CN107227744B - 一种突水断层带堵漏的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种突水断层带堵漏的施工方法，包括如下步骤：步骤1、对突水断层通道进行初步封堵；步骤2、向突水断层通道灌注膨胀材料；步骤3、根据突水断层通道内流出的粗砂量及粗砂的粒径进行判断；步骤4、固结灌浆；步骤4.1、速凝剂备料；步骤4.2、水泥浆备料；步骤4.3、灌注水灰比为1：1水泥浆，将速凝剂倒入水灰比为1：1的水泥浆中；步骤4.4、灌注水灰比分别为0.8：1的浆液进行灌注；步骤4.5、灌注水灰比分别为0.6：1的浆液进行灌注。本发明所述的突水断层带堵漏的施工方法将传统的“一次灌注”法转变为“多次分级灌注法”，既解决特殊地层的堵漏，又降低工程成本。

Description

一种突水断层带堵漏的施工方法

技术领域

本发明涉及突水断层带堵漏技术领域，具体涉及一种突水断层带堵漏的施工方法。

背景技术

岩石和土体开挖过程中，破坏了原有的地层结构，打破了土体和地层中水体的力学平衡状态，在没有及时防护时，造成水和土体一起涌入开挖作业面的过程称为突水、涌泥。

铁路、公路、水利、矿井等地下工程开挖过程中，由于揭露岩溶通道的组成部分、构造富水带或渗流击穿隧道洞壁而产生水流、泥流突然涌出的现象时，水流量大于0.1m3/s、并有一定压力和流速，称为突水；当突出的地下水中含有的泥沙等物质超过50％时，称为涌泥。突水、涌泥灾害的实质是围岩的含水层结构、水力条件和围岩力学平衡状态因开挖而发生急剧变化，存贮在地下水体中的能量瞬间释放，并以流体形式高速地向隧道内运移的一种动力破坏现象，地下水因其难以控制和预测、突然爆发、危害性大，是地下工程施工过程中最刺手的一个问题。

岩溶突水通道的形成具有两种形式：一种是完整岩体裂隙演化导致的突水通道，即没有明显的地质缺陷，另外一种是地质缺陷式的突水通道，诸如断层破碎带及岩溶管道等，其突水通道萌生生长、直至最终形成的演化过程不但与通道本身属性有关，同时与水压、地应力以及爆破等外界干扰因素有关，若不考虑外力干扰影响，岩体的裂隙演化受岩石类材料自身裂纹演化的影响，在水压作用下裂隙演化为突水通道表现为水力劈裂现象，实质上是高水头作用下岩体断续裂隙发生扩展，并相互贯通后再进一步张开所致，水力劈裂最初应用于油气田的开发和地应力的测量方面，近几十年来大型水利水电工程及交通运输工程建设中，出现了大量水力劈裂诱发突水的灾害实例，成为突水通道形成机制的研究热点。

目前，在处理突水堵漏的技术问题中采用灌注水泥浆或水泥及水玻璃混合浆液的方式进行处理。

例如，中国发明专利申请号为200610053050.1的专利文献公开了一种用于封堵高压地下水的混合灌浆装置及其混合法灌浆工艺，本发明提供了一种利用水泥浆液与水玻璃孔外混合技术，用来控制浆液凝固时间，在高压地下水和不良地质条件下，确保水泥浆液不会分散，从而达到对地下水灌浆封堵的目的。本发明的设备主要包括了分配器、静态混合器、单向阀、高速搅拌机、高压泥浆泵、高压变频泵、储浆桶、水玻璃桶、及一些相关的阀门、压力表、流量表等。本发明的灌浆工艺是：钻孔、制作与安装止浆塞、等待孔口止浆塞凝固、开始灌浆、止住出水点。本发明可用于岩溶突水地层、水库坝基(堤)管涌、线状流水，透水性断层带，溶蚀裂隙中的集中涌水、喷水等堵漏加固处理。

现有技术中的灌浆工艺存在如下技术问题：

1、水泥浆、水泥及水玻璃混合浆材因流动性大，在断层带和裂隙未封闭的情况下，随流水稀释，无法胶结，不能在断层及裂内沉积，直接采取灌注水泥浆或水泥和水玻璃混合浆不能达到堵漏目的。

