一种自密实砂浆及其深孔帷幕灌注施工方法 技术领域 本发明属于建筑防渗漏施工方法领域， 尤其属于深孔帷幕防渗漏灌注施工方法领 域， 特别涉及采用自密实砂浆进行深孔帷幕灌注施工技术和自密实砂浆组合
背景技术 在现有大型建筑施工中， 防渗漏施工是重要的施工内容。帷幕防渗漏灌注是经常 采用的方法， 帷幕防渗漏灌注施工一般有纯水泥浆静压灌注、 双液灌浆、 水泥膏浆及普通砂 浆等浆材灌注。
静压注浆 ： 一般在地层裂隙发育严重， 即地层的裂隙宽度大， 较破碎地层， 且有动 水的地层中进行静压注浆， 静压注浆控性较差、 水泥单耗大、 待凝时间长， 尤其不能按照返 浆或有压的标准结束， 而采用定量的标准结束时， 其效果的评价、 可靠性等难以确定控制。 在已有的研究表明， 普通硅酸盐水泥在水下， 尤其是动水条件下凝结时间需要 10 个小时以 上， 甚至发生假凝或不凝现象。
双液灌浆 ： 采用双液灌浆， 如水泥 - 水玻璃、 控制性灌浆等， 在进行深孔帷幕灌浆 施工时 ( 最深孔深 145m)， 容易发生堵孔事故， 且其扩散范围、 浆液的凝固时间、 非亲水性等 性能不好评价和控制， 因此在施工过程中其效果评价和可靠性等难以确定。
水泥膏浆 ： 由于水泥膏浆浆液 ( 含速凝膏浆 ) 有其特定的适用范围， 如膏浆的孔排 距根据现场地层情况确定， 由于膏浆的屈服强度较大， 因此其扩散范围受到一定约束， 故孔 排距比水泥灌浆的孔排距小。为进一步提高灌浆效果， 可在两排膏浆灌浆孔中间设置一排 水泥灌浆孔， 但对于此类地层中要求的防渗标准、 抗压强度、 抗冻、 初凝时间及流动度等控 制指标无法满足要求。
普通砂浆 ： 在间挤压破碎带地层中采用砂浆灌注， 但不解决水下凝固时间长、 浆液 扩散范围、 有效帷幕防渗效果等问题， 尤其在动水下其灌浆效果更差。
自密实砂浆具有高流动性、 不离析、 耐久性、 均匀性和稳定性， 无需振捣加压而达 到密实的砂浆性能， 不同浓度的自密砂浆配合比对岩层的裂隙扩散度不同， 在现有各项建 筑施工中已有应用。
自密实砂浆成分和配比差异大， 根据不同的建筑施工要求和条件有较大的区别， 这也是自密实砂浆及其施工方法一直处于探究、 发展中的原因。在电站大坝等大型建设施 工， 防渗漏等加固施工， 如深孔帷幕灌浆施工中一直都在寻找一种成本低、 施工方便、 对环 境友好等具有更优性能的灌浆材料及其施工方法。自密实砂浆是一种优异的灌浆材料， 但 针对深孔帷幕灌浆施工， 特别是针对不同裂隙的深孔帷幕灌浆还没有合适的自密实砂浆及 其施工方法。
发明内容 本发明根据现有技术的不足公开了一种自密实砂浆及其深孔帷幕灌注施工方法， 本发明要解决的问题是提供一种适合各种裂隙要求的自密实砂浆组合， 本发明要解决的另
一个问题是提供采用上述自密实砂浆进行深孔帷幕灌注施工的工艺方法。
本发明通过以下技术方案实现 ：
自密实砂浆深孔帷幕灌注施工方法， 其特征是包括以下步骤 ：
a、 施工准备， 包括进行准确的孔位放样 ；
b、 钻孔， 采用超前同心钻孔， 从上到下逐段进行钻孔， 逐段安装灌浆塞进行灌注， 直至孔底， 钻孔孔径≥ φ76mm， 段长 2 ～ 5m ；
c、 钻孔检测， 包括孔斜测量、 压水试验和孔内电视， 每段钻孔完成后对钻孔孔斜进 行测量， 然后对孔段进行压水试验， 收集数据， 压水试验结束后， 待孔内水澄清， 用孔内电视 观察孔内裂隙发育情况， 确定砂浆配合比 ；
d、 灌注， 与钻孔施工交替进行， 每段钻孔完毕， 根据每段钻孔检测结果确定灌注材 料； 钻孔有返水孔， 采用水泥浆灌注， 钻孔无返水孔， 采用自密实砂浆灌注 ；
