发明内容
本发明提供一种深水下岩塞截锥壳体防渗闭气灌浆法,以解决目前灌浆后岩塞体内仍然会有漏灌的渗水通道的问题。
深水下岩塞截锥壳体防渗闭气灌浆法的指导思想是以一组同轴截锥面及其截得的同心圆确定灌浆钻孔位置和间距、钻孔方向、钻孔深度,使得岩塞周围及其上下口的岩体中,通过灌注以水泥为基材的复合浆液,充填岩体节理裂隙和孔洞,复合浆液固结后,在灌注的岩体中形成连续封闭的形似截锥形壳体的防渗体。
本发明采取的技术方案是包括如下步骤:
一、钻孔布置设计
a)在岩塞1轴线向洞内方向的延长线上找到一点P,使该点距岩塞下口3的距离L满足下式:
![]()
式中:
—岩塞下口直径,单位m;
—岩塞上口直径,单位m;
—岩塞厚度系数,一般取1.1~1.4;
b)以岩塞体轴线为轴,以P点为圆锥顶点,各同轴圆锥面与岩塞下口平面和岩塞上口平面截成下口截锥同心圆和上口截锥同心圆;
c)使岩塞下口次外层截圆半径大于岩塞下口圆半径0.2m~0.5m,从而保证岩塞体外有两环灌浆孔;
d)使岩塞上口相邻截圆之间半径之差d为2.0m~2.5m,即同心圆半径从大到小依次以2.0m~2.5m间距递减,直至最小圆半径为0.8m~1.0m;
e)在岩塞上口各截圆圆环上布置钻孔点,同一圆环相邻钻孔点间距2.0m~2.5m;
f)每一钻孔点与圆锥顶点连线即为钻孔方向,连线与岩塞下口平面交点即为钻孔开孔位置;
g)对岩塞下口的同心圆按其直径从大到小进行编号,即从最外层圆开始,依次编号为K1、K2、K3…… Kn,使K1和K2处在岩塞体的外侧;
h)对同一圆环上的钻孔进行编号,编号从上部钻孔点开始,顺时针依次为1、2、3……m,这样每个钻孔均有独立的设计编号,规定单号为Ⅰ序灌浆孔,双号为Ⅱ序灌浆孔,反之亦然;
二、钻孔
a)钻孔前清除岩塞下口表面起伏不平的岩石、岩粉和灰尘,使岩塞下口表面平整,便于钻孔点做标记;
b)采用测量仪器按照钻孔设计布置点位进行放样,并用红蓝油漆对同一圆环相邻钻孔点位交替标注,以区分钻孔灌浆顺序,红色为Ⅰ序灌浆孔,蓝色为Ⅱ序灌浆孔;
c)采用潜孔钻机或其它钻机钻孔,钻孔深度是孔底距岩塞上口0.8m~1.0m,钻孔直径50mm~60mm;
d)从最外圆K1开始,先钻Ⅰ序灌浆孔;待K1中的Ⅰ序灌浆孔灌浆结束后,依次进行K2、K3…… Kn圆的Ⅰ序灌浆孔钻孔和灌浆;
e)按照步骤d)进行各圆的Ⅱ序灌浆孔钻孔和灌浆;
三、灌浆
a)灌浆材料由下列重量百分比的原料组成:
(1) 水泥:42.5MPa级普通硅酸盐水泥;
(2) 水:清净的河水,pH值=7,水占全部干物质的比例:水灰比0.32~0.45;
(3)微膨胀剂UEA:掺量为水泥用量的5%~8%;
(4)高效减水剂U:掺量为水泥用量的0.70%~1.0%;
(5)硅粉:SiO2≥90%,掺量为水泥用量的5%~8%;
b)按上述掺量配制的浆液搅拌好后,及时灌注;
c)在灌浆前采用高压风水对钻孔进行冲洗,裂隙冲洗应采用压力水冲洗,直到回水清净时止;
d)灌浆从外圆K1开始向内圆Kn逐环进行,其顺序同钻孔施工顺序;
e)外圆K1、K2孔为岩塞体侧面防渗封闭灌浆孔;每孔灌浆自孔底段、中间段、孔口段分段进行,孔底段和孔口段长度各2m,其余为中间段长度;
f)K1、K2圆各孔孔底和孔口2m范围内灌浆压力为0.2MPa+P,中间部位Ⅰ序孔0.5MPa+P、Ⅱ序孔0.6MPa+P;P为岩塞上口中心承受的库水位静水压力;
