摘要:从施工流程、施工技术、质量保证措施等方面,详细论述应用水泥灌浆法解决桂林电厂以大代小技改工程180 m高
烟囱不均匀沉降的问题。
1　引言
　　桂林电厂以大代小技改工程,其中的烟囱始建于1998年9月,1999年10月内衬施工完毕。烟囱高180 m,基础为圆环形板基,外环半径10.88 m,内环半径3.99 m,基础底面埋深6.50 m。施工结束后即发现烟囱产生不均匀沉降,烟囱倾斜率达8‰,超过设计规范3‰的允许值,必须对烟囱的不均匀沉降进行处理。
2　场地土地质条件
　　根据取芯钻探揭示,地基土由以下地层组成:素填土①:主要成分为粘土和粉质粘土,黄~灰黄~黄红色为主,结构松散;钢筋砼①:为烟囱基础,主要骨料为灰岩碎块,一般厚度约1.60 m。风化泥岩⑧:灰黑~黑色,强风化薄层状,构造挤压揉皱发育。风化呈坚硬粉土或粘土状,夹少量泥灰岩碎块,局部砂土状。该岩层为地基主要压缩土层,土体遇水易软化、崩解,富水段易形成软弱亚层:硬~可塑状的⑧1层(呈粘土或砂土状)和软~流塑状⑧2层(以粘土状为主),该两层是引起地基不均匀沉降的主要因素。泥灰岩⑨:灰黑为主,弱风化,岩石坚硬,中~薄层状,不规则方解石发育。地质条件的确定为地基土的可灌性,灌浆处理的部位和灌浆方法、工艺、材料、配比提供了十分重要的依据。
3　烟囱倾斜的原因和灌浆的主要目的
　　根据召开的专家会议的分析,软弱层的存在、分布及其具有的高压缩性,在烟囱西南及东南基础下,构成软弱下卧层,是烟囱自东北向西南方向倾斜的根本原因。对烟囱地基土进行加固,以灌浆为主,提高地基土的承载力,当加固效果较差时,对地基中软弱夹层⑧1和⑧2进行高压旋喷灌浆处理。烟囱筒内外的灌浆工作分两个阶段进行。第一阶段:烟囱筒外灌浆,共布置灌浆孔72个;第二阶段:烟囱筒内灌浆,共布置灌浆孔16个以及原中心钻孔k388的灌浆补强工作,在烟囱筒外东南侧增加了6个地质灌浆孔,筒外周边原未进行灌浆加固地段的地质勘探孔15个,遇软土时进行灌浆处理。
4　主要施工流程
　　本工程施工流程为:
①测定孔位:按设计布孔依据,通过电厂内的控制点,用测量仪按《桂林电厂以大代小技改工程烟囱地基加固处理方案》、《桂林电厂以大代小技改工程烟囱灌浆加固技术要求》的布孔要求进行测量定位。
②设备安装就位:安装的钻机立轴与孔位进行垂直对中。
③预埋段施工:回填土层钻进、下管及管外灌注水泥砂浆固结封隔回填土层,预埋段施工采用流水作业。因水泥预埋段封闭不佳,改用打套管法封闭上部填土层:即造孔至填土层底部后,以钢管打入原状岩土层0.5~15 m。
④灌浆段分段钻进的原位测试:打入钢管后,分段进行重型动力触探(局部做标准贯入试验对比),然后钻进该段孔深。
⑤分段压力灌浆:分段造孔(包括原位测试)后,进行该段次的灌浆。采取循环式灌浆法。分段造孔和灌浆施工进行流水作业,对吸浆量较大、串浆、冒浆段重复造孔和灌浆。灌浆孔的灌浆施工顺序由外至内即顺序为A排、B排、C排、D排。同一排在灌浆施工中间隔1~2个孔进行。先完成第一灌浆段的灌浆后进行第二灌浆段的灌浆工作,局部自A排孔与B排孔交叉,C排孔和D排孔交叉施工。
5　主要施工技术
5.1　扩大灌浆半径