e、 灌注结束， 每段灌注砂浆至孔口， 停止灌注， 待凝 4 小时后进行扫孔， 并进行灌 后压水， 当压水达到标准， 进行下段施工 ； 当压水达不到检查标准， 继续进行砂浆灌注， 直至 达到结束标准 ；
f、 灌注效果检查， 全孔灌注完成， 待凝 14 天， 通过钻孔取芯、 分段压水试验、 灌后 声波检测和 / 或孔内电视对灌注效果进行检查 ； g、 封孔， 全孔灌注效果检查合格后， 采用全孔水泥浆灌注封孔， 封孔灌注结束后孔 口抹平。
进一步所述 d 步骤中采用自密实砂浆灌注时根据孔内电视判断出孔段裂隙大小 选用相应的自密实砂浆配比及灌注方式， 大裂隙采用渗透性方式灌注， 小裂隙采用控制性 灌浆泵进行挤压控制性灌注。
采用渗透性灌注时， 当孔内注满砂浆， 孔内砂浆面保持 5min 不下降或砂浆下降高 度≤ 1cm/min 即可结束注浆 ； 采用挤压控制性灌注时， 当孔口压力达到设计压力保持 5min 后可结束灌注。
本发明采用的自密实砂浆包括如下重量份数的组分 ：
水： 0.52 ～ 0.94 份 ；
水泥 ： 1份；
粉煤灰 ： 0 ～ 0.55 份 ；
砂： 2.83 ～ 4.89 份 ；
外加剂 ： 0.01 ～ 0.03 份 ；
其中外加剂由下列重量份数的组分组成 ： 三聚氢胺 ： 1份； 聚丙烯酰胺高效不分散 剂： 0.2 ～ 0.6 份 ； UWB-II 型水下不分散剂 ： 0.1 ～ 0.5 份 ； 絮凝剂 ： 0.05 ～ 0.15 份。
更进一步在所述孔位放样后可首先进行关门孔钻孔和灌注， 然后进行中间帷幕孔 钻孔和灌注。
所述孔位放样是关门孔排距 3.0m、 孔距 0.75m ； 中间帷幕孔双排， 排距 1.0m、 孔距 1.5m ； 关门孔与中间帷幕孔错位布置形成梅花形， 关门孔与中间帷幕孔排距 1.0m。
另一种孔位放样是关门孔排距 3.0m、 孔距 0.75m ； 中间帷幕孔单排， 孔距 1.5m ； 关 门孔与中间帷幕孔错位布置形成梅花形， 关门孔与中间帷幕孔排距 1.5m。
更进一步所述从上到下逐段进行钻孔， 可采用第一段段长为 2m， 第二段段长为
3m， 第三段以后各段长为 5m 的段长进行。
更进一步所述钻孔检测是根据压水试验和孔内电视将钻孔分为 ： a、 地下水位以上 段， b、 地下水位以下段， c、 小裂隙段 ： 1mm ≤裂隙宽度＜ 2mm， d、 普通裂隙段 ： 2mm ≤裂隙宽 度＜ 10mm， e、 大裂隙段 ： 10mm ≤裂隙宽度。所述 a、 b、 c、 d 或 e 各类型孔段分别对应使用自 密实砂浆 1、 2、 3、 4 或 5 号。如表 1 所示 ：
表 1 适应于不同裂隙的砂浆重量比
本发明首创上述自密实砂浆及其深孔帷幕灌注施工方法。通过检测不同地质条 件， 提供不同组合的自密实砂浆和施工方法实现灌注施工。本发明具有如下优点 ：
(1) 自密实砂浆综合成本较常规砂浆大幅降低， 降低率可达 15-30％。
(2) 无需振捣工序， 砂浆自己能填充满破碎带的空隙， 600mm 的扩散度还不离析， 不泌水， 现场施工管理措施简单有效， 控制标准固定， 可操作性强， 减少人为干预， 施工质量 和稳定性更容易保证。
(3) 施工工艺简单， 能显著提高砂浆的施工效率， 有效缩短工期， 创造经济效益。
(4) 自密实砂浆水泥含量低， 水化温度升小， 可大大简化， 甚至取消温控措施。
(5) 自密实砂浆水泥用量大幅减少， 属于环境友好工程， 节能减排效益明显。