g)K1、K2环各孔灌浆结束后,由外环向内环进行K3至Kn圆各孔灌浆;
h)K3至Kn孔为岩塞体近水面防渗封闭灌浆孔和下底面闭气灌浆孔,孔底和孔口各2m范围内,Ⅰ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.2MPa+P,Ⅱ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.3MPa+P;
i)通过上述灌浆方法,由外环K1、K2环灌浆后形成岩塞体侧面环形防渗体,由K3至Kn环灌浆后形成岩塞体上底面防渗体和下底面闭气体,三部分灌浆体组成了形似截锥的壳体防渗闭气体。
本发明专利优点:本专利灌浆方法目的明确,针对性强,灌浆效果显著,工艺流程清晰明了,实施简单,具有一般灌浆技术能力的专业队伍均可施工。采用本专利灌浆方法,一次完成灌浆施工,不会在药室开挖过程中进行复灌。灌浆从外圆向内圆逐孔逐环进行,灌浆顺序一环套一环,一孔叠一孔,环与环之间,孔与孔之间的裂隙被浆液有效充填,使岩塞侧面和上下底面灌浆后形成了封闭的防渗壳体,对于岩塞药室不仅能够起到防渗效果,也阻断了爆炸气体溢出通道,在岩塞药室开挖和爆破时能够达到防渗、闭气目的,提高岩塞爆破效果。同时,对于改善岩体质量,改善药室工作环境,确保药室作业人员安全可靠具有明显优势。本项专利技术填补了深水下岩塞防渗灌浆无漏水的空白,是水下岩塞爆破岩塞体灌浆技术新突破。对于岩塞体灌浆设计、施工具有实际应用意义。
具体实施方式
实施例1
包括如下步骤:
一、钻孔布置设计
a)在岩塞1轴线向洞内方向的延长线上找到一点P,如图1a所示,使该点距岩塞下口3的距离L满足下式:
![]()
式中:
—岩塞下口直径,单位m;
—岩塞上口直径,单位m;
—岩塞厚度系数,一般取1.1;
b)以岩塞体轴线为轴,以P点为圆锥顶点,各同轴圆锥面4与岩塞下口3平面和岩塞上口2平面截成下口截锥同心圆6和上口截锥同心圆5,图1b和图1c所示;
c)使岩塞下口次外层截圆半径大于岩塞下口圆半径0.2m,从而保证岩塞体外有两环灌浆孔;
d)使岩塞上口相邻截圆之间半径之差d为2.0m,即同心圆半径从大到小依次以2.0m间距递减,直至最小圆半径为0.8m;
e)在岩塞上口各截圆圆环上布置钻孔点,同一圆环相邻钻孔点间距2.0m;
f)每一钻孔点与圆锥顶点连线即为钻孔方向,连线与岩塞下口平面交点即为钻孔开孔位置;
g)对岩塞下口的同心圆按其直径从大到小进行编号,即从最外层圆开始,依次编号为K1、K2、K3…… Kn,使K1和K2处在岩塞体的外侧;
h)对同一圆环上的钻孔进行编号,编号从上部钻孔点开始,顺时针依次为1、2、3……m,这样每个钻孔均有独立的设计编号,如:第3个圆环上第4个钻孔,编号为:K3-4,规定单号为Ⅰ序灌浆孔7,双号为Ⅱ序灌浆孔8,反之亦然;
二、钻孔
a)钻孔前清除岩塞下口表面起伏不平的岩石、岩粉和灰尘,使岩塞下口表面平整,便于钻孔点做标记;
b)采用测量仪器按照钻孔设计布置点位进行放样,并用红蓝油漆对同一圆环相邻钻孔点位交替标注,以区分钻孔灌浆顺序,红色为Ⅰ序灌浆孔7,蓝色为Ⅱ序灌浆孔8;
c)采用潜孔钻机或其它钻机钻孔,钻孔深度是孔底距岩塞上口0.8m,钻孔直径50mm;
d)从最外圆K1开始,先钻Ⅰ序灌浆孔;待K1中的Ⅰ序灌浆孔灌浆结束后,依次进行K2、K3…… Kn圆的Ⅰ序灌浆孔钻孔和灌浆;
e)按照步骤d)进行各圆的Ⅱ序灌浆孔钻孔和灌浆;
