美國陸軍工程兵團灌漿技術標準解析

陳 秉 政， 鄧 樹 密， 廖 聰

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

美國陸軍工程兵團為美國主要的水利機構之一, 屬陸軍部管轄。其前身為 1775 年任命的、為陸軍總工程師處理軍隊建設和防御工事的機構。1802年，美國陸軍工程兵團正式成立為紐約西點軍校的工程班，直至1866 年才成為一個一般的軍事院校。1824 年，美國議會授權美國陸軍工程兵團負責航道整治及其相鄰濕地的維護，航道治理包括建設閘壩、疏浚、護岸及航運工程管理等，以保證密西西比河尤其是上游河段常年通航，有力地促進了沿岸的經濟發展。筆者介紹了美國陸軍工程兵團灌漿技術標準。

2 灌漿設計階段

2.1 一般原則

本技術標準認為，灌漿的需求應該在工程設計階段就考慮到，減少滲漏對結構造成的不利影響是灌漿最重要的作用。灌漿的同時提供了深入探索不利因素的可能性。如果基礎的滲漏對結構建筑物沒有影響，那么，深孔的帷幕灌漿是沒有必要的。

灌漿設計階段應考慮地質因素。灌漿方案應基于對地質情況研究調查階段的信息。灌漿方案的設計不應該套預定的公式，但是，當手上有地質背景的前提下應該運用公式進行灌漿設計。地質資料從灌漿的初步規劃階段到完成和評估階段都是需要的。

灌漿在設計階段還要考慮灌漿需要達到的目的。灌漿的實施計劃和技術不僅受地下情況影響，還要受灌漿工程的目的和目標影響。灌漿工程針對的是永久性、還是臨時性工程，應該考慮到是否需要嚴格按照設計要求，還是可以適當減少標準呢？是盡最大可能保證漿液擴散的范圍或盡量使擴散范圍在一定范圍內或將其限制在非常小的范圍內？這些都是在灌漿正式實施前需要考慮的。成本是另一個因素，對排水成本的控制是灌漿成本的上限。因此，灌漿的目標必須很清楚，以便設計師、地質學家、工程師和監理工程師能理解并將其付諸于實踐，陸軍工程兵團就是基于這些方面因素進行灌漿設計的。

2.2 主要技術參數的選取

2.2.1 鉆孔直徑的選擇

鉆孔直徑的選擇是根據孔的型式和需要灌漿巖石的條件以及孔的深度和傾斜度確定的。灌漿孔一般按照滿足要求的最小孔徑確定最小孔徑，一般為38～76 mm。除了有些需要使用沖擊鉆進的地方，一般選擇滿足要求的最小孔徑，從而使鉆進成本為最低。

本規范中最小孔徑的選擇需要考慮巖石的切削面積，堅硬的巖石需要較大的面積。巖石的形狀也需要考慮進去：(1)巖層的走向；(2)斷層中含有松散的物質；(3)沒有填充物的裂縫和有填充物的裂縫。對于孔徑較大的可以考慮在斷層、裂縫(隙)和節理發育的位置，以便于較大直徑的鉆孔有足夠的空間插入沖洗管路對裂縫進行有效的沖洗。

2.2.2 灌漿孔間的排距

本規范認為：間排距和灌漿形式取決于地質條件以及期望能達到的預期結果。間排距受巖層性質的影響(這是帷幕灌漿的先決條件)，并從靜水頭到目標深度點。先導孔的間距較大，能夠保證灌漿不容易發生竄漿。根據經驗，一序孔的間距一般在10～40英尺(1英尺=30.48 cm)之間，加密孔的間距為5～10英尺，以便于帷幕的形成。然而，在具體的實施過程中，灌漿孔不容易達到預期的準確間排距，最終孔的間距要根據灌漿效果而定。我們的理解就是灌漿孔的間排距是不固定的，應視灌漿取得的最終效果而定，帷幕灌漿的孔在間距減小到最小時也要考慮到灌漿注入量，帷幕灌漿相鄰孔中心的間距可以小到1英尺。

2.2.3 灌漿深度

本規范認為：灌漿孔的深度要根據基巖的條件確定，帷幕灌漿的目的是為了減少水頭，降低庫區滲漏量。帷幕灌漿孔的深度應滿足最少的滲漏量，協助減少壩體揚壓力以及大規模的排水設備，在這一點上，其與國內規范基本上是一致的。

