Comparative experimental study on grouting of fine cement and ordinary cement in underground engineering
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摘要: 水封洞库、储气库、引水隧洞等地下工程对区域渗流场控制均有严格要求，灌浆是控制工程区域渗流场的重要方式。不同地质条件下的岩体可灌性不同，对灌浆材料的粒径敏感性也不同，需要开展相关试验论证，为工程施工提供科学依据。依托某水封洞库灌浆施工，通过开展超细水泥、湿磨细水泥与普通水泥灌浆对比试验，研究不同类型灌浆材料在该工程中的适用性。试验结果表明：当岩体透水率较大时，超细水泥、湿磨细水泥与普通水泥三种灌浆材料渗控效果差异不明显，相同岩体透水率条件下，采用不同材料灌浆，单位耗灰量总体一致；灌浆压力增大，灌浆孔的单位耗灰量显著增加，灌浆实施效果显著提升；当岩体透水率很小，采用超细水泥或湿磨细水泥能够进一步降低围岩渗水量。因此，在依托工程中无需大范围采用超细水泥和湿磨细水泥进行灌浆，在普通水泥可灌性不强的特殊情况下，建议采用超细水泥和湿磨细水泥灌浆，同时合理调节灌浆压力，以显著改善灌浆效果。Abstract: Underground projects such as water-sealed caverns, gas storages, and diversion tunnels have strict requirements for the control of regional seepage fields. Grouting is an important way to control the seepage field in the engineering area. The groutability under different geological conditions is different, and the sensitivity to the particle size of grouting material is different. It is necessary to carry out relevant experimental demonstrations to provide a scientific basis for engineering construction. Based on the grouting construction of a water-sealed cavern, and by conducting comparative experiments of ultra-fine cement, wet grinding fine cement, and ordinary cement grouting, the applicability of different types of grouting materials was studied in the project. The test results show that when the rock permeability is high, there is no obvious difference in the seepage control effect of the three grouting materials. Under the condition of the same permeability of rock mass, different materials were used for grouting, and the unit ash consumption was