三、灌浆
a)灌浆材料由下列重量百分比的原料组成:
(6) 水泥:42.5MPa级普通硅酸盐水泥;
(7)水:清净的河水,pH值=7,水占全部干物质的比例:水灰比0.32;
(8)微膨胀剂UEA:掺量为水泥用量的5%;
(9) 高效减水剂U:掺量为水泥用量的0.70%;
(10)硅粉:SiO2≥90%,掺量为水泥用量的5%;
b)按上述掺量配制的浆液搅拌好后,及时灌注;
c)在灌浆前采用高压风水对钻孔进行冲洗,裂隙冲洗应采用压力水冲洗,直到回水清净时止;
d)灌浆从外圆K1开始向内圆Kn逐环进行,其顺序同钻孔施工顺序;
e)外圆K1、K2孔为岩塞体侧面防渗封闭灌浆孔;每孔灌浆自孔底段、中间段、孔口段分段进行,孔底段和孔口段长度各2m,其余为中间段长度;
f)K1、K2圆各孔孔底和孔口2m范围内灌浆压力为0.2MPa+P,中间部位Ⅰ序孔0.5MPa+P、Ⅱ序孔0.6MPa+P;P为岩塞上口中心承受的库水位静水压力;
g)K1、K2环各孔灌浆结束后,由外环向内环进行K3至Kn圆各孔灌浆;
h)K3至Kn孔为岩塞体近水面防渗封闭灌浆孔和下底面闭气灌浆孔,孔底和孔口各2m范围内,Ⅰ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.2MPa+P,Ⅱ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.3MPa+P;
i)通过上述灌浆方法,由外环K1、K2环灌浆后形成岩塞体侧面环形防渗体10,由K3至Kn环灌浆后形成岩塞体上底面防渗体9和下底面闭气体11,三部分灌浆体组成了形似截锥的壳体防渗闭气体,如图3a~图3d所示。
实施例2
包括如下步骤:
一、钻孔布置设计
a)在岩塞1轴线向洞内方向的延长线上找到一点P,如图1a所示,使该点距岩塞下口3的距离L满足下式:
![]()
式中:
—岩塞下口直径,单位m;
—岩塞上口直径,单位m;
—岩塞厚度系数,一般取1.2;
b)以岩塞体轴线为轴,以P点为圆锥顶点,各同轴圆锥面4与岩塞下口3平面和岩塞上口2平面截成下口截锥同心圆6和上口截锥同心圆5,图1b和图1c所示;
c)使岩塞下口次外层截圆半径大于岩塞下口圆半径0.3m,从而保证岩塞体外有两环灌浆孔;
d)使岩塞上口相邻截圆之间半径之差d为2.2m,即同心圆半径从大到小依次以2.2m间距递减,直至最小圆半径为0.9m;
e)在岩塞上口各截圆圆环上布置钻孔点,同一圆环相邻钻孔点间距2.2m;
f)每一钻孔点与圆锥顶点连线即为钻孔方向,连线与岩塞下口平面交点即为钻孔开孔位置;
g)对岩塞下口的同心圆按其直径从大到小进行编号,即从最外层圆开始,依次编号为K1、K2、K3…… Kn,使K1和K2处在岩塞体的外侧;
h)对同一圆环上的钻孔进行编号,编号从上部钻孔点开始,顺时针依次为1、2、3……m,这样每个钻孔均有独立的设计编号,如:第3个圆环上第4个钻孔,编号为:K3-4,规定单号为Ⅰ序灌浆孔7,双号为Ⅱ序灌浆孔8,反之亦然;
二、钻孔
a)钻孔前清除岩塞下口表面起伏不平的岩石、岩粉和灰尘,使岩塞下口表面平整,便于钻孔点做标记;
b)采用测量仪器按照钻孔设计布置点位进行放样,并用红蓝油漆对同一圆环相邻钻孔点位交替标注,以区分钻孔灌浆顺序,红色为Ⅰ序灌浆孔7,蓝色为Ⅱ序灌浆孔8;
c)采用潜孔钻机或其它钻机钻孔,钻孔深度是孔底距岩塞上口0.9m,钻孔直径55mm;