2、水泥砂浆类浆材因受灌浆设备能力的限制，砂粒粒径过小，细砂随浆液流动、沉积在断层通道后，因水泥胶结材料在水流中流失后，不能适时固结而被水流携带出断层带，因而也不能起到堵塞作用。

现有技术中的灌浆工艺存在上述缺陷，难以适应当今突水堵漏施工的发展趋势和实际需要。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种突水断层带堵漏的施工方法，将传统的“一次灌注”法转变为“多次分级灌注法”，既解决特殊地层的堵漏，又降低工程成本。

一种突水断层带堵漏的施工方法，包括如下步骤：

步骤1、对突水断层通道进行初步封堵，沿突水断层通道的上游沉淀粗砂，粒径为2-5mm的粗砂随水漂流并沉积在突水断层通道内；

步骤2、向突水断层通道灌注膨胀材料，膨胀材料在注入断层2-3小时后产生膨胀，与沉积在断层通道内的粗砂在突水断层通道内相互挤压，形成孔隙状、且相对稳定的地层结构；

步骤3、根据突水断层通道内流出的粗砂量及粗砂的粒径进行判断，调整粗砂的粒径后继续灌注，使之取得减少已沉积粗砂逸出、并快速完成突水断层通道内的空间充填的效果；

步骤4、固结灌浆，对突水断层通道内由粗砂、膨胀材料及原有充填物重新组成的孔隙状相对稳定的地层结构进行固结灌浆，根据固结灌浆的灌浆压力变化调整灌浆量，分级灌浆以防止突水断层通道内的填充物因灌浆能量过大而被击穿；

步骤4.1、速凝剂备料，准备浓度42-45Be，比重1.42-1.45，模数2.4-2.5的水玻璃原液；

步骤4.2、水泥浆备料，采用具有高速搅拌功能的双层搅拌槽进行制浆，上搅拌槽用于配制浆材，浆液配制完成后，放入下搅拌槽储存并由灌浆泵输送入孔内灌注，实现制浆、灌浆不间断的连续作业，制备水灰比分别为1：1；0.8：1；0.6：1的水泥浆，由最稀级浆比开始灌浆，逐级变浆至最浓浆液；

步骤4.3、当灌注水灰比为1：1水泥浆的量达到600L后，且单位注入量大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为1：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的3-5％，各加入成分按质量计；

步骤4.4、当灌注水灰比为1：1的浆液加入速凝剂后连续灌注达到600L后，其注入量无明显减小，变浆至水灰比为0.8：1的浆液继续灌注10min，注入量大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为0.8：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的4-6％，各加入成分按质量计；

步骤4.5、当水灰比分别为0.8：1的浆液加入速凝剂后连续灌注达到600L后，其注入量无明显减小，变浆至水灰比为0.6：1的浆液继续灌注10min，当注入量仍大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为0.6：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，直至灌浆达到灌浆结束标准，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的6-8％，各加入成分按质量计。

进一步地，步骤1中采用帷幕灌浆钻孔设备将帷幕灌孔扫孔至突水断层内，自孔口向孔内均匀投砂，配合水力冲切的方式向孔内注水，防止投砂过快堵塞钻孔，并使投入孔内的粗砂快速下落至突水断层通道内，粗砂进入突水断层通道后由断层内快速通过的水流携带而在突水断层通道内逐步沉积，从而完成了粗砂在突水断层通道内的沉淀。

进一步地，步骤2中采用帷幕灌浆钻孔设备将帷幕灌孔扫孔至突水断层内，向孔内投放膨胀材料并配合水力冲切的方式向孔内注水，使膨胀材料快速进入突水断层通道内，由断层内流动的水携带并在突水断层通道走向方向沿程沉淀，从而完成膨胀材料的灌注。