　　由于地基土本身的不均匀性和复杂性,地基土的各间异性使灌浆半径较难确定。根据前期中科院柳州化学灌浆公司的灌浆试验成果来看,灌浆半径约为0.4 m,为了达到更好的灌浆效果,在施工过程中不断探索,通过变换配比和压力,增加吸浆量,使灌浆影响半径得到扩大。实践证明,各种努力没有白费,在距原灌浆孔0.6~0.8 m处的15个检查孔中均发现有较多的层状分布的水泥块体,同时,从地基土的结构特性来看,地基土中的软土层和原岩中的裂隙是水泥侵入的主要部位。
5.2　灌浆
材料与配比
　　灌浆材料主要是水泥和水,并配加水泥添加剂和细砂,水泥品种为鱼峰牌525号普通硅酸盐水泥。水泥添加剂主要有:早强减少剂RH2000和速凝剂水玻璃,局部添加少量细砂,灌浆材料与配比见表1:
5.3　灌浆压力与浆液交换
　　灌浆压力变换:按原《施工组织方案》,灌浆压力为0.5~1.5 MPa,施工中发现,对于软土层,只需要0.2 MPa的压力就可以灌入水泥浆液,而复灌段则需要用较大的灌浆压力来劈裂孔周土体,一般的劈裂压力为1.5~2.5 MPa,压力维持约30 min。土体经劈裂后,灌浆压力迅速变小,可灌入多量浆液。浆液浓度变换:浆液浓度变换与吸浆量相关,开灌浓度采取水灰比为1∶1,后发现吸浆量较大,变换浆液水灰比为0.5~1。C,D排灌浆孔开灌时,第一桶均用0.8∶1的水灰比,其后均采用0.5∶1的水灰比进行灌浆。
5.4　灌浆钻孔
　　灌浆的钻孔,使用SGZ-Ⅰ型岩芯钻机通过迥转钻进成孔。筒外的A,B排预埋砂浆段成孔直孔为300 mm,C,D排的预埋段的成孔直径为150mm,孔深进入原状岩土0.50~1.00 m时,采取下护壁管及管外灌注水泥砂浆进行封隔填土层。灌浆段的成孔直径为110 mm或91 mm,灌浆段的成孔采取平钻方法,减少水流对地基土的渗透软化作用,有利于标贯(动触探)检测及判断⑧1、⑧2软弱层,对于D排孔基础砼段采用1∶1水泥浆进行迥转冷却钻进。成孔施工控制要点:①回填土层需预埋孔口管的成孔直径不小于150 mm;②水泥砂浆对回填土层的封隔效果;③钻孔垂直度小于1%;④标贯(动力触探)检测正确;⑤确认⑧1和⑧2软弱层的孔深位置。打套管施工时,套管一定要击实,套管脚与土层要紧密,以防套管脚串浆。重复造孔时,原孔内水泥固体强度较大,采用少量水冷却迥转钻进。C排灌浆孔的部分灌浆孔因其水泥结块不利于第二次打入钢管,对该部分灌浆孔在复灌时可对其孔位作少量移动,一般偏移约20cm。
5.5　水泥灌浆施工
　　灌浆段的灌浆施工工作必须在对填土层底部实行有效的封隔后进行。成孔过程中,灌浆孔深从预埋段底部开始,采用自上而下分段灌浆方法进行灌浆,每段钻进不大于5.00 m,按常规进行一个灌浆段的灌浆,直至终孔。对于软土段和附加应力较大的地段,灌浆段长适当减小,并增加灌浆量的压力,以达到更好的灌浆效果。
　　由于地基土中的风化泥岩以薄层为主,产状倾角较陡,经构造应力挤压的影响,岩层较破碎,构造裂隙发育,局部易成为地下水或水泥浆液的活动通道。因此,灌浆时浆液在灌浆压力的作用下,容易从下部往上部走并从填土层的薄弱处窜出地面,一部分灌浆孔下部有裂隙连通,灌浆时容易出现串浆现象。对于灌浆孔的串浆,可于串浆的灌浆孔用硬物等封堵孔口后继续灌浆,而地面冒浆则只须在水泥中添加速凝剂或间隔一段时间后再灌浆。