d)从最外圆K1开始,先钻Ⅰ序灌浆孔;待K1中的Ⅰ序灌浆孔灌浆结束后,依次进行K2、K3…… Kn圆的Ⅰ序灌浆孔钻孔和灌浆;
e)按照步骤d)进行各圆的Ⅱ序灌浆孔钻孔和灌浆;
三、灌浆
a)灌浆材料由下列重量百分比的原料组成:
(11) 水泥:42.5MPa级普通硅酸盐水泥;
(12) 水:清净的河水,pH值=7,水占全部干物质的比例:水灰比0.38;
(13) 微膨胀剂UEA:掺量为水泥用量的7%;
(14) 高效减水剂U:掺量为水泥用量的0.8%;
(15) 硅粉:SiO2≥90%,掺量为水泥用量的7%;
b)按上述掺量配制的浆液搅拌好后,及时灌注;
c)在灌浆前采用高压风水对钻孔进行冲洗,裂隙冲洗应采用压力水冲洗,直到回水清净时止;
d)灌浆从外圆K1开始向内圆Kn逐环进行,其顺序同钻孔施工顺序;
e)外圆K1、K2孔为岩塞体侧面防渗封闭灌浆孔;每孔灌浆自孔底段、中间段、孔口段分段进行,孔底段和孔口段长度各2m,其余为中间段长度;
f)K1、K2圆各孔孔底和孔口2m范围内灌浆压力为0.2MPa+P,中间部位Ⅰ序孔0.5MPa+P、Ⅱ序孔0.6MPa+P;P为岩塞上口中心承受的库水位静水压力;
g)K1、K2环各孔灌浆结束后,由外环向内环进行K3至Kn圆各孔灌浆;
h)K3至Kn孔为岩塞体近水面防渗封闭灌浆孔和下底面闭气灌浆孔,孔底和孔口各2m范围内,Ⅰ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.2MPa+P,Ⅱ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.3MPa+P;
i)通过上述灌浆方法,由外环K1、K2环灌浆后形成岩塞体侧面环形防渗体10,由K3至Kn环灌浆后形成岩塞体上底面防渗体9和下底面闭气体11,三部分灌浆体组成了形似截锥的壳体防渗闭气体如图3a~图3d所示。
实施例3
包括如下步骤:
一、钻孔布置设计
a)在岩塞1轴线向洞内方向的延长线上找到一点P,如图1a所示,使该点距岩塞下口3的距离L满足下式:
![]()
式中:
—岩塞下口直径,单位m;
—岩塞上口直径,单位m;
—岩塞厚度系数,一般取1.4;
b)以岩塞体轴线为轴,以P点为圆锥顶点,各同轴圆锥面4与岩塞下口3平面和岩塞上口2平面截成下口截锥同心圆6和上口截锥同心圆5,图1b和图1c所示;
c)使岩塞下口次外层截圆半径大于岩塞下口圆半径0.5m,从而保证岩塞体外有两环灌浆孔;
d)使岩塞上口相邻截圆之间半径之差d为2.5m,即同心圆半径从大到小依次以2.5m间距递减,直至最小圆半径为1.0m;
e)在岩塞上口各截圆圆环上布置钻孔点,同一圆环相邻钻孔点间距2.5m;
f)每一钻孔点与圆锥顶点连线即为钻孔方向,连线与岩塞下口平面交点即为钻孔开孔位置;
g)对岩塞下口的同心圆按其直径从大到小进行编号,即从最外层圆开始,依次编号为K1、K2、K3…… Kn,使K1和K2处在岩塞体的外侧;
h)对同一圆环上的钻孔进行编号,编号从上部钻孔点开始,顺时针依次为1、2、3……m,这样每个钻孔均有独立的设计编号,如:第3个圆环上第4个钻孔,编号为:K3-4,规定单号为Ⅰ序灌浆孔7,双号为Ⅱ序灌浆孔8,反之亦然;
二、钻孔
a)钻孔前清除岩塞下口表面起伏不平的岩石、岩粉和灰尘,使岩塞下口表面平整,便于钻孔点做标记;
