卵礫石含水層高壓旋噴注漿止水帷幕技術

朱明誠，韓 強，趙貴斌，劉玉柱

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.國家能源集團大雁公司，內蒙古 呼倫貝爾 021122)

高壓旋噴施工技術是在靜壓灌漿的基礎上，引進水力采煤技術發展起來的，是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結構和組織，同時灌入水泥漿或復合漿形成凝結體，從而達到加固地基和防滲止水的目的[1]。其原理是用高壓發生裝置使漿液增壓后從噴嘴噴出，沖擊切割土體。當能量大、速度快的噴射流動壓超過土體結構強度時，土粒便從土體上剝落下來，并由返漿帶出地面。其余的土粒與漿液攪拌混合形成固結體[2]。

自20 世紀70 年代高壓旋噴工藝問世以來，得到了迅猛發展，廣泛應用于地基加固、止水、建構筑糾偏等地下工程中。隨著社會的進步，地下空間開發向著大深度方向發展，高壓旋噴技術也在不斷改進[3]，追求大深度、大直徑和更廣闊的地層應用范圍。隨即誕生了RJP、MJS 等許多新型設備和工藝[4]，可適用于更多復雜地層和施工環境。但是到目前為止對于卵礫石含水層中高壓旋噴注漿成樁效果這一問題上仍然處于經驗判斷階段，國內外對于該問題的研究及工程應用也并不多見[5-6]。本文結合RJP 工法在卵礫石含水層中的施工，對其樁徑及樁體抗滲性能進行研究，為類似地層中施工提供經驗及參考。

1 工程概況

我國某露天煤礦為減少礦坑疏排水量，沿礦坑外圍建造一截水帷幕，根據設計文件，帷幕線路呈弧線形布置，共分為14 個施工段，水位設防線標高為+623.5 m，主要采用地下連續墻工藝施工。其中二工段場地內存在3 趟架空高壓線和4 條地埋光纜等障礙物，大型成槽設備無法進行施工，因此，設計采用高壓旋噴注漿工法避開高壓線和地埋光纜布置引孔，并對+623.5 m 以下的卵礫石含水層進行旋噴施工，樁間相互搭接形成截水帷幕，施工區域如圖1 所示。

圖1 高壓旋噴施工區域平面分布Fig.1 Plane of high-pressure rotary jet construction area

根據勘察鉆孔揭露的地層情況可知：二工段地層由上至下為：表土層，黃色砂土、亞砂土，顆粒均勻；細砂層，含礫黏土，致密，塑性強并含有少量砂粒；卵礫石層，分選性差，礫徑多為3～5 cm，呈圓至次棱角狀，含泥質成分較多。

卵礫石層為主要含水層，富水性強。高壓旋噴注漿段從卵礫石層下部泥巖1 m 開始，邊旋噴邊提升至水位設防線。二工段地層剖面如圖2 所示。

圖2 二工段地層剖面Fig.2 Stratigraphic profile of the second section

2 高壓旋噴注漿工藝

高壓旋噴注漿法主要分為引孔和旋噴2 道工序。先利用工程鉆機進行引孔；成孔后將注漿管及噴頭送至設計深度，通過高壓泵使水泥漿液加壓后，從特制的噴嘴中高速噴射出來，形成高速射流，邊旋轉邊提升，對某一區間的地下土體結構進行連續性高強度切割破壞、混合攪拌、升揚置換、滲透固結、壓密等作用[7]，從而在地下形成一定影響范圍和形狀的固結體。

2.1 理論樁體結構

高壓旋噴注漿法可置換原狀土的部分顆粒，其余土體顆粒在噴射流、離心力和重力等共同作用下[8]，形成具有分層結構的旋噴樁。一般情況下，樁體中心水泥漿含量最高，結構較致密；越往外粗顆粒含量越多，在樁外邊緣大量的粗顆粒和水泥漿液混合形成表面粗糙的硬殼[9]；樁體外水泥漿滲入周圍土層形成漿液滲透區，樁體內部結構如圖3 所示。因此，理論上來說，樁體中心粗顆粒含量較少，邊緣粗顆粒含量較多，樁體周圍的漿液滲透區會存在少量漿液。