附图说明
图 1 是孔位放样一种布置示意图 ； 图 2 是孔位放样另一种布置示意图。 图中， 1 是关门孔， 1a 是关门孔排轴线， 2 是中间帷幕孔， 2a 是中间帷幕孔排轴线。具体实施方式 下面结合具体实施方式对本发明进一步说明， 具体实施方式是对本发明原理的进 一步说明， 不以任何方式限制本发明， 与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的 范围。
实施例 1
自密实砂浆制备 ： 根据不同自密实砂浆配比要求制备， 自密实砂浆生产过程包括 ： (1) 生产前应做的准备 ： ①选定好自密实砂浆配合比， 并进行相应的原料准备 ； ②自密实砂 浆生产前应对原材料进行检测， 了解砂的含水率和细度模数。③确保运输罐车中的水已经 排尽， 在运输中要注意进行搅拌。(2) 生产过程中注意事项 ： ①自密实砂浆的搅拌顺序为 ： 将称量好的砂和膠凝材料分别投入搅拌机干拌， 搅拌机干拌时间不低于 10 秒， 在加入水和 外加剂后继续搅拌 60 秒以上， 气温低于 15℃时搅拌时间应不低于 120 秒， 自密实砂浆工作
性能达到要求之后出机。②在生产过程中需要补加水时， 单次补加水的幅度最大值不超过 5kg。 ③如果出现因为水量加入过多， 砂浆状态达不到出机要求， 可以适量的加一些水泥， 单 次补加水泥最大值不超过 20kg. ④定期对生产用砂进行抽检， 根据要求细度模数变化应不 超过 0.2。
外加剂制备 ； 按所述外加剂各组份比例依次加入三聚氢胺、 聚丙烯酰胺高效不分 散剂、 UWB-II 型水下不分散剂和絮凝剂 ； 在容器内人工或拌制器进行搅拌均匀即可 ； 外加 剂在自密实砂浆制备过程中可先按总量的 80％添加后， 在搅拌过程中将余下部分分两次加 入。
制备好自密实砂浆后检测， 并与水泥浆和普通砂浆检测结果对比， 检测结果见表 2。
表 2 水泥浆、 普通砂浆及自密实砂浆性能指标对比
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
性能参数 初凝时间 (min) 终凝时间 (min) 3 天抗压强度 (MPa) 7 天抗压强度 (MPa) 28 天抗压强度 (MPa) 密度 (g/cm3) 黏度 (s) 析水率 (％ ) 扩散度 (cm) 是否亲水性能 水泥浆 121 180 25.1 28.3 28.3 1.83 51.2 2.3 ≤ 600 亲水性 普通砂浆 210 270 1.96 5.69 32.7 2.35 VF ＝ 1060 3 ≤ 150 亲水性 自密实砂浆 240 460 2.1 5.6 35.5 1.941.97 VF ＝ 540 / ≤ 600 非亲水性表2中： 可以得出自密实砂浆性具有以下优点。
(1) 自密实砂浆的初凝时间、 终凝时间比水泥浆和普通砂浆的凝结时间长， 这样可 以为自密实砂浆灌注过程增加可控的调整时间， 以便于浆液充分扩散。
(2) 自密实砂浆 28 天的抗压强度比水泥浆、 砂浆 28 天的抗压强度相应较大， 能更 好保证抗渗系统不被击穿， 出现薄弱点。
(3) 自密实砂浆的扩散度较大， 能够使浆材在地层的裂隙中得到充分扩散。
(4) 自密实砂浆具有非亲水性， 在水下的灌注时灌浆材料性能及配比不易被破坏 质量能够得到保证。
实施例 2按以下步骤进行自密实砂浆深孔帷幕灌浆施工 ：