6　质量保证措施
6.1　灌浆孔造孔
　　①孔位由测量员根据设计图纸要求和现场控制点进行测定,现场标识,并作好记录。
②钻孔操作严格按DL5013-92《水利水电工程钻探规程》和DL/T5096-1999《电力工程地质钻探技术规定》执行。
③钻孔先后顺序为筒外A排、B排、C排、D排,造孔时间隔1~2个孔进行施工,先完成第一灌浆段工序后进行第二灌浆段造孔工作。
④钻孔开钻前进行校对钻机立轴与孔位的对中和垂直度,孔位偏差不大于4 cm,孔斜度不大于1%。
⑤在回填土层成孔后,采取及时下套管及管外灌注水泥砂浆固结封隔回填土层,防止回填土层的地表水回串孔内。
⑥灌浆孔段的造孔时采用干钻取芯,填土层以下至泥灰岩面连续进行动力触探试验(局部结合标准贯入试验),对孔内⑧1,⑧2层的存在作出正确的判断。
⑦钻进时,控制回次进尺小于1.00 m,发现
⑧1,⑧2层时,控制回次进尺小于0.5 m。
6.2　软土层判定
　　判定软土层⑧1,⑧2层相应的原位测试指标参考原补充勘察资料,按以下原则进行划分:
⑧1:4<标准贯入试验击数N<10,2<重型动力触探锤击数N63.5<5;
⑧2:标准贯入试验锤击数≤4,重型动力触探锤击数N63.5≤2。原位测试连续进行,观测各灌浆的锤击值,特别注意观测⑧1,⑧2软弱层灌浆后的锤击值,观察分析所取土的岩样。
6.3　水泥灌浆
　　①水泥灌浆施工严格按DL5024—93《火力发电厂地基处理技术规定》、SL62—94《水工建筑水泥灌浆施工技术规范》、《桂林电厂以大代小技改工程烟囱地基加固处理方案》、《桂林电厂以大代小技改工程烟囱地基灌浆加固技术要求》的规定执行。
②灌浆采取自上而下分段灌浆法。每次灌段长度不大于5 m。考虑地基土力学性能和结构部位的不同,灌浆段长可适当调整,对附加应力大的部位的灌浆孔,如D排灌浆孔,其灌浆段长调整为3 m左右。
③分段灌浆的水灰比,开灌时采取1∶1,后发现吸浆量较大,决定把水灰比调整为0.5∶1,并把开灌水灰比调整为0.8∶1。
④分段灌浆,当吸浆量较大时,采取调整水灰比和添加速凝剂(水玻璃)的措施。单孔单位耗灰量一般控制在1 500~2 000 kg/m,A,B排灌浆孔单孔单位耗灰量可适当减少,而C,D排灌浆孔的单孔单位耗灰量则适当加大,并按此标准控制单孔灌浆耗灰量。由于多数灌浆孔吸浆量较大,灌浆结束的标准实际上是按上述单孔单位灌浆耗灰量来决定的。
⑤灌浆的压力,分段灌浆的压力视吸浆量采取0.2~1.5 MPa,⑧1,⑧2层的灌浆压力较小,一般取0.2~0.5 MPa。
⑥每个分段的灌浆工作应保持连续性,防止浆液在工作管内发生堵塞。
⑦灌浆过程发生冒浆时,采取添加速凝剂(水玻璃),间歇灌浆方法处理,减少水泥浆液的浪费。
⑧灌浆过程发生另孔串浆时,采取对另孔封闭措施或与串浆钻孔同时灌浆措施。
⑨个别孔段吸浆量较大,停灌待水泥固结后重新造孔进行灌浆。复灌时开灌采取劈裂灌浆法将孔周围土体劈裂,使水泥浆液侵入地基土中。
⑩灌注的水泥浆液中加入一定比例的高效减水剂(早强型),让灌浆后地基的强度尽早获得增强。施工一段时间后,发现使用早强减水剂效果不是很理想,改用速凝剂(水玻璃)。