进一步地，步骤2中所述膨胀材料为黄豆。

进一步地，步骤3中，在孔口投放粗砂和膨胀材料过程中，每10min测量一次孔深，如孔深保持不变，则继续投料充填，当钻孔内出现沉积粗砂后，采用钻孔设备配合沉淀管进行孔内沉淀粗砂的打捞，完成上述工作后，向孔内注水，孔内水位下降速度减小，结合孔内灌入粗砂和膨胀材料的体积对判断突水断层通道内充填情况进行预判，排除所灌粗砂或膨胀材料堵塞断层与钻孔入口后，采取压水试验检查，压水试验达到设计压水压力，且单位压水流量达到稳定标准，或单位压水流量稳定，压水试验压力可维持稳定值，即可判定断层内已基本充填稳定，从而确定下一步可进入灌浆阶段。

进一步地，步骤4.3中，灌浆注入量达到600升，且注入量无明显减小时，变浆至浓一级的浆液继续灌注。

进一步地，步骤4.3中，灌浆过程中单位注入量大于30L/min时，也可采取限流灌浆、间歇灌浆或待凝灌浆代替倒入速凝剂的步骤。

进一步地，步骤4.5中，灌浆压力达到设计压力，单位注入量小于0.2L/min后，迸浆60min后结束灌注。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

1、本发明所述的突水断层带堵漏的施工方法，通过分级注入水泥浆，使水泥浆能够附着在突水断层通道内。

2、本发明所述的突水断层带堵漏的施工方法，通过在突水断层通道内注入粗砂和黄豆，使突水断层通道内改善为孔隙状的地层，有利于水泥浆的附着。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1

一种突水断层带堵漏的施工方法，包括如下步骤：

步骤1、对突水断层通道进行初步封堵，沿突水断层通道的上游沉淀粗砂，粒径为2-5mm的粗砂随水漂流并沉积在突水断层通道内；

步骤2、向突水断层通道灌注膨胀材料，膨胀材料在注入断层2-3小时后产生膨胀，与沉积在断层通道内的粗砂在突水断层通道内相互挤压，形成孔隙状、且相对稳定的地层结构；

步骤3、根据突水断层通道内流出的粗砂量及粗砂的粒径进行判断，调整粗砂的粒径后继续灌注，使之取得减少已沉积粗砂逸出、并快速完成突水断层通道内的空间充填的效果；

步骤4、固结灌浆，对突水断层通道内由粗砂、膨胀材料及原有充填物重新组成的孔隙状相对稳定的地层结构进行固结灌浆，根据固结灌浆的灌浆压力变化调整灌浆量，分级灌浆以防止突水断层通道内的填充物因灌浆能量过大而被击穿；

步骤4.1、速凝剂备料，准备浓度42-45Be，比重1.42-1.45，模数2.4-2.5的水玻璃原液；

步骤4.2、水泥浆备料，采用具有高速搅拌功能的双层搅拌槽进行制浆，上搅拌槽用于配制浆材，浆液配制完成后，放入下搅拌槽储存并由灌浆泵输送入孔内灌注，实现制浆、灌浆不间断的连续作业，制备水灰比分别为1：1；0.8：1；0.6：1的水泥浆，由最稀级浆比开始灌浆，逐级变浆至最浓浆液；

步骤4.3、当灌注水灰比为1：1水泥浆的量达到600L后，且单位注入量大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为1：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的3-5％，各加入成分按质量计；

步骤4.4、当灌注水灰比为1：1的浆液加入速凝剂后连续灌注达到600L后，其注入量无明显减小，变浆至水灰比为0.8：1的浆液继续灌注10min，注入量大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为0.8：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的4-6％，各加入成分按质量计；

步骤4.5、当水灰比分别为0.8：1的浆液加入速凝剂后连续灌注达到600L后，其注入量无明显减小，变浆至水灰比为0.6：1的浆液继续灌注10min，当注入量仍大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为0.6：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，直至灌浆达到灌浆结束标准，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的6-8％，各加入成分按质量计。

其中，步骤4.4中所述的注入量无明显减小是指600L加入了速凝剂的浆液在灌浆过程中，开始时的单位注入量与灌完这些浆材完成时的单位注入量进行比较，灌完600L掺加速凝剂的浆材灌浆单位注入量不小于掺加速凝剂时的灌浆单位注入量的90％即为无明显减小。如1:1的浆材在未加速凝剂时，单位注入量为20l/min，加速凝剂，且灌完600L时显示单位注入量还大于18lm/min，就可变浓一级(0.8:1)浆进行灌浆。