generally the same. With the increase in grouting pressure, the unit ash consumption of the grouting hole increased significantly, and the effect of grouting was significantly improved. When the rock permeability is very low, using ultra-fine cement or wet-grinding fine cement can further reduce the seepage of the surrounding rock. Therefore, there is no need to use ultra-fine cement and wet grinding fine cement for grouting on a large scale in this project. In special cases where the groutability of ordinary cement is not good, it is recommended to use ultra-fine cement and wet-ground fine cement and to reasonably adjust the grouting pressure to significantly improve the grouting effect.
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Key words:
- underground engineering /
- grouting test /
- ordinary cement /
- ultra-fine cement /
- wet grinding fine cement
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0. 引言
水封洞库是在稳定地下水位线以下开挖岩洞存储油或气，根据外部水压高于油压且油水不相容的原理，将油或气封在洞库中。由于其安全、经济、环保[1]，已逐渐成为当前油气存储的主要形式之一[2]。
国内大规模水封洞库一般建设在花岗岩地区[3]。虽然洞库所在部位花岗岩完整性较好、渗透性较弱，但是仍不可避免地发育有不同规模的导水构造，地下水会向洞室内不断渗漏[4]。对洞库围岩进行灌浆，降低洞库围岩渗透性，是控制地下水向洞室内渗漏、同时维持稳定地下水位以保障水封性的重要手段[5]。王者超等[6]认为，裂隙对水封洞库地下渗流场具有重要影响。为保障水封洞库的使用功能和效果，需要控制地下水向洞内的渗漏量[7]。李术才等[8]运用等效连续介质的方法讨论了水封石油洞库在洞室开挖及运营过程中渗流场的时空演化特征。
由于花岗岩中的渗水结构面具有张开度小、渗透性强的特点[6]，在洞库围岩灌浆过程中，由于微裂隙岩体可灌性差而出现浆液“失水回浓”、吃水不吃浆等现象[9]。吴 波等[10]针对某地下水封洞库提出预灌浆与后灌浆相结合的方法，减小岩面漏浆及渗水面外延。白文军[11]提出水封洞库工程中预灌浆的灌浆材料应采用细水泥、超细水泥等颗粒粒径更细的水泥。不同工程地质条件下，水泥颗粒粒径对灌浆效果具有显著影响，影响帷幕耐久性[12]。库区内若有强风化带，节理裂隙发育且延伸较远，普通水泥很难注入，一旦形成渗漏通道，不利于工程的正常运行[13]。当前水封洞库领域的灌浆技术亟需完善。为了达到理想的灌浆效果，需要结合实际情况开展现场灌浆试验，以达到选择合适的灌浆材料和灌浆工艺参数等目的。