○11分段灌浆时,当吸浆量较大(灌浆段单位耗灰量大于2 000 kg/m),而孔口灌浆压力又很小(甚至为0)时,停灌,待以后复灌。
○12灌浆施工过程中做好现场记录,注意记录串浆或地面变形等现象并记录处理措施及效果。
○13灌浆总耗灰量达到预定数量时,终止灌浆施工。
7.1　检查孔效果分析
　　灌浆孔施工结束后,等待水泥固结时间达到龄期,布置了15个检查孔,对施工效果进行检查。其中,取芯孔8个,采取干钻取芯,要求岩芯采取率不小于90%,以观察地基土中水泥固体的含量,判定水泥浆液的灌入度;动探孔7个,通过对填土层以下至泥灰岩段的连续动探试验,收集灌浆后地基土的试验指标的变化,以判定灌浆对地基土力学性能的改良情况。从取芯来看,孔内均夹有较多水泥结块,厚度1 mm~1 100 mm不等。可见,经灌浆处理后,地基土的结构成分已有明显的变化,水泥浆的劈裂或挤入方式(多数为顺岩层面或裂隙)进入地基土中,使地基土中水泥呈层状或条带状分布。从7个检查孔的原位测试结果来看,由于岩土体中存在较多的水泥块体,重型动力触探试验无法连续进行,需钻穿水泥结块后才能试验,造成孔内动探试验数据的不连续性。锤击数N63.5击数较大,偶有4击,但与该自检孔地段未灌浆前地基土的动探
数据相比,从厚度上和动探锤击数上均得到了很大程度的改良。
7.2　地基沉降观测资料分析
　　施工期间对烟囱地基沉降变形进行了观测,观测工作从2000年12月8日开始,观测精度按国家Ⅱ等水准测量进行。根据测量资料,结合施工进程来分析,发现烟囱地基的变形与灌浆施工有密切联系,主要表现为:
①灌浆施工时,变形量减少,出现反弹,停灌期间变形量增加。 ②变形反弹程度与施工灌浆孔跟烟囱基础的距离有关。A,B排灌浆孔施工时,对变形量的影响不大,C,D排灌浆施工时对变形量影响较大。
③变形量的变化与灌入量有关,灌入量越多,则地基反弹的力度越大,局部灌浆可使变形反弹达3 mm。
④2000年12月8日开始观测的各测点变形量为0 mm(高程),两个施工阶段期间烟囱各测点的变形量详见表2。由此可见,灌浆施工不仅可以抑制基础下沉,还可以起到纠正作用。自灌浆施工结束以来,未见烟囱地基变形加剧,地基沉降量基本不变,还说明地基土力学性能得到了较大的改良。
8　结论及建议
　　①根据灌浆施工的检查成果可知,灌浆施工对地基土改良效果是明显的,灌浆处理后,烟囱基础下地基土中的软弱层的组成、性状、密实度和力学强度等明显改善和提高。
②灌浆中水泥进入地基土层的方式有两种:挤密进入和劈裂进入。两种方式是相辅相成的。水泥浆液进入地基土的机制为劈裂~挤密~固结,增加灌浆的吸浆量,对加固更为有利。水泥顺层面、裂隙进入地基土,形成复合地基,水泥块体形态主要为层状,局部团块状。复合地基中水泥与软土层互层,其力学性能参数的确定较为困难,水泥的带状、层状、网状分布明显阻隔了水对地基土的软化。
③软化层⑧1,⑧2的分布无明显规律性,其厚度和埋深也不均匀,主要分布于泥灰岩接触带地段。值得注意的是,3号测点处地基沉降变形量最少,而其深部软土却较厚,说明较深处分布的软土层对基础沉降的影响不大。
④根据灌浆施工到今近两年的地基沉降观测资料来看,各测点沉降量基本持平。由此可见,灌浆施工后,通过加固地基,烟囱地基的沉降明显得到控制,灌浆作用是明显的。