b)采用测量仪器按照钻孔设计布置点位进行放样,并用红蓝油漆对同一圆环相邻钻孔点位交替标注,以区分钻孔灌浆顺序,红色为Ⅰ序灌浆孔7,蓝色为Ⅱ序灌浆孔8;
c)采用潜孔钻机或其它钻机钻孔,钻孔深度是孔底距岩塞上口1.0m,钻孔直径60mm;
d)从最外圆K1开始,先钻Ⅰ序灌浆孔;待K1中的Ⅰ序灌浆孔灌浆结束后,依次进行K2、K3…… Kn圆的Ⅰ序灌浆孔钻孔和灌浆;
e)按照步骤d)进行各圆的Ⅱ序灌浆孔钻孔和灌浆;
三、灌浆
a)灌浆材料由下列重量百分比的原料组成:
(16)水泥:42.5MPa级普通硅酸盐水泥;
(17)水:清净的河水,pH值=7,水占全部干物质的比例:水灰比0.45;
(18)微膨胀剂UEA:掺量为水泥用量的8%;
(19)高效减水剂U:掺量为水泥用量的1.0%;
(20)硅粉:SiO2≥90%,掺量为水泥用量的8%;
b)按上述掺量配制的浆液搅拌好后,及时灌注;
c)在灌浆前采用高压风水对钻孔进行冲洗,裂隙冲洗应采用压力水冲洗,直到回水清净时止;
d)灌浆从外圆K1开始向内圆Kn逐环进行,其顺序同钻孔施工顺序;
e)外圆K1、K2孔为岩塞体侧面防渗封闭灌浆孔;每孔灌浆自孔底段、中间段、孔口段分段进行,孔底段和孔口段长度各2m,其余为中间段长度;
f)K1、K2圆各孔孔底和孔口2m范围内灌浆压力为0.2MPa+P,中间部位Ⅰ序孔0.5MPa+P、Ⅱ序孔0.6MPa+P;P为岩塞上口中心承受的库水位静水压力;
g)K1、K2环各孔灌浆结束后,由外环向内环进行K3至Kn圆各孔灌浆;
h)K3至Kn孔为岩塞体近水面防渗封闭灌浆孔和下底面闭气灌浆孔,孔底和孔口各2m范围内,Ⅰ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.2MPa+P,Ⅱ序孔灌浆压力由P逐级增加到0.3MPa+P;
i)通过上述灌浆方法,由外环K1、K2环灌浆后形成岩塞体侧面环形防渗体10,由K3至Kn环灌浆后形成岩塞体上底面防渗体9和下底面闭气体11,三部分灌浆体组成了形似截锥的壳体防渗闭气体如图3a~图3d所示。
工程实例
a)概况
本专利在刘家峡1:2模型试验洞岩塞防渗灌浆中得到成功的应用。模型试验洞岩塞处于50m水深以下,进口段围岩为石英云母片岩和云母石英片岩,岩体完整性较好,呈弱风化状态,节理不发育,片理结晶程度较高,透水裂隙主要为以下几组:(1)NE60°,倾向SE,倾角60°;(2)NW317°,倾向SW,倾角65°;(3)片理走向NE15°,倾向NW,倾角28°。裂隙均以滴水为主。设计岩塞上口直径为12.63m,下口直径为7m,厚度9.80m。
b)灌浆设备
(1) 测量仪器:经纬仪和水准仪,用于钻孔点放样,钻孔倾斜角度,钻孔方位角的测量和钻孔过程中的精度控制。
(2)钻孔设备:100B潜孔钻机,用于灌浆孔钻孔,钻孔直径为60mm。
(3)灌浆设备:泥浆搅拌机,灌浆机等,用于制浆和灌注浆液。
(4)声波仪:岩石声波仪,用于灌浆效果检测。
(5)压水试验设备:压力表,流量表,高压泵,止水塞等,用于灌浆效果检查。
c)灌浆材料
(1) 水泥(C):42.5MPa级普通硅酸盐水泥,为祁连山水泥厂出品。
(2)水(W):清净的河水,PH值=7,水灰比0.32~0.45;
(3)微膨胀剂(UEA):掺量为水泥用量的8%,具有微膨胀作用的特性。吉林省建筑材料设计研究院研制生产;