2.2 RJP 工法原理及特點

RJP工法是近年來日本開發的雙高壓旋噴施工工藝，采用的是三重管構造，高壓水、壓縮空氣、超高壓水泥流體3點獨立噴射，比傳統工藝切削能力提高10%左右[10]。另外，在噴體上有2個噴射口，上段為超高壓水噴射，可產生一定空間，使排泥更順暢，并有內部壓力釋放的效果；下段為超高壓漿液噴射和空氣噴射流，可進一步對加固土層進行切削、攪拌，形成大直徑加固體。

圖3 旋噴固結體內部結構Fig.3 Internal structure of rotary jet consolidation body

RJP工法施工設備較小，可通過調整噴體的旋轉角度及速度來實現圓形、半圓形等多種形狀的加固體，一直被作為特殊場地施工的首選工藝。旋噴樁樁徑與地層的密實度有關，密實度越大成樁越困難，一般在標準貫入擊數N≤30 的砂性地基中，RJP工法的加固直徑可達2.0～3.5 m[11]。

3 試樁方案

根據設計文件要求帷幕墻體厚度不小于0.5 m，為減少樁體浪費，設置旋轉角度為0°～180°，形成半圓形的旋噴樁體，引孔孔徑250 mm，樁徑2 m，樁間搭接0.5 m，如圖4 所示。

圖4 旋噴樁截面形狀Fig.4 Section shape of rotary jet grouting pile

試樁由孔底旋噴至距地表1 m 停止，方案共分為3 個環節：①在試樁1 區布置2 個試樁點，采用不同的經驗參數進行施工，通過取心驗證選取合理的施工參數；② 檢驗1 區試樁效果后，選取合理的施工參數在試樁2 區進行試樁，評價地層變化后旋噴樁的成樁效果；③在試樁1 區試樁點處施工圍井，通過抽水試驗檢驗旋噴樁帷幕的止水效果。

試樁1 區施工1-1 和1-2 這2 個試樁，分別采用的是在砂層中成樁樁徑為2 m 和2.5 m 時的經驗參數[12-14]，詳見表1。

表1 RJP 工法半圓樁試樁參數Table 1 Parameters of semi-circular pile test of RJP construction method

4 試樁施工與結果

4.1 引孔護壁

根據鉆孔施工情況，卵礫石層中鉆孔穩定性較差，一般成孔超過12 h 后，孔壁坍塌的可能性很大。成孔后隨即進行旋噴施工，由于該地層上部砂層非常不穩定，在高壓旋噴施工時，為防止引孔縮頸、坍塌，鉆孔采用泥漿護壁，并考慮下入硬PVC 套管以及鋼套管跟管旋噴等應急措施[15]。

試樁結果表明，在旋噴注漿施工中，直接采用膨潤土泥漿或在膨潤土泥漿中加入一定量鋸末(漏漿嚴重段)護壁，可保證引孔不縮頸、不塌孔；且護壁泥漿可被返漿置換，不會對成樁效果造成影響。

4.2 取心結果分析

試樁卵礫石層段典型取心照片如圖5 所示。其中A 為距樁心最近的巖心(核心區)，B 為距樁心較遠的巖心(中細顆粒拌合區)，C 為距樁心最遠的巖心(粗顆粒拌合區)。取心結果表明，試樁結構與旋噴樁理論結構基本一致，樁體外緣巖心含砂量小，卵礫石粗顆粒較多，樁心附近巖心含砂量大，細顆粒較多[9]，據各分層結構厚度，可判斷卵礫石層高壓旋噴樁的大概樁徑。

a.試樁1 區 試樁1 區采用重型動力觸探測試卵礫石層的錘擊數N為9.4 擊，密實度稍密。試樁結束后第4 天采用?75 mm 的巖心管對試樁進行取心[16]，結果見表2。

圖5 試樁取心結果Fig.5 Coring results of test piles

由表2 可知，1-1 號樁砂層樁徑大于等于2 m，卵礫石層中距離樁心約0.8 m 處為粗顆粒攪拌區外殼，距離樁心約0.9 m 處為漿液滲透區，因此，卵礫石層樁徑約1.7 m。

