中硬、脆、裂隙较发育。灌浆情况很复杂：很多孔段在１－２ＭＰa压力作用下地层不吃浆，升至３ＭＰa吃浆率在10－15Ｌ／min，超过了３ＭＰa吃浆率发生突变，增至30Ｌ／min，待凝数次后结束不了。为保证帷幕灌浆质量和不浪费水泥，采取降压限流10L以下长时间灌注，实践证明降压限流10Ｌ以下灌注，灌浆效果显著。问题是在灌浆施工中，孔口封闭法灌浆容易发生固管，准达公司改进的孔口封闭器，可以限流10Ｌ以下灌注，且长时间连续灌注而不发生固管事故。在３号洞帷幕灌浆施工中，施工比较顺利。

    水牛家帷幕灌浆一律采用孔口封闭灌浆法，与３号洞同期施工中的其它帷幕灌浆标段固管率较高，在限流灌注过程中多发生固管事故，防止的办法，在灌注中灌浆管每间隔一定时间暂停灌浆降压转动和升降一次灌浆管，监测记录上打印显示暂停２min。准达公司改进的孔口封闭器，不用降压循环，灌浆管在孔口封闭器中心部位灵活转动和升降且不漏浆，不易发生固管。帷幕灌浆连续不间断灌注有利于帷幕灌浆质量。

    水牛家帷幕灌浆结束标准：在4ＭＰa 压力下，注入率不大于1Ｌ／min时继续灌注60min，在施工中也易发生固管事故，针对其它灌浆标段固管率较高的实际情况，监理工程师现场指令允许在达到结束压力，注入率小于5L/min时，继续灌注60min内可改变为3：1的稀浆灌注。个别标段结束时间缩短为30min，3号洞帷幕灌浆中一般都没有变3：1的稀浆灌注，不变稀浆有利于工程质量。

    帷幕灌浆固管因素很多，帷幕的深孔段更容易固管，深孔段灌浆固管事故的处理非常麻烦，对人力物力消耗是非常大的，对“固死”的管要重新移位开孔，特别是对钻进难度较大的地段；近百米的进尺要重新开孔对人力物力浪费是惊人的。孔口封闭器的改进对解决帷幕深孔灌浆固管问题，经济效益显著。

    5、结语

    孔口封闭器的改进解决了帷幕灌浆中固管的技术难题。准达公司改进的孔口封闭器也是在灌浆实践中摸索出来的，起初2003年在水牛家４号洞帷幕灌浆中使用改进前的孔口封闭器，固管率较高，逐步摸索改进花费了很大的心血，多次改进才完善成现在这种程度，准达公司改进的孔口封闭器给施工带来了效益，且构造简单，易加工制造。