高噴灌漿在遼河堤防基礎加固工程中的應用

郭振明，宋兵偉，高紅艷，張美英

(1.遼寧省水利水電科學研究院，沈陽110003;2.大連市水利規劃設計院，大連116021;3.遼寧騰飛噴泉園林工程有限公司，沈陽110003)

1 工程概況

遼河大堤谷家砂堤段位于遼河下游右岸盤錦市雙臺子區境內，該堤段防滲工程總長度1 000 m，樁號L37∶0+300 ～ L37∶1+300，根據松遼委的批復，盤錦市遼河大堤設計標準為20 a一遇。谷家砂質壩壩體素填土和壩基土部分地段粉土、粉砂層含量較多，表現為標貫擊數較高。素填土和壩基土部分地段存在軟弱夾層，表現為標貫擊數較低。在高水位運行時，上述地段易發生流土破壞，引起堤壩滲漏。盤錦市谷家險工基礎主要為粉細砂，滲透系數較大。局部基礎表層雖為黏土，但室內試驗滲透系數為2.70×10-4cm/s，野外試驗滲透系數為1.42×10-4cm/s，都很大，為中等透水。堤內、堤外均存在不同程度的“天窗”，造成天然相對隔水層缺失，所以，洪水期如河道水位較高，則存在側向滲漏問題，應采取水平或垂直防滲處理。該段大堤堤身現存在鼠洞，為一不良隱患。

因此，為從根本上消除滲透破壞隱患，該段堤防采用二管法高壓噴射灌漿技術進行防滲處理。

2 高噴灌漿設計

2.1 高噴灌漿技術的選擇

高壓噴射灌漿技術是70年代由國外引進的一種先進的基礎處理施工方法。國內已在土木、公路、鐵路、礦山和國防等部門相繼采用。自高噴灌漿技術開發以來，三重管灌漿法(簡稱三管法)成為著重研究的對象，并將該灌漿方法應用于水利工程建設上，且已先后在國內、外完成水庫、排灌站、堤防等四十余處防滲、防沖、防液化、承載、截潛等工程施工及試驗研究工作，并取得了良好的效果。實踐證明這項技術具有施工簡單，效果可靠及不需要開挖即可處理地下隱蔽工程等優點。

三管法是利用高壓水、氣同軸噴射流，沖切破壞土體，再注入低壓水泥漿進行充填，經摻攪混合，升揚置換作用，形成固結體。高壓噴射灌漿發展初期，二管法泥漿泵壓力僅為15～20 MPa，形成旋噴樁直徑不足60 cm，且設備易磨損，使用壽命低，這些缺陷在當時嚴重限制了二管法噴射灌漿的發展。三管法由于可用高壓泵直接壓送清水，機械設備不易磨損，壓力可達40～50 MPa，形成旋噴樁直徑為100～160 cm，比二管法形成固結體要大1～2倍。因此國內幾乎同時開發三管法噴射灌漿。

在此后的十幾年中，三管法在機具設備、制漿、工藝、質量監測等方面得到了不斷發展和完善，并在基礎處理工程施工上得到廣泛應用，為水利、建筑、交通及礦山等部門解決了許多難題。

但是隨著應用領域的不斷深入，發現三管法高噴灌漿存在一些難以克服的缺陷，在許多情況下限制了其運用范圍［1］，主要表現為:

1)三管法高壓噴射灌漿過程中，高壓水射流在切割土體同時，對灌注漿液形成稀釋作用，使固結體的凝結時間變長，強度降低。這對于那些需要在短時間內大幅度提高樁(墻)強度的工程，難于滿足要求。

2)在高壓水射流切割摻攪土體過程中，由于氣流的升揚置換作用，大量漿液排除地面。即不利于節省材料，降低成本，又造成廢漿污染環境，對那些需要清理廢漿工程需額外增加不少費用。

3)三管法設備復雜，而且配套設備數量較多，至使其進、退場搬遷困難，在狹窄場地條件下施工難以機動地隨著處理部位而及時轉移。

在這種背景下，一種節省材料、價格低廉、對環境污染較小的二管灌漿技術在國內興起，其幾乎解決三管法所有技術難題。并已在國內多處工地使用。二管法，即采用高壓泥漿泵裝置，將單一介質的水泥漿外裹同軸壓縮氣從噴嘴噴射出去，沖擊破壞土體，同時借助灌漿管的提升或旋轉，使漿液與塌落下來的土摻攪混合，經過一段時間的凝固，在土中形成固結體。在機具設備方面，目前國產新一代高壓泥漿泵的工作壓力達到50 MPa，具有既能泵送清水又能泵送高密度泥漿功能，泵體結構采用新型耐磨材料，其使用壽命已大幅度提高。且價格也大幅下降。這些優點為普及二管法灌漿技術創造有利的條件。因此本工程選擇二管高壓噴射灌漿技術進行基礎處理。