2.3 灌漿材料的選擇

根據本標準，灌漿使用的基本原料主要有硅酸鹽水泥和火山灰水泥兩大類。硅酸鹽水泥作為最普遍應用的水泥，其類型具有多樣性。因此，在使用硅酸鹽水泥用作灌漿之前，應先確定使用何種類型的硅酸鹽水泥。用于灌漿的水泥類型劃分及適用條件如下：

(1)Ⅰ型硅酸鹽水泥。Ⅰ型被認為是通用水泥，其在絕大多數的灌漿中被應用，但其不具備其他類型水泥的特殊性能。

(2)Ⅱ型硅酸鹽水泥。Ⅱ型可以抵抗中等程度的硫酸鹽侵蝕，與Ⅰ型相比，其水化熱速率更為緩慢。

(3)Ⅲ型硅酸鹽水泥。Ⅲ型具有高早強(通常指兩周及以內達到高強度)特性，通常在緊急加固和搶險的情況下被使用。另外，由于其顆粒直徑小于其它類型的水泥，因此有時被指定用作細微裂縫的灌漿。

(4)Ⅳ型硅酸鹽水泥。Ⅳ型在水化作用中產生的熱量比Ⅱ型更少。其發展強度的速度比Ⅰ型更緩慢。當水化熱溫度高到令人難以忍受時，它被用作大量的填充型灌漿。

(5)Ⅴ型硅酸鹽水泥。當灌漿遭受嚴重的硫酸鹽侵蝕時，可以使用Ⅴ型硅酸鹽水泥。當土壤或地下水中含有高濃度硫酸鹽成分時，主要使用Ⅴ型硅酸鹽水泥。

(6)加氣硅酸鹽水泥分為ⅠA、ⅡA、ⅢA型，這些類型分別對應于Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型硅酸鹽水泥。這些水泥含有少量的引氣材料，很少在灌漿中使用，除非灌漿在遭到嚴重的凍融情況下才考慮使用它們。

3 灌漿設備的選擇

3.1 鉆 機

陸軍工程兵團認為：在選擇鉆機時,應考慮設備使用位置、鉆孔灌漿的工作地點等。通常，鉆機類型分為沖擊鉆機和回轉鉆機。一般來說,沖擊鉆機用于深度較淺的灌漿孔以及用于較堅硬的巖石爆破孔鉆進。回轉鉆機則根據鉆頭類型和鉆機型號大小可適用于各種地質條件和孔深，小型鉆機可以鉆幾百米深的孔，大型鉆機則可達到數千米深。鉆頭類型通常分為金剛石鉆頭、硬質合金鉆頭(球齒型鉆頭、滾齒型鉆頭以及其它形式的鉆頭)。

3.2 灌漿泵

不同種類的灌漿泵具有不同的尺寸和輸送壓力，它們可以由空氣、汽油或電力驅動。電動機或內燃機泵的速度恒定，空氣驅動的泵具有不同的速度和壓力，因此，在灌漿作業中更為廣泛地應用。

3.3 水泥攪拌機

在選擇水泥漿攪拌機時需要考慮的第一點因素是確保其有足夠的容量，并且能在規定的時間內攪拌出同一配合比的混合漿液。一般分為桶式攪拌機、噴射混合機、壓縮空氣攪拌機。桶式攪拌機具有各種容量和各種葉片設計，是最常用的類型；噴射混合機主要在于其可以在制漿過程中實時計量和檢測漿液參數并對水泥和水量進行及時改進和調整，但攪拌效率要低于大部分的攪拌系統，有時常常會使水泥漿液凝固，所以，該機型不適合大容量的儲存器；壓縮空氣攪拌機主要用于精確配料和攪拌。

3.4 封閉器

封閉器常常是在壓力灌漿中用來限制水泥漿液流量大小的，以確保灌漿基礎區域漿液的有效擴散范圍，防止漿液溢出到不需要灌注的段次，陸軍工程兵團最常用的封閉器有三種：(1)可移動式環形皮質封閉器。這種封閉器最適用于在堅硬巖層中的套管鉆進以及孔壁相對比較光滑和孔口尺寸相對合適的鉆孔當中；(2)機械式封閉器。這種封閉器是可以膨脹的，其廣泛應用于各種巖石地層；(3)充氣式封閉器。充氣式封閉器由于其可以膨脹而常用于孔徑過大的孔內，非常適合用于軟弱、破碎的巖層中。

4 灌漿施工工藝

4.1 鉆孔及壓水

根據本技術標準，灌漿孔可以使用沖擊式或回轉式鉆機進行鉆進,具體類型的選擇以滿足現場實際生產需要并適應各方面條件為準。鉆孔完成后，不必對每個灌漿孔進行裂隙清洗，但每個孔必須進行壓水試驗，壓力值由現場工程師確定，通過每段壓水試驗的呂榮值(Lu)選擇開灌水灰比。