步骤1中采用帷幕灌浆钻孔设备将帷幕灌孔扫孔至突水断层内，自孔口向孔内均匀投砂，配合水力冲切的方式向孔内注水，防止投砂过快堵塞钻孔，并使投入孔内的粗砂快速下落至突水断层通道内，粗砂进入突水断层通道后由断层内快速通过的水流携带而在突水断层通道内逐步沉积，从而完成了粗砂在突水断层通道内的沉淀。

步骤2中采用帷幕灌浆钻孔设备将帷幕灌孔扫孔至突水断层内，向孔内投放膨胀材料并配合水力冲切的方式向孔内注水，使膨胀材料快速进入突水断层通道内，由断层内流动的水携带并在突水断层通道走向方向沿程沉淀，从而完成膨胀材料的灌注。

步骤2中所述膨胀材料为黄豆。

步骤3中，在孔口投放粗砂和膨胀材料过程中，每10min测量一次孔深，如孔深保持不变，则继续投料充填，当钻孔内出现沉积粗砂后，采用钻孔设备配合沉淀管进行孔内沉淀粗砂的打捞，完成上述工作后，向孔内注水，孔内水位下降速度减小，结合孔内灌入粗砂和膨胀材料的体积对判断突水断层通道内充填情况进行预判，排除所灌粗砂或膨胀材料堵塞断层与钻孔入口后，采取压水试验检查，压水试验达到设计压水压力，且单位压水流量达到稳定标准，或单位压水流量稳定，压水试验压力可维持稳定值，即可判定断层内已基本充填稳定，从而确定下一步可进入灌浆阶段。

其中，帷幕灌浆压水试验采用的压力标准一般分以下几种情况：1、本段灌浆压力小于1.0MPa时，压水压力采用0.3MPa；2、本段灌浆压力大于1.0MPa时，压水压力采用1.0MPa；3、帷幕灌浆的检查标准可按上述情况执行，如检查标准较严，需要判断帷幕形成后，裂隙或断层内的充填质移动等情况时，还有采取“三个压力五个阶段”的压水试验方式，即按压水压力从小到大再变小的方式“0.3－0.6－1.0－0.6－0.3”连续进行压水试验。

此处表明的是，如压水试验检查时，用0.3MPa的压力进行压水试验时，每5min测一次单位注水量，连续4次读数，如最后一个单位注水量读数与前一个单位注水量相比，其误差值不小于10％，即认为单位压水流量达到了稳定标准(解释规范标准)。断层带因范围大，灌砂充填断层后的孔隙连通性好，一般单位注水量仍然很大，压水试验压力不能升到设计压水试验压力的最小值，只要在压水试验时安装在孔口的压力表能够显示出压力，说明断层内已形成了一定的阻塞，因此，就可以判断其充填达到了要求。如果能达到压水试验压力的标准，说明断层带内充填的很密实，效果更好。通常在帷幕灌浆压水试验过程中，有很多地层地段压水时也出现不起压的现象，提醒灌浆作业人员可以选用较浓的浆液作为开灌比级，不同地区和设计院会根据情况作出相应要求。

步骤4.3中灌浆注入量达到600升，且注入量无明显减小时，变浆至浓一级的浆液继续灌注。

步骤4.5中，灌浆压力达到设计压力，单位注入量小于0.2L/min后，迸浆60min后结束灌注。

实施例2

步骤4.3中，灌浆过程中单位注入量大于30L/min时，采取限流灌浆、间歇灌浆或待凝灌浆代替倒入速凝剂的步骤。除此之外，均与实施例1中相同。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对突水断层通道进行初步封堵，沿突水断层通道的上游沉淀粗砂，粒径为2-5mm的粗砂随水漂流并沉积在突水断层通道内；