(4)高效减水剂(U):掺量为水泥用量的0.75%,具有提高早期强度,减水效果显著的特性。吉林省建筑材料设计研究院研制生产;
(5)硅粉(Si):SiO2≥90%,掺量为水泥用量的5%;
d)钻孔布置
灌浆范围是以岩塞口轴线为轴线的圆锥体。圆锥顶点(O点)距离B点为9.75m,共设5圈灌浆孔,第一圈钻孔与轴线夹角为27°,第二圈钻孔与轴线夹角为22°,第三圈钻孔与轴线夹角为17°,第四圈钻孔与轴线夹角为11°,第五圈钻孔与轴线夹角为5°,轴线上中心孔B。钻孔和灌浆从1—1断面处开始,钻孔深度按孔底距离库区侧岩面线1m控制。
e)钻孔
本工程共布置5环加中心孔77个钻孔,共有11个孔漏水,其中K1环5个孔漏水,即K15、K111、K113、K117、K121;K2环5个孔漏水,即K22、K23、K24、K213、K214;K3环1个孔漏水,即K13。
f)灌浆
考虑库水位静水压力通过裂隙对灌浆的影响,K1、K2环各孔孔底和孔口2m范围内灌浆压力为0.7MPa,中间部位Ⅰ序孔1.0MPa、Ⅱ序孔1.1MPa。K3、K4、K5环和中心孔B各孔孔底和孔口2m范围内灌浆压力,Ⅰ序孔由0.5MPa逐级增加到0.7MPa,Ⅱ序孔由0.5MPa逐级增加到0.8MPa。
灌浆总长度733.3m,耗水泥92.16t,平均每米消耗水泥125.68kg。其中K1、K2环耗水泥量较大,46个钻孔耗水泥量大于100kg/m有26个。K3、K4、K5环和中心孔31个钻孔耗水泥量大于100kg/m有12个。
g)灌浆效果检查
(1) 压水试验
灌浆前和灌浆后各进行了3个孔的分段压水试验。灌浆前3个孔的单段最大透水率分别为10.00Lu、13.30Lu、15.00Lu,灌浆后3个孔单段最大透水率分别为1.20Lu、2.20Lu、3.5Lu。从压水试验结果看,灌浆效果十分明显,灌浆后岩体呈弱透水性,这在具有一定水压临近水域的岩体边坡做到这一点是较困难的。
(2)声波检测
灌浆后进行了3个孔的声波测试。采用一发双收单孔测试方法,测点间隔20cm。测试结果为:第1个孔弹性波速在3000m/s~4100m/s,平均在3660m/s;第2个孔弹性波速在3000m/s~4000m/s,平均在3431m/s;第3个孔弹性波速在3000m/s~4000m/s,平均在3550m/s。声波检测结果说明,灌浆效果良好。
(3)药室开挖后情况
药室开挖后无渗水,药室较干燥。
工程实例2
岩塞岩性主要以云母石英片岩为主,局部有花岗岩脉透镜体,岩体中断层发育较少且规模不大,多为层间断层;裂隙以层面裂隙为主。强风化岩石岩体完整性差,裂隙切割块体呈小~碎块状;弱风化岩石岩体完整性较好,裂隙切割块体呈中等块状;微风化~新鲜岩石岩体完整性好,裂隙切割块体呈块状。
为简单说明问题起见,略去中间试验过程步骤,本例只介绍灌浆前后的声波检验结果。灌浆前随机取6个灌浆孔进行声波测试,每孔平均弹性波速为2639m/s、2613m/s、3107m/s、2641m/s、3144m/s、2736m/s,其中6个孔均有弹性波速低于2000m/s的测试段。灌浆后在不同部位钻了5个声波测试孔进行声波测试,每孔平均弹性波速为3420m/s、3413m/s、3236m/s、3332m/s、3640m/s,其中5个孔没有弹性波速低于2000m/s的测试段。通过灌浆前后的声波测试结果对比,灌浆后声速有显著的提高。由此说明本专利对于岩塞灌浆不失为有效的方法。