以水封洞库工程为依托，结合洞库围岩灌浆施工，在现场开展了超细水泥、湿磨细水泥与普通水泥灌浆对比试验。对试验成果综合分析，系统阐述不同灌浆材料可灌性及灌浆效果，为灌浆材料的合理选择提供依据。提出了灌浆效果的优化和改进建议，为其他洞库项目或地下工程灌浆设计与施工提供参考。
1. 试验方法
某洞库项目地下工程主要由洞罐区、竖井、水幕系统、施工巷道及连接巷道等组成。本次在现场主要开展了超细水泥、湿磨细水泥和普通水泥的现场灌浆对比试验。所采用的超细水泥型号为800目超细水泥，最大粒径<15 μm；湿磨细水泥采用GSW卧式水泥湿磨机现场磨制，出料最大粒径<40 μm；所采用的普通水泥型号为P.O 42.5，最大粒径<128 μm。
1.1 超细水泥灌浆试验
在施工巷道4个区域进行了超细水泥灌浆生产性试验，分别为：
（1）施工巷道① K0+620.5—K0+630.5后灌浆（中空锚杆）超细水泥和普通水泥灌浆生产性对比试验；
（2）施工巷道① K0+807.8预灌浆Ⅱ序孔超细水泥和普通水泥灌浆生产性对比试验；
（3）施工巷道④ K0+175—K0+185后灌浆Ⅰ序孔超细水泥和普通水泥生产性灌浆对比试验；
（4）施工巷道③ K0+821.5—K0+831.5二次灌浆超细水泥和普通水泥生产性灌浆对比试验。
1.2 湿磨细水泥灌浆试验
在施工巷道和施工支洞的4个洞段后灌浆施工中开展了湿磨细水泥灌浆生产性试验，分别为：施工支洞④ K0+226—K0+231、施工巷道③ K1+327—K1+337、施工巷道④ K0+105—K0+126右半幅以及施工巷道④ K0+140—K0+158。
1.3 灌浆方式及布孔特点
洞库工程灌浆可分为预灌浆（岩体开挖前）和后灌浆（岩体开挖后）两种。预灌浆一般采用15m长、外倾15°的全断面封闭性注浆孔，沿洞周布置，孔间距为1.0～1.5 m。后灌浆又可进一步细分为常规后灌浆和中空锚杆灌浆，灌浆孔深为4.5～6.0 m，孔间距为1.0～1.5 m，灌浆孔布置根据围岩渗水位置和导水构造分布特征灵活确定，以灌浆孔与导水构造大角度相交为主要原则。本文提到的灌浆施工均为全孔一次性灌浆，洞库灌浆一般遵循“预灌浆为主、后灌浆为辅”的渗控原则。
2. 试验结果
2.1 超细水泥灌浆试验结果
水封洞库围岩灌浆的主要目的是防渗。防渗灌浆的作用机制是将灌浆材料灌入渗水通道，通过灌浆材料充填渗水通道实现降低岩体渗透性的目的。进浆量、耗灰量可作为评价灌浆效果的重要指标，进浆量、耗灰量越大，表明岩体中的渗水通道被充填得越充分，防渗效果越好。本研究主要以单位耗灰量（以下简称“单耗”）作为主要衡量指标，即灌浆孔段注入的水泥量（kg）与孔深（m）的比值。进一步，通过分析灌前透水率–单耗的相关性，评价不同灌浆材料的渗控效果。
超细水泥灌浆试验中各灌浆孔信息如表1所示。灌前透水率–单耗相关性如图1所示。其中，施工巷道③ K0+821.5—K0+831.5后灌浆试验时，Ⅰ序孔采用普通水泥灌浆，灌浆压力为1.0 MPa；Ⅱ序孔采用超细水泥灌浆，灌浆压力为1.5 MPa。为了更好地对比不同孔序之间不同灌浆材料的渗控效果，进一步提出“单压单耗”（即单位耗灰量与最大灌浆压力的比值）进行归一化，结果如图1（e）所示。
表 1 超细水泥灌浆试验灌浆孔信息表序号 部位 孔序 围岩类型 孔数/个 孔深/m 灌浆压力/MPa 灌浆材料 1 施工巷道①K0+620.5—K0+630.5 Ⅲ2 18 4.5 1.5 普通水泥 Ⅲ2 22 4.5 1.5 超细水泥 2 施工巷道①K0+807.8 Ⅱ Ⅲ2 7 15 2.2 普通水泥 Ⅱ Ⅲ2 7 15 2.2 超细水泥 3 施工巷道④K0+175—K0+185 Ⅰ Ⅲ2 31 6 1.05 普通水泥 Ⅰ Ⅲ2 15 6 1.05 超细水泥 4 施工巷道③K0+821.5—K0+831.5 Ⅰ Ⅲ2 55 6 1.0 普通水泥 Ⅱ Ⅲ2 44 6 1.5 超细水泥 2.2 湿磨细水泥灌浆试验结果