2.2 工藝原理

遼河堤防防滲加固處理工程選取二管高壓噴射灌漿技術實現。其原理是借助于高壓設備，將水泥漿以高壓射流的方式從噴嘴中噴射出來，同時利用壓縮空氣流將射流出的高壓水泥漿包裹其中，并且沖擊、破壞被灌地層結構，使漿液與被灌地層顆粒摻混，形成符合設計要求的凝結體，借以達到加固地基和防滲的目的。

2.3 施工布置

高噴灌漿孔軸線布置在迎水側堤肩，孔間距為1.4 m，灌漿深度為14.703 m。為確保設計灌漿深度，鉆孔深度比灌漿深度宜超深0.5 m。為保證防滲墻體的厚度，采用擺噴灌漿方式，設計擺角為23°。見圖1。

圖1 堤防橫斷面示意圖

灌漿施工分Ⅱ序進行，即1#，3#……奇數孔為Ⅰ序孔，2#，4#……偶數孔為Ⅱ序孔，分序施工的目的是避免噴射時造成鄰孔塌孔和串漿。設計Ⅰ序孔噴射板墻與軸線成20°，二序孔噴射板墻與軸線成160°，板墻平面呈140°交叉折線型。見圖2。

圖2 防滲板墻平面交接示意圖

2.4 主要設計參數

擺噴灌漿試驗的具體參數值見表1。

表1 擺噴灌漿試驗參數

3 施工方法

本工程設計的高噴灌漿方式為擺噴灌漿，灌漿的施工工藝流程如圖3所示。

圖3 高噴灌漿的施工工藝流程圖

3.1 鉆孔

高噴灌漿工程鉆孔采用XY—2P型鉆機，開孔直徑為108 mm，采用合金鉆頭，回轉鉆進，以膨潤土漿固壁，確保孔壁在24～48 h內不塌孔。

3.2 噴射灌漿

二管高噴灌漿裝置主要設備為高噴臺車、高壓泥漿泵、空壓機;輔助設備為漿材制備系統、介質管路系統及中央控制系統。本次灌漿采用SGP30—5型高噴臺車。

高壓噴射灌漿工序分為定向、下管、試噴、提升、補漿等，然后將高噴臺車遷移至另一待噴孔就位。為避免出現噴射時相鄰孔塌孔，灌漿時根據施工布置，分序進行灌漿。當高噴灌漿結束后，水泥漿經過一段時間沉淀，需進行孔口補漿，直到填滿為止。

3.3 漿液制備

制漿設備包括泥漿攪拌機、灰漿攪拌機各一臺，用于拌和膨潤土漿和水泥漿;利用泥漿泵輸送漿液，漿材制備工藝如下:

3.3.1 膨潤土漿

膨潤土經泥漿攪拌機和水混合攪拌，形成膨潤土漿，輸送至鉆機泥漿泵，供鉆孔護壁使用。本次灌漿膨潤土為錦州市黑山縣生產的優質膨潤土，確保鉆機成孔后24～48 h不塌孔。

3.3.2 水泥漿

本次施工采用純水泥漿作為灌漿材料。水泥漿液配比為1∶0.8(水泥∶水)，所需要的水和水泥用量，先后加入攪拌筒中攪拌，靜止后，用上海生產的泥漿比重計量測漿液比重，達到設計要求后，用高壓泥漿泵輸送到灌漿管中進行噴射灌漿。

4 防滲板墻質量檢查

4.1 開挖檢查

先整體挖去灌漿板墻上部1 m覆蓋層，范圍以圍井墻體中心線向內外各0.5 m。之后用人工進行仔細開挖，開挖深度為墻體頂部以下0.8 m，露出明顯灌漿孔施工墻體。開挖后經檢查，灌漿形成防滲板墻輪廓清晰、墻壁垂直、連續完整、水泥含量高。兩孔板墻連接部位搭接充分、牢固。經量測單個擺噴板墻有效平均長度1.65 m，平均厚度15 cm，搭接處厚35 cm，重復搭接部分長達0.4 m。滿足設計要求，開挖結果圖4。取樣墻體室內試驗28 d抗壓強度為4～6 MPa。滿足設計要求。

圖4 高噴防滲板墻

4.2 圍井試驗

圍井試驗的成果見表2所示。

表2 注水試驗成果表

滲透系數計算根據下面公式:

式中:t為防滲墻平均厚度;L為圍井周長;H為圍井試驗水位至井底的深度;H0為地下水位至井底的深度。

5 結語

盤錦市遼河堤防砂基砂堤段防滲工程，從2006年10月開工，至2007年7月完工，去除冬雨季停工時間，實際工期6個月，構筑防滲板墻長度1 000 m，形成防滲板墻面積14 703 m2。經過開挖及試驗檢查，墻體完整，圍井試驗滲透系數較小。工程竣工至今，經過幾年的運行，從未發生堤防水毀情況，可以看出遼河谷家堤防高噴灌漿防滲處理后，防滲效果較好，達到了預期目的。通過本工程的實踐，也證明了二管高噴灌漿技術的優點，即不受地形限制、易連接穿堤建筑物、節省主材、防滲效果好。

［1］秦世潤.高噴灌漿在高噴防滲墻工程施工中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2010，20(12):192-194.