高壓噴灌漿技術在水閘不均勻沉降處理中的應用

張水珠

（福建京源建設工程有限公司 福建 寧化 365400）

1 工程概述

四孔閘落成于2000年，集排澇、灌溉、供水、養殖等功能于一體，共4孔，單孔凈寬3.6m，設計流量202m3，正常蓄水位2.8m，其上游有長度9.5m的閘室、長度10m的消力池、長度20m的海漫，可控領域面積62km?，其中閘室和消力池都采用漿砌石結構，閘室基礎僅在閘墩位置布置碎石樁，換砂厚度0.5m。四孔閘平面圖見圖1。

水閘工程落成不久，主體結構出現偏斜變形跡象，并開始發生不均勻沉降，擴大趨勢沿兩岸伸展。筆者在表1統計了2010-2014年各閘墩沉降量統計情況：

從上圖中可看出，各閘墩沉降量逐年增加，2014年閘墩沉降量達到35-54cm。其中2#閘墩閘孔的傾斜率為2.31%，已經影響該閘的正常開啟和閉合。閘墩不均勻沉降問題，如果任其發展，可能會出現更大的不均勻沉降，并導致閘門槽變形，到時將嚴重威脅水閘的正常運行。因此要求盡快采用有效的處理措施，以控制水閘的不均勻沉降問題。

圖1 四孔閘平面圖

2 水閘不均勻沉降成因

2.1 閘基承載性能不足

水閘閘基承載力大小，需滿足閘基承載要求，否則會出現地基沉降。

參照《建筑地基處理技術規范》，閘基加固處理之前的碎石樁復合承載力大小的估算，可利用公式：

式中，fspk表示樁基之間土體承載力特征值；

m表示樁基土體面積置換率；

n表示樁基土體的應力比。

估算結果顯示：閘基加固處理之前的碎石樁地基復合承載力為97kPa，小于閘基壓應力平均值255kPa，說明地基的承載力低于閘基的承載力設計標準。筆者就該情況進行詳細調查，發展水閘閘基在施工時，以人工夯擠成樁的方式處理地基，樁基承載性能有先天不足之嫌，為地基不均勻沉降提供便利之道。

2.2 水文地質條件不佳

經勘察，四孔閘閘基從上至下，依次分布厚人工吹填砂層、淤泥層、淤泥質土層、粉質粘土層，各種地基土主要物理力學指標如表2所示。

至于水文，勘察資料顯示閘墩在洪水與潮水的交匯位置，其砂層、淤泥層都有較高透水性，使得閘基地下水位受到洪水、潮水比較大的影響。這些地基土中，淤泥質土層厚度1m～3m，主成分為粉砂和粉土，具有中等的壓縮性，振動時容易出現液化現象，而淤泥層含水量達到40%～60%，且孔隙比、壓縮性、沉降量都比較大，由此削弱了水閘閘基的抗剪、承載能力。

2.3 閘址水流情況復雜

水閘閘址位于涌口河道和灘涂地的交匯位置，該位置水流情況復雜，譬如在閘室底板樁頂粘土褥墊層外海消力池水滲入，降低了褥墊層的力學性能，對施工后期引堤兩側的填土速率也有一定的影響，這些影響因素共同導致了水閘土體力學性能差異較大和水閘主體結構產生較大沉降。

3 水閘加固處理措施

基于四孔閘的工程概況，以及針對水閘不均勻沉降的原因，筆者認為有必要采用高壓噴灌漿技術進行加固施工。

3.1 施工參數

本工程采用高壓噴灌漿技術加固施工，涉及到的施工工藝參數包括：

①高壓水：水壓38MPa～40MPa、水量70L/min。

②壓縮空氣：氣壓0.7MPa、氣量0.8m3/min～1.5m3/min。

表1 2010-2014年各閘墩沉降平均值（單位：cm）

表2 四孔閘閘基地基土物理力學指標

③水泥漿液：漿壓0.5MPa～0.7MPa、漿量70L/min～80L/min。

④提升速度：砂土層12cm/min、砂卵石層9cm/min、基巖層6cm/min。

⑤擺速：為相應提速的0.8～1.0倍。

⑥擺角：35°。

⑦漿液容重：1.65g/cm3～1.7g/cm3。

這些施工工藝參數，是在準確放樣定位的基礎上進行控制的，譬如提升速度的控制，通過每分鐘提升速度和每個孔總噴灌時間的同步控制，進行因地制宜的調整。再如擺角的控制，主要根據旋噴孔的孔序，對角度合理調整，以避免噴灌時出現平行噴射現象。

3.2 施工工序

結合以上參數施工，筆者就施工期間的難點，提煉出關鍵工序的施工方法。

3.2.1 試驗工序

由于高壓噴灌加固，成效與工程地質條件關系密切，在正式鉆孔噴灌之前，筆者認為有必要布置試驗圍井，掌握開挖斷面的滲流點和地質影響情況。試驗圍井在開挖至5m～8m時，發現明顯滲水現象，觀察開挖斷面發現：滲水位置大粒徑卵石數量特別多，平均滲水量達到1.3m3/h，可判定主要滲流點集中在卵石層。從試驗圍井的外觀分析，看出鋪蓋其上粘土連續均勻、砂層均勻平整，但砂卵石層表面平整度比較差，在實際施工時，要因地制宜規避卵石層產生的不良影響。