1-2 號樁砂層樁徑大于等于2.6 m，卵礫石層中距離樁心約1 m 處為粗顆粒攪拌區外殼，距離樁心約1.2 m 處為漿液滲透區，卵礫石層樁徑約2.2 m。

可見，砂層中RJP 成樁樁徑與經驗值一致，卵礫石層中RJP 成樁樁徑比經驗值小12%～16%。

試樁1 區檢驗結果表明，1-2 試樁在卵礫石含水層中成樁樁徑可達到設計要求，因此，在試樁2 區采用1-2 試樁的工藝參數再進行試樁。

b.試樁2 區 試樁2 區卵礫石層錘擊數N為9.7 擊，密實度稍密。采用1-2 樁的施工參數進行試樁施工，施工結束后第4 天對試樁進行取心，結果見表3。

表2 試樁1 區取心結果Table 2 Coring results of pile 1

表3 試樁2 區取心結果Table 3 Coring results of pile 2

由表3 可知，2 區試樁砂層樁徑大于等于2.6 m，卵礫石層中距離樁心約1 m 處為粗顆粒攪拌區外殼，距離樁心約1.05 m 處為漿液滲透區，推斷樁徑約2 m。

同樣的施工參數下，2 區卵礫石層中的樁徑比1-2 樁小約20 cm。2 處試樁的地層條件相同，N值非常接近，但含砂量存在明顯差異，因此，對卵礫石進行篩分對比[17]，分析含砂量對2 處試樁樁徑的影響，詳見表4 和圖6。

由篩分結果可知試樁1 區和2 區中卵礫石層粒徑大小基本一致，2 區中粒徑大于50 mm 的卵礫石含量略小于1 區，但2 區中粒徑小于2 mm 的中粗砂顆粒含量遠小于1 區。這表明含砂量的大小會影響到成樁樁徑，當含砂量越小時，樁徑較小。

4.3 圍井試驗

試樁試驗結束后，在試樁1 區補噴4 根樁，形成封閉圍井，在圍井內施工抽水孔 CS1，如圖7 所示。

鉆孔完孔7 d 后，先對CS1 孔進行2 次抽水，其結果基本一致，水位埋深由初始15.9 m 下降到20.5 m，降深4.6 m；水量由3.5 m3/h 迅速減少，無法持續抽水。分析原因認為，圍井規格較小，加之墻體滲透性微弱，圍井接收外側補給極慢，在泵量較大的條件下難以實現穩定流抽水。

因此，再次采用定水頭注水試驗進行分析。注水試驗歷時260 min，注水前測得圍井內初始水位埋深為15.95 m，然后向下入孔內的PVC 細管內注水，使水位上升至樁頂處，埋深12.5 m；根據萬用表反饋的埋深變化實時向細管中緩慢注水，使井內液面持續穩定在12.5 m，經多次測量，獲得穩定注水量約0.015 m3/h。

表4 卵礫石篩分結果Table 4 Gravel screening results

圖6 卵礫石級配曲線Fig.6 Gravel grading curve

圖7 圍井布置平面Fig.7 Layout of surrounding well

根據水均衡原理與達西定律得到：

式中：K為滲透系數，m/d；Q為抽(注)水量，m3/h；M為墻體平均厚度，m；L為圍井四邊周長，m；h為過水段高度，m；ΔH為墻內外水頭差，m。

由式(1)計算得出K=9.2×10-7cm/s，旋噴樁圍井墻體的滲透性級別為極微透水[18]，達到帷幕截水的技術要求。

5 結論

a.卵礫石層中高壓旋噴樁樁徑比砂層中的經驗值小12%～16%。

b.卵礫石層中成樁效果與含砂量有關，卵礫石粒徑大小相同，但含砂量大的地層，成樁效果較好，樁徑稍大。

c.超高壓旋噴注漿技術在含水卵礫石層中，可形成質量可靠、抗滲性能好的加固體，加固直徑可達2 m，滲透系數接近于10-7cm/s 級別，現場帷幕截水效果良好。

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