4.2 灌漿方式與方法

本標準對灌注方式、方法并無特殊要求，采用純壓式還是循環式、自下而上或自上而下的方法可由承包商自行選擇。

4.3 灌漿水灰比及灌注段長的劃分

本規范提倡灌漿施工以灌注濃漿為主，水灰比均建議只采用2∶1、1∶1、0.6∶1等三個比級。段長的劃分：第Ⅰ序孔一般為6～8 m，第Ⅱ、Ⅲ序孔則根據前序孔灌漿情況進行調整，最大段長超過10 m。另外，本標準中沒有接觸段的說法，與下部基巖灌漿段基本一致進行劃分。

4.4 漿液變換的原則

本規范要求在整個灌漿過程中要多灌注濃漿，從而不使漿液無限制的擴散而浪費水泥，故每級漿液都有一個灌漿量的要求且衡量指標為水泥干料消耗量，對于這一點而言是與國內規范不一樣的。比如，當水灰比為2∶1的漿液灌注水泥干料消耗量累計達到100 kg時變換成水灰比為1∶1的漿液；在該比級漿液下灌注時，當水泥消耗量達到400 kg時變換成 0.6∶1的漿液，最終直至灌漿結束。

4.5 灌漿壓力的控制

本規范要求采用濃漿、高壓灌注并且盡快提升到設計壓力。而國內規范則要求分級升壓，特別是采用高壓力灌注時，絕對不允許一次性升壓到設計壓力，因為這樣實施導致巖石抬動的風險會更大。而國外規范提倡濃漿、壓力選擇不會太高。他們認為：采用稠度很大的漿液灌注可以避免或大大降低地層發生抬動可能性的發生，因此而提倡盡快升壓但又不允許超過巖石臨界壓力。他們認為：超出巖石臨界壓力進而將巖石劈裂進行灌漿是不必要的，甚至很危險。因此，一般情況下確定的壓力不會太高。通常，灌漿的最大壓力不會超過2 MPa，最大不會超過3 MPa。

4.6 結束標準

該規范規定：在達到設計壓力、注入率不大于1 L/min的條件下，持續灌注15 min即可結束灌漿，這一點與國內規范相比也是有較大差別的，國內規范規定：結束標準需要根據所采用的灌漿方式、方法確定。

4.7 質量檢查

根據本規范要求，灌漿質量評定通過最后一個次序孔的單耗和壓水試驗呂榮值進行綜合分析評判。對于地質條件差、巖石破碎、存在較大裂隙的孔(段) ，如果最后一序孔的吸漿量相對于其它巖層較好孔(段)要高得多，則還需要在這些孔(段)周圍再增加一個次序的加密灌漿孔進行補強灌注，以保證這些部位灌漿取得較好的效果。加密灌注完成后，則根據灌漿資料統計和成果繪制各類曲線進行對比分析，以此來判定灌漿質量是否合格，這與國內規范中的質量檢查也是不同的。

5 數據記錄與整理

本規范要求灌漿工程的數據記錄與整理包括以下內容：灌漿記錄、鉆孔記錄、裂隙沖洗和壓水試驗記錄、灌漿孔平面布置圖、地質剖面圖、壓水試驗剖面圖、灌漿耗量剖面圖、灌漿孔測斜成果剖面圖。本規范要求注重灌漿前的策劃(包括灌漿參數設計)和灌漿過程的控制，如果前期策劃分析正確、過程控制到位，最終就能達到預期的灌漿目標。

6 結 語

筆者對美國陸軍工程兵團灌漿手冊(規范)中的重點章節進行了原文翻譯引用，并與國內現行灌漿規范進行了比較，得出的結論為美國灌漿規范對灌漿參數及施工工藝選擇比較靈活，不像國內規范那樣有嚴格的限制和規定，這對于采用美國灌漿技術規范的灌漿工程項目有一定的好處。在施工中可以根據實際情況靈活調整帷幕灌漿參數和施工工藝，使其更具有適應性。但該規范也有使用的具體環境和條件，要將該規范中的內容要求應用到國內水電灌漿工程中還需要做大量的研究分析以及驗證試驗工作。雖然目前其在國內施工中存在較大爭議，但因其操作和執行起來非常簡單，相對于國內灌漿規范在某些方面寬松得多，利于控制成本，提高工效，縮短施工工期。筆者相信：通過不斷深入進行研究比較，在不久的將來，還是有機會將兩者融合起來的。