湿磨细水泥灌浆生产性试验统计见表2。总灌浆延米数为2016 m，水泥灌入量72.47 t，单位耗灰量35.94 kg/m；其中，Ⅰ序灌浆孔延米数1098 m，灌入量53.10 t，单耗48.36 kg/m；Ⅱ序灌浆孔延米数918 m，灌入量19.37 t，单耗21.10 kg/m。各试验段中灌浆孔对应的灌前透水率–单压单耗散点图见图2。
表 2 湿磨细水泥灌浆试验灌浆孔信息表序号 部位 孔序 孔数
/个孔深
/m耗灰量
/kg灌浆类型及材料 1 施工巷道④
K0+226—K0+231Ⅰ 18 6 4704 后灌浆、湿磨细水泥 Ⅱ 18 6 1928 2 施工巷道③
K1+327—K1+337Ⅰ 60 6 11239 Ⅱ 50 6 3667 3 施工巷道④
K0+105—K0+126Ⅰ 37 6 16862 Ⅱ 30 6 3850 4 施工巷道④
K0+140—K0+158Ⅰ 68 6 20298 Ⅱ 55 6 9921 3. 讨论
3.1 超细水泥和普通水泥灌浆效果对比
由图1可知：超细水泥灌浆孔和普通水泥灌浆孔的灌前透水率–（单压）单耗散点图具有很好的重合性，表明在相同的灌前透水率条件下，采用超细水泥灌浆与采用普通水泥灌浆效果差异不明显。此外，在灌浆结束后都施钻检查孔进行压水试验，结果表明：试验部位灌后围岩透水率均小于0.5 Lu，满足工程渗控要求。从单耗和灌后检查孔透水率来看，所选取试验部位采用普通水泥灌浆也可以达到较理想的渗控效果。
从图1（d）中可以看出：Ⅰ序孔（普通水泥灌浆）灌前透水率在1～7 Lu范围，Ⅱ序孔（超细水泥灌浆）灌前透水率在1～5 Lu范围，Ⅰ序孔的灌前透水率上限值和平均值大于Ⅱ序孔。表明Ⅰ序孔灌浆后，围岩整体透水率已得到有效降低，Ⅱ序孔是在Ⅰ序孔灌浆的基础上进一步强化灌浆实施效果。
3.2 湿磨细水泥与普通水泥灌浆效果对比
由图2可知，Ⅰ序孔灌前透水率的分布范围、上限值、平均值都明显大于Ⅱ序孔。相应地，Ⅰ序孔耗灰量的分布范围、上限值、平均值也都大于Ⅱ序孔。为了对比湿磨细水泥与普通水泥的灌浆效果，将图2中所有Ⅰ序孔、Ⅱ序孔的灌前透水率–单压单耗散点图和依托工程中普通水泥后灌浆孔的散点图进行对比，分别见图3、图4。由图可知：
（1）不论是湿磨细水泥还是普通水泥后灌浆，Ⅰ序孔的灌前透水率和单压单耗，其离散性、范围、上限值、平均值都明显大于Ⅱ序孔，表明Ⅰ序孔灌浆对降低围岩渗透性起到了显著作用，Ⅱ序孔是在Ⅰ序孔基础上的进一步加强。Ⅱ序孔的灌前透水率可以认为是对于Ⅰ序孔灌浆效果的检验。湿磨细水泥灌浆部位，通过Ⅰ序孔灌浆，围岩的透水率从2～12 Lu降低至0～5 Lu；根据检查孔压水试验结果，通过Ⅱ序孔的加强灌浆，围岩透水率可下降至0.5 Lu以内。
（2）湿磨细水泥和普通水泥灌浆孔的散点图具有很好的重合性，表明湿磨细水泥和普通水泥的灌浆效果差异不明显，上述开展湿磨细水泥灌浆试验的部位，采用普通水泥灌浆亦能达到相近的灌浆效果。
3.3 三种灌浆材料效果对比
针对超细水泥、湿磨细水泥与普通水泥三种不同灌浆材料，在依托工程中开展灌浆对比试验，包括后灌浆、预灌浆，以及涨壳式中空锚杆后灌浆。总体来说，灌浆试验部位岩体灌前透水率在2～12 Lu，Ⅰ序孔灌浆后，岩体透水率降至0～5 Lu，Ⅱ序孔加强灌浆后，岩体透水率总体可以降至0.5 Lu以内。
按照前期工程实践经验，采用普通水泥灌浆，可以将岩体透水率降至1 Lu左右，如果还需要进一步降低岩体透水率，普通水泥灌浆将难以达到理想效果，需要采用细水泥灌浆或化学灌浆。其原因主要在于低渗透性岩体中，渗水裂隙的张开度小，普通水泥颗粒难以被有效灌入渗水通道中，采用细水泥或化学灌浆材料时，灌浆材料粒径更小或者为液态，具备更好的可灌性。