步骤2、向突水断层通道灌注膨胀材料，膨胀材料在注入断层2-3小时后产生膨胀，与沉积在断层通道内的粗砂在突水断层通道内相互挤压，形成孔隙状、且相对稳定的地层结构；

步骤3、根据突水断层通道内流出的粗砂量及粗砂的粒径进行判断，调整粗砂的粒径后继续灌注，使之取得减少已沉积粗砂逸出、并快速完成突水断层通道内的空间充填的效果；

步骤4、固结灌浆，对突水断层通道内由粗砂、膨胀材料及原有充填物重新组成的孔隙状相对稳定的地层结构进行固结灌浆，根据固结灌浆的灌浆压力变化调整灌浆量，分级灌浆以防止突水断层通道内的填充物因灌浆能量过大而被击穿；

步骤4.1、速凝剂备料，准备浓度42-45Be，比重1.42-1.45，模数2.4-2.5的水玻璃原液；

步骤4.2、水泥浆备料，采用具有高速搅拌功能的双层搅拌槽进行制浆，上搅拌槽用于配制浆材，浆液配制完成后，放入下搅拌槽储存并由灌浆泵输送入孔内灌注，实现制浆、灌浆不间断的连续作业，制备水灰比分别为1：1；0.8：1；0.6：1的水泥浆，由最稀级浆比开始灌浆，逐级变浆至最浓浆液；

步骤4.3、当灌注水灰比为1：1水泥浆的量达到600L后，且单位注入量大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为1：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的3-5％，各加入成分按质量计；

步骤4.4、当灌注水灰比为1：1的浆液加入速凝剂后连续灌注达到600L后，其注入量无明显减小，变浆至水灰比为0.8：1的浆液继续灌注10min，注入量大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为0.8：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的4-6％，各加入成分按质量计；

步骤4.5、当水灰比分别为0.8：1的浆液加入速凝剂后连续灌注达到600L后，其注入量无明显减小，变浆至水灰比为0.6：1的浆液继续灌注10min，当注入量仍大于30L/min时，将速凝剂倒入水灰比为0.6：1的水泥浆中，搅拌均匀后继续灌注，直至灌浆达到灌浆结束标准，所述速凝剂的加入量为水泥加入量的6-8％，各加入成分按质量计。

2.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤1中采用帷幕灌浆钻孔设备将帷幕灌孔扫孔至突水断层内，自孔口向孔内均匀投砂，配合水力冲切的方式向孔内注水，防止投砂过快堵塞钻孔，并使投入孔内的粗砂快速下落至突水断层通道内，粗砂进入突水断层通道后由断层内快速通过的水流携带而在突水断层通道内逐步沉积，从而完成了粗砂在突水断层通道内的沉淀。

3.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤2中采用帷幕灌浆钻孔设备将帷幕灌孔扫孔至突水断层内，向孔内投放膨胀材料并配合水力冲切的方式向孔内注水，使膨胀材料快速进入突水断层通道内，由断层内流动的水携带并在突水断层通道走向方向沿程沉淀，从而完成膨胀材料的灌注。

4.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤3中，在孔口投放粗砂和膨胀材料过程中，每10min测量一次孔深，如孔深保持不变，则继续投料充填，当钻孔内出现沉积粗砂后，采用钻孔设备配合沉淀管进行孔内沉淀粗砂的打捞，完成上述工作后，向孔内注水，孔内水位下降速度减小，结合孔内灌入粗砂和膨胀材料的体积对判断突水断层通道内充填情况进行预判，排除所灌粗砂或膨胀材料堵塞断层与钻孔入口后，采取压水试验检查，压水试验达到设计压水压力，且单位压水流量达到稳定标准，或单位压水流量稳定，压水试验压力可维持稳定值，即可判定断层内已基本充填稳定，从而确定下一步可进入灌浆阶段。

5.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤4.3中灌浆注入量达到600升，且注入量无明显减小时，变浆至浓一级的浆液继续灌注。

6.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤4.3中，灌浆过程中单位注入量大于30L/min时，采取限流灌浆、间歇灌浆或待凝灌浆代替倒入速凝剂的步骤。

7.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤4.5中，灌浆压力达到设计压力，单位注入量小于0.2L/min后，迸浆60min后结束灌注。

8.根据权利要求1所述的突水断层带堵漏的施工方法，其特征在于，步骤2中所述膨胀材料为黄豆。