3.2.2 鉆孔工序

（1）選定標準偏差

在鉆孔時，定位放線的工具選用經緯儀和鋼尺，期間為嚴格控制孔位偏差，縝密測量每個旋噴孔口的孔位后，最終選定±2cm的偏差標準和130mm的孔徑標準。

（2）孔斜率控制

按照該標準一次成孔，但發現孔斜率的精確度不高，于是改用分段鉆取和測量的控制思路：

①每鉆進基巖層內部1m，將巖心取出。

②每鉆進基巖內部5m，用測斜儀測量一次孔斜率。

以這種方法控制孔斜率，盡管施工效率有所削弱，但能夠將孔斜率控制在1%以內，證明效果斐然。

（3）垂直度控制

垂直率也是鉆孔偏差控制重點，考慮到不同鉆孔深度的地質條件有差異，不適合采用同樣的垂直度控制方法。現場分析了地質條件后，確認在粘土層和砂層位置，選用常規鉆孔方式即可，但在遇到卵石層時，需要改用配備導向鉆具的鉆機，并用卡尺輔助測量，有效地避免出現垂直度偏差問題。對于比較難規避的垂直度超標問題，主要采用掃孔糾偏方式。

3.2.3 噴灌漿工序

（1）噴灌漿持續性保持

很多類似的工程經驗證明，噴灌漿中斷容易影響施工效果，甚至誘發施工事故。為保持噴灌漿的持續性，鉆孔后將噴管插入 孔 底 ， 依 次 試 噴 1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3比重的漿液，并依次檢查各孔的回漿情況，最后選定1.7g/cm3比重的漿液，同時以穩定的速度和壓力噴射，在噴漿量達到20%以上后，發現回漿量偏低，嘗試性提升噴射速度和加大噴射壓力，回漿量很快恢復了正常。按照試噴的步驟正式噴灌，基本能夠保持噴灌漿的持續性。

（2）噴射流壓力控制

工程所使用的高壓發生裝置，噴嘴出口孔徑3.0m、流速系數0.963、流量系數0.964，能夠產生的很大能量。為維持漿液射流的高度集中，筆者分析了影響噴射流壓力相關的參數，初選的參數包括：連續射流速度、連續射流功率、噴嘴出口流速、入口流速壓力、水容重、重力加速度、噴嘴流速系數等。按照公式N=A/t（t表示噴射時間；A表示t時間內所做的功；N表示噴射流的功率）分析，確定噴射流壓力與高壓連續射流速度、功率沒有直接關系。經反復試噴，最終選擇 10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa五個噴射流壓力，供以施工時結合實際需求靈活選用。

（3）噴射流量和速度控制

噴射流對土體有破壞影響，破壞力大小，與噴射流介質流量、速度有關。在噴射面積不變的情況下，發現噴射流介質流量和平均速度越大，對土體的破壞作用就越大，需要在噴灌期間，合理控制噴射漿液的流量和速度。

（4）射流破壞控制

噴灌漿液會產生脈沖震蕩破土效應、沖擊力、空蝕現象、攪動作用等，土層疲勞殘余變形逐漸積累，最終使得土粒失去平衡，并從土層上剝離。筆者認為有必要在噴灌漿液時，降低氣流對土粒的吹散影響，帷幕灌漿防滲加固基巖以下部位，增加射流破壞的阻力。

（5）漿液回收

秉著“成本節約”的理念，孔口返出的部分冒漿可凈化回收，噴灌回漿的合理利用，并非針對所有孔口的漿，還需要詳細分析回漿的性質，予以選擇性回用：

①含砂層和卵石砂層的孔口返漿，利用凈化池沉淀回漿粗顆粒，可重新使用。

②粘土層、淤泥層的孔口返漿含有大量泥質、粉細砂等，回漿比重不能反映水泥的含量，不適合回收利用。

③噴灌廢漿直接利用泥漿泵排除至河灘地。

3.3 施工期間出現問題的解決

3.3.1 冒漿處理

噴灌時，漿液粘帶數量眾多的土顆粒從管壁冒出，經現場觀察，發現冒漿量大于灌漿量的20%，初步判斷噴射有效范圍與灌漿量不適應，灌漿量遠遠大于噴灌加固所需的漿量。針對該施工問題，筆者依次采用三個舉措嘗試性解決：

①在保持噴漿量穩定的前提下，適當增大漿液噴射的壓力。

②在保持噴射壓力穩定的前提下，適當縮小噴嘴的孔徑。

③適當加快灌漿旋轉的速度。

以上三個施工舉措，均有效緩解冒漿異?，F象。

3.3.2 凹穴處理

剛開始施工時，噴射加固所用漿液為純水泥漿液，當漿液與土粒攪拌后，凝固期間有明顯析水現象，使得固結體表面出現收縮所致的凹穴，凹穴深度在0.3m～1.0m之間，凹穴會誘發地基不密貼、脫空等現象。為防止凹穴病害的繼續擴大，工程分成兩個步驟施工。在成孔后，進行中壓灌漿，所形成的固結體，不僅含泥量低，而且強度高，能夠有效保證樁身的強度，但前提是嚴格控制好樁徑、泥土置換率、灌漿量等施工參數，在水泥發生收縮離析時，予以及時補漿。

4 結語

（1）工程高壓噴灌漿施工后，水閘地基得以明顯強化。施工效果顯示該施工方法，既不損壞水閘上部結構，在現場施工面積比較狹窄的位置，也不會影響正常施工，具有減振、防止砂土液化、支撐護底、防止基礎沖刷等施工成效。

（2）本工程所用施工技術簡便靈活，而且具有良好耐久性，所選用材料以水泥為主，在摻入少量外加劑后，即可達到速凝、高強、抗凍、耐腐等效果，有利于材料成本的控制。

（3）工程施工安全系數較高。工程所用的高壓水泵、高壓泥漿泵等，都有安全閥門、自動停機、自動泄壓裝置，可避免堵孔而造成的爆炸事故。另外漿液加固樁徑范圍內，基本沒有外泄、振動、沉陷等公害出現。

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