本项目灌浆试验中，虽然灌浆后岩体透水率小于0.5 Lu才能满足工程渗控要求，但由于灌浆试验部位岩体的初始透水率总体较大，采用普通水泥灌浆即能达到较为理想的灌浆效果。灌浆试验结果表明，本项目中无需大范围采用超细水泥和湿磨细水泥灌浆。在裂隙较闭合，呈现面状潮湿渗水，可灌性差、单耗小的部位，可采用超细水泥和湿磨细水泥灌浆。另外，在渗水量不大的部位，Ⅰ序孔采用普通水泥灌浆后，Ⅱ序孔为了增加浆液的可灌性，可采用湿磨细水泥进行Ⅱ序孔灌浆。不同水泥材料灌浆施工成本一般与单位耗灰量相关，单耗越高，水泥材料成本越低。本依托工程各灌浆部位的单位耗灰量集中在30～50 kg/m。据测算，Ⅰ序孔普通水泥灌浆后Ⅱ序孔采用细水泥灌浆的方案相较于整体使用细水泥，施工综合成本可降低约12%，具有较显著的经济效益。
本次灌浆试验结果还表明，灌浆压力对进浆量有显著影响，适当增大灌浆压力，可以达到提高耗灰量、提升灌浆效果的目的。
4. 结论
对洞库围岩进行灌浆是控制渗水量、保障洞库水封性的主要手段，为达到理想的灌浆效果，需对灌浆工艺参数、灌浆材料进行研究和选择。依托某洞库项目灌浆工程施工，开展了超细水泥、湿磨细水泥和普通水泥灌浆对比生产性试验，主要结论如下：
（1）依托工程灌浆试验部位，岩体可灌性总体较好，采用普通水泥灌浆总体能达到较为理想的灌浆效果；采用超细水泥灌浆和湿磨细水泥灌浆，其效果和普通水泥灌浆差异不明显，因此在依托工程中无需大范围采用超细水泥和湿磨细水泥进行灌浆。
（2）建议在裂隙较闭合，呈现面状潮湿渗水，可灌性差、单耗小的部位，可采用超细水泥和湿磨细水泥灌浆。另外，Ⅰ序孔采用普通水泥灌浆后，Ⅱ序孔为了增加浆液的可灌性，提升灌浆效果，可采用湿磨细水泥进行Ⅱ序孔灌浆，从经济性角度也更加合理。
（3）灌浆分序施工不是相互独立的平行作用关系。Ⅰ序孔灌浆后，Ⅰ序灌浆孔周边一定范围内，岩体的渗透性降至较低水平，其他区域受浆液扩散影响，岩体渗透性也会相应减弱，但仍大于工程渗控要求的透水率控制标准；Ⅱ序孔灌浆是对Ⅰ序孔灌浆实施效果的进一步强化，Ⅱ序孔灌浆后受灌部位岩体渗透性进一步减弱。
（4）灌浆压力对进浆量有显著影响，适当增大灌浆压力能够灌入更多浆液，达到更好的灌浆效果。
本文试验研究结果不仅能为依托项目灌浆材料选择、灌浆参数确定提供依据和支撑，还可为其他岩石地下工程灌浆设计和施工提供参考。
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表 1 超细水泥灌浆试验灌浆孔信息表
序号 部位 孔序 围岩类型 孔数/个 孔深/m 灌浆压力/MPa 灌浆材料 1 施工巷道①K0+620.5—K0+630.5 Ⅲ2 18 4.5 1.5 普通水泥 Ⅲ2 22 4.5 1.5 超细水泥 2 施工巷道①K0+807.8 Ⅱ Ⅲ2 7 15 2.2 普通水泥 Ⅱ Ⅲ2 7 15 2.2 超细水泥 3 施工巷道④K0+175—K0+185 Ⅰ Ⅲ2 31 6 1.05 普通水泥 Ⅰ Ⅲ2 15 6 1.05 超细水泥 4 施工巷道③K0+821.5—K0+831.5 Ⅰ Ⅲ2 55 6 1.0 普通水泥 Ⅱ Ⅲ2 44 6 1.5 超细水泥 
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表 2 湿磨细水泥灌浆试验灌浆孔信息表
序号 部位 孔序 孔数
/个孔深
/m耗灰量
/kg灌浆类型及材料 1 施工巷道④
K0+226—K0+231Ⅰ 18 6 4704 后灌浆、湿磨细水泥 Ⅱ 18 6 1928 2 施工巷道③
K1+327—K1+337Ⅰ 60 6 11239 Ⅱ 50 6 3667 3 施工巷道④
K0+105—K0+126Ⅰ 37 6 16862 Ⅱ 30 6 3850 4 施工巷道④
K0+140—K0+158Ⅰ 68 6 20298 Ⅱ 55 6 9921
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