a、 施工准备 ： 包括施工排架搭设、 风水电系统布置、 排污系统布置、 灌浆管路的布 置等内容。包括根据帷幕灌浆孔位参数进行准确的孔位放样 ； 孔位放样可以有两种布置方 式， 如图 2 所示， 一是关门孔排距 3.0m、 孔距 0.75m ； 中间帷幕孔双排， 排距 1.0m、 孔距 1.5m ； 关门孔与中间帷幕孔错位布置形成梅花形， 关门孔与中间帷幕孔排距 1.0m ； 如图 1 所示， 另 一布置是关门孔排距 3.0m、 孔距 0.75m ； 中间帷幕孔单排， 孔距 1.5m ； 关门孔与中间帷幕孔 错位布置形成梅花形， 关门孔与中间帷幕孔排距 1.5m。
b、 钻孔施工 ： 采用超前同心钻孔， 自上而下分段钻孔， 钻孔孔径≥ φ76mm ； 超前同 心钻孔是在灌浆前， 为便于提前了解地质条件， 采用 XY-2 型地质钻机进行同心回转钻孔， 以便根据钻孔情况、 压水情况、 孔内电视等情况超前判断孔内裂隙情况， 以指导下一工序施 工。从上到下逐段进行钻孔， 可采用第一段段长为 2m， 第二段段长为 3m， 第三段以后各段长 为 5m 的段长进行。
c、 孔斜测量及压水试验 ： 钻孔完成后对钻孔孔斜进行测量， 然后对孔段进行压水 试验， 收集数据 ；
孔斜测量是了解孔斜情况， 便于及时纠正。在帷幕的钻孔过程中， 通过测斜， 随时 了解钻孔偏斜的情况。如果钻孔偏斜超过了允许范围， 分析其偏斜原因， 采取相应的措施， 及时纠正， 便以后的钻孔能依照设计的钻孔方向钻进， 以保证钻孔最终偏斜率不超出允许 值范围。 压水试验 ： 通过压水试验， 可知此地层的压水段的吕容值大小， 压水流量的大小， 这样可以初步判断地层的裂隙宽度等， 及下一工序的灌浆的水灰比、 水泥浆即自密实砂浆 用量等。
d、 孔内电视 ： 压水试验结束后， 待孔内的水澄清， 用孔内电视观察孔内裂隙发育情 况， 观察裂隙发育情况， 确定砂浆配合比 ； 孔内电视测试段需要压水、 灌浆， 在测试过程中可 以直观看到需压水、 灌浆段的岩层情况及初判裂隙宽度， 然后通过专业分析软件准确得出 本灌段的裂隙大小情况， 然后根据裂隙宽度选择适宜的水泥浆液配比及砂浆配比， 指导下 一工序施工。这样有利于根据裂隙宽度选择适宜的水泥浆液配比及自密实砂浆配比。
e、 灌浆准备 ： 根据 c 步骤和 d 步骤结果进行砂浆拌制、 运输和孔口灌前准备 ； 根 据压水试验和孔内电视将钻孔分为 ： 1、 地下水位以上段， 2、 地下水位以下段， 3、 小裂隙段 ： 1mm ≤裂隙宽度＜ 2mm， 4、 普通裂隙段 ： 2mm ≤裂隙宽度＜ 10mm， 5、 大裂隙段 ： 10mm ≤裂隙宽 度。所述 1、 2、 3、 4 和 5 各类型孔段分别对应使用自密实砂浆 1、 2、 3、 4 或 5 号。如上表 1 所 示。
f、 灌浆 ： 钻孔有返水孔， 采用水泥灌浆， 钻孔无返水孔， 采用自密实砂浆灌浆 ； 采 用自密实砂浆灌浆时根据孔内电视判断出孔段裂隙大小选用相应的砂浆配比及灌浆方式， 大裂隙采用渗透性方式灌注， 小裂隙采用控制性灌浆泵进行挤压控制性灌浆 ；
g、 灌浆结束 ： 采用渗透性灌注时， 当孔内注满砂浆时， 孔内砂浆面保持 5min 不下 降或孔内的砂浆下降高度≤ 1cm/min 即可结束注浆 ； 采用挤压控制性灌浆时， 当孔口压力 达到设计压力保持 5min 后可结束灌浆 ；
当砂浆灌至孔口时， 停止灌浆， 并且用水冲洗上部孔口至孔深 2m 位置， 灌浆结束 ； 待凝 4 小时后进行扫孔， 扫孔后进行压水试验， 当压水试验达到库区死水位以下透水率不
