大粒徑地層高壓噴射灌漿施工工藝分析

魏慶東　孫麗萍

摘要：我國許多已建、在建或待建的水利工程都座落于大粒徑地層上。因此開展“大粒徑地層高壓噴射灌漿防滲技術”研究具有重要的社會經濟意義。本文對大粒徑地層中高壓噴射灌漿施工工藝、施工方法進行了分析。

關鍵詞：水利工程；大粒徑地層；高壓噴射灌漿；防滲技術

1引言

大粒徑地層高噴灌漿防滲技術，一直是國內外公認的技術難題。一是鉆孔困難，容易塌孔卡鉆，工效低；二是鉆孔精度不易保證；三是高噴灌漿時漿液容易流失。所謂大粒徑地層系指大于2cm以上粒徑顆粒含量占多數的不均勻的地層，包括礫卵石層、卵漂石層、塊石層以及它們的混合地層。這類地層廣泛存在于山區河床，山前坡地等第四系覆蓋層中。另外，某些人工形成的含大量石塊、石渣、建筑棄料的回填土也歸屬于大粒徑地層。大粒徑地層的一個顯著特點是強透水性，在水頭作用下不但漏水嚴重而且易產生管涌破壞，從而導致基礎失穩，造成上部建筑物的損壞。所以一旦要求在大粒徑地層上進行重要建筑，往往需要對地基進行防滲加固處理。

2 大粒徑地層高噴灌漿成墻原理

當攜帶巨大能量的水、氣或漿射流沖擊大粒徑地層時，進入大粒徑空隙間的射流，可使其間的充填物直接沖切破壞，作用機理符合細顆粒地層的射流原理；而射向大顆粒上的射流受到大顆粒的阻擋，一方面其沖擊能量使大顆粒背后的充填物因射流方向旋轉、擺動和提升的交替承受擠壓、張拉作用而松動或產生縫隙；另一方面，由于射流的反射作用在噴頭周圍形成一個強紊流區，紊流互碰撞造成流體勢能增大，即形成一個環境高壓區處于高能狀態下的水、漿、氣混合流沿大顆粒之間空隙向周圍低壓區迅速擴散；并對大顆粒體的背后的充填物起二次切割沖刷作用。同時隨著射流方向旋轉擺動，形成較強的脈動壓力，使空隙間相當數量的細顆粒被推移到較遠范圍，或者被回流帶離原來位置，在水氣漿射流的綜合作用下，大顆粒間的空隙被漿液所充填，與大顆粒體凝結成一體，形成密實墻體。

3高噴灌槳施工工藝

高噴灌漿施工主要包括兩道工序:鉆孔和噴射灌漿。大顆粒地層高噴施工與老的施工方法相比，在造孔及固壁措施上有了較大改進，施工工藝流程也更趨多樣化，應根據地質情況選用最為經濟合理的方法。

3.1 造孔工藝

大粒徑地層中采用傳統的泥漿固壁回轉鉆進工藝造孔的難點在于:泥漿漏失，進尺緩慢；孔壁坍塌，重復鉆進；鉆具消耗大，因此工效極低。套管跟進鉆進工藝較好地解決了以上問題。

（1）跟管沖擊回轉鉆進

跟管鉆進施工工藝解決了鉆孔速度、成孔垂直度、探測大顆粒具體位置三個問題。工藝流程:跟管鉆進一注入塑性泥漿或下硬塑管—起拔套管—成孔。

跟管鉆進原理是在風動潛孔錘的下端安裝有偏心式擴孔鉆頭，當鉆機正轉時擴孔器從中心偏離出去，然后與鉆頭同步轉動，潛孔錘在高壓氣流的摧動下往復沖擊鉆進，形成大于套管直徑的鉆孔，套管隨重力下落或被沖擊器壓入鉆孔，鉆孔結束后鉆機反轉，擴孔器縮回與鉆頭同心同徑，然后從套管內提出鉆具。

起拔套管時為防止孔壁坍塌需注入塑性泥漿或下入硬塑管固壁。塑性泥漿是一種比重較大，有一定支撐強度的固壁漿液，分為兩類，一類是采用優質膨潤土加入燒堿、食鹽及塑化劑拌制成的膠質液體，稱為凍膠泥漿;另一類是以水泥粘土按一定配比制成的塑性漿液。硬塑管是一種特殊配料的PVC管材，有一定結構強度，能滿足護壁要求，同時也比較脆，在廠家加工有2-4個橫向條縫帶，高噴時硬塑管被強大的射流擊成碎片對噴射質量不會產生大的影響。