大于 3Lu， 死水位以上不大于 5Lu 为标准， 透水率计算方法 ： q ＝ Q/(L*P)， q 表示透水率 (Lu)， Q 表示压水流量 (L/min)， L 表示压水段长 (m)， P 压水压力 (MPa)， 并且进行灌后压水， 当压水达到检查标准， 进行下段施工 ； 当压水达不到检查标准， 继续进行砂浆灌注， 直至达 到结束标准 ； 灌浆结束后， 进行检查， 其检查标准为 ： 帷幕检查孔的数量为帷幕灌浆孔数量 的 10％， 库区死水位以下透水率不大于 3Lu， 死水位以上透水率不大于 5Lu 为合格。砼与基 岩接触段压水合格率达到 100％， 压水总段数的合格率应达 90％以上， 其余不足 10％灌浆 段的透水率不大于 8Lu， 且不集中即可认为合格， 否则应由监理、 设计、 施工商量处理方案。
h、 灌浆效果检查封孔 ： 全孔砂浆灌注完成， 待凝 14 天， 采用通过钻孔取芯、 分段压 水试验、 灌后声波检测和 / 或孔内电视对灌浆效果进行检查 ； 全孔灌浆结束后， 采用全孔水 泥浆灌注封孔， 封孔灌注结束后孔口抹平。
采用上述自密实砂浆及其深孔帷幕灌浆施工方法在某水电站基础处理工程施工， 该工程属于高寒地带 ( 海拨 3100 多米， 极端最低气温 -15.6℃， 最大风速 20.7m/s)。工程 帷幕灌浆施工灌浆防渗轴线长约 1050m， 工程量约 25 万米， 最大孔深 145m， 平均孔深 50m 以 下存在地下水， 该地层属于张拉型裂隙岩层， 其地质条件用于大坝基础帷幕防渗在国内外 属首次探索。前期拟通过纯水泥浆液、 砂浆及控制性浆液等灌浆施工达到设计要求的帷幕 防渗标准 ( ≤ 3Lu)， 但水泥单耗量大、 投资较高、 工期较长、 防渗效果不理想， 为节约投资， 缩短施工工期， 我们在此地层中采用本发明的帷幕防渗机理、 自密实砂浆配合比及施工工 艺取得很好效果， 达到设计要求的帷幕防渗标准 ： 透水率≤ 3Lu。下面是某水电站基础处理 工程部分帷幕灌浆孔数据 ：
1、 灌前吕容值统计 根据前期试验结果， 试验区的砂浆与水泥浆灌前吕容值统计见下表 3。 表3
2、 砂浆、 水泥浆灌注效果统计 试验区自密实砂浆与水泥浆灌注效果统计见下表 4。 表4
3、 自密实砂浆灌注后检查孔结果见下表 5 表5
通过上表 3、 表 4、 表 5， 可以得出 ：
(1) 上表 3 中， 在自密实砂浆灌注前， 方案一共灌注 79 段次， 方案二共灌注 111 段 次， 灌前压水的结果都是∝， 说明岩层破碎、 裂隙发育 ； 当自密实砂浆灌注后， 在纯水泥浆灌 注前， 我们又采用了纯水泥浆灌前压水 ( 自密实砂浆灌后压水 )， 可以得出， 方案一、 方案二 的透水率最大区间由∝变为了 10 ～ 100Lu 区间， 由此可知自密实砂浆对岩层中的裂隙进行 了有效填充， 地质情况得到了较大改善。
(2) 通过上表 4 中， 我们可以看出自密实砂浆可灌性好， 砂浆单耗平均为 148L/m ； 当自密实砂浆灌注后， 再采用水泥浆灌注的平均单耗较低 ( 为 318kg/m)， 由此可以说明， 先 灌注自密实砂浆后， 再采用纯水泥浆灌注的施工方法能够降低水泥单耗。
(3) 通过上表 5 中可知， 检查结果的透水率完全满足设计要求， 即方案一、 方案二 按照自密实砂浆灌注， 后采用水泥浆灌注的施工方法完成帷幕灌浆施工后， 其压水检查结 果满足设计要求。 另外， 检查孔的透水率区间为 0.5Lu ～ 6.8Lu， 综合平均吕荣值为 3.26Lu， 满足设计防渗标准。