跟管鉆進造孔不僅解決了大顆粒地層中經常發生的孔壁坍塌難以成孔的問題，同時其對付硬巖、孤石的能力特強，有遇硬則強的特點，與普通回轉鉆機相比，工效可提高8-20倍。

跟管鉆進工法較好地解決了鉆孔孔斜的問題，可控制在0.5%以內，主要有以下原因:a.鉆具直徑較大( 89mm)，剛度好，彈性恢復完全，在強力沖擊下鉆桿不會發生彎曲觀象；b.采用擴孔器全斷面鉆進，不會因地層軟硬差別造成大的孔向滑偏；c.鉆進過程間斷多，孔斜偏差延續性較差；d.由于套管底部安裝有導向裝置，利用套管的剛度導向，孔斜率偏差較小。

（2）抽筒造孔技術

在卵石層集中地層可選用抽筒撈取卵石，沖擊套管跟進的的造孔工藝。首先采用跟管鉆進，用 146m打筒開孔，形成導筒，下入 146mm套管，再用127mm抽筒撈取管內之物，小于套管內徑的顆粒直接被抽筒撈出，遇到大卵石用重型沖擊頭沖擊破碎或用小型藥包爆破成小塊，然后在用抽筒撈出，因此特別適用于顆粒直徑小于lOcm，卵石層厚度不大，工程量小，不宜動用大型施工機械的情況。

技術要點:a.為保證孔斜率要求，導筒埋設垂直是重要的環節，有條件時可開挖預埋，長度不小于3.0m；b.鉆之中遇到大塊徑應及時采取措施破碎，不可硬性擊入，以免管靴損壞；c.起拔套管時應注滿固壁泥漿，并隨時補充漿液保持在孔口;因壁泥漿采用彭潤土加外加劑配制，能夠在撥套管后孔壁不塌不縮。

（3）預充填、預壓漿技術

地層儲漿條件的具備是高噴灌漿形成凝結體的前提。為防止漏漿，在造孔過程中首先進行充填灌漿。回轉鉆機由于工藝的要求在鉆進時一旦發生漏漿則必須首先把漏漿通道堵住，否則很難繼續鉆進。過去一般采用投泥球和一些輕質填料的辦法只把鉆孔附近的空隙堵住，一旦射流噴射通道沖開，還會使水泥大量浪費。因此在鉆進過程中研究采用了預充填的辦法能夠有效防止漏漿。其做法:將砂、粘土混合料以一定的方式充填到地層空隙中，或者逐級充填砂石級配料。針對地下水流速快的地層，成孔后的孔壁保護極為困難，采用預壓技術可以把一定范圍內的地層空隙用稠泥漿、砂或砂漿充填，使鉆孔和噴射區受地下水的影響大大減小，達到保護孔壁和防止水泥漿流失的目的。

3.2 高噴灌漿工藝

大粒徑地層高壓噴漿工藝的特點在于利用水泥漿作為能量載體直接噴射地層，保證了射流所作用的范圍內水泥成分擴散均勻；漿液以高壓射流方式進入地層減小了漿液被稀釋的程度，有利于提高結石率，減少浪費和污染。高壓噴漿工藝是大粒徑地層中首選的高噴灌漿工藝措施。

（1）新三管法

新三管法是以水氣漿為介質噴射的工法，是在三管法(水氣漿三介質，漿液低壓注入)的基礎上引進具有國際先進水平的日本系列高壓泥漿泵，在水壓不變的情況下，改低壓注漿為高壓射漿，是目前國內處于領先水平的防滲施工工法。新三管法工藝特點是首先用高壓水切割沖擊原始地層，然后再用高壓漿對地層進行二次噴射。由于水的粘滯性很小，易于進入較小空隙中產生水楔破碎效應，對于沖切摻攪置換細顆粒有較好的作用。高壓射漿對地層的二次噴射不僅增大了噴射半徑，使漿液強制均勻進入被噴射地層，有效噴射距離加大，同時由于漿、水嘴間距較大(水漿射流間距0.5-0.8m)，水對漿的稀釋作用大大減小，使實際灌入的水泥漿量增大，提高了凝結體的結石率及強度。本工藝適合于大粒徑間含較多密實充填物的大粒徑地層。

（2）新二管法

與目前國內流行的以加固軟基為主的二重管法不同，新二管法是在二重管的基礎上發展起來的，具有更高壓力和氣流量，是一種以防滲加固為主，應用領域更為廣泛的工法，在國外應用于卵漂石地層已有許多成功的先例，性能優良的高壓泥漿泵可使射漿壓力達到50MPa。新二管法工藝特點是直接用漿氣噴射原始地層，由于設備性能上的提高，使射漿有足夠的射流強度和比能單獨完成對地層的噴射，由于漿液粘滯度較大，噴出的漿液在地下流動性差，對于處理含豐富地下水的空隙大礫卵漂石地層是合適的工藝方法。

參考文獻

[1]張鈕明，利用高噴灌漿建造防滲體應注意的問題，《內蒙古水利》，2000.

[2]王雷，水電站施工圍堰高壓噴射灌漿防滲技術，《西北水力發電》，2003.