砂土地基高壓擺噴防滲墻灌漿研究

王定柱 （東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

1 工程概述

國內某大型蓄能電站下水庫攔砂壩上游臨時施工圍堰的主要目的是攔截河水，使上游水流經泄洪排沙洞泄流，保證攔砂壩施工期干地施工條件。圍堰防滲底部高程為1040m，采用懸掛式高壓擺噴防滲墻，防滲軸線總長454m。

通過試驗，驗證攔砂壩圍堰軸線的地質條件，確定高壓擺噴防滲墻適用于攔砂壩圍堰防滲；通過試驗確定高壓擺噴的施工參數。

2 試驗場地

結合現場施工條件及施工計劃，本次試驗選擇部位在攔砂壩上游圍堰右岸，離右岸便道約80m位置，現場布置試驗圍井3個，其中圍井1、2為懸掛式圍井，采用高壓擺噴封底，底部高程1039m，圍井3施工至基巖，試驗圍井位置在圍堰防滲軸線上游側。

3 試驗內容

試驗主要內容為按預定參數完成圍井施工，7天后進行圍井開挖，對現場圍井搭接寬度、墻體厚度進行檢測，對圍井進行注水試驗確定圍井滲透系數情況。

4 試驗設備

試驗施工機具為：MGL-150引孔鉆機及高噴臺車1臺套，XYD-200型地質取芯鉆機。

5 高壓擺噴防滲墻施工技術措施

5.1 高壓擺噴灌漿加固原理

為確保高壓擺噴順利實施，本工程擬采用三重管高壓擺噴施工工藝。三重管高壓擺噴樁施工就是利用已經完成的鉆孔，利用高噴臺車下噴射管至設計處理的深度后，開始送水、送漿、送氣。水、漿、氣三種材料，通過安裝在鉆桿桿底端的特殊噴嘴，向周圍地層中高壓噴射出固化漿液。同時鉆，高壓漿液噴射過程中，鉆桿均勻以固定的速度提升和固定的角度邊擺，噴嘴射出高壓射流，使一定范圍內的地層結構被破壞，并使破壞的底層強制與固化漿液混合在一起，混合料凝固后，就在土體中形成具有一定強度和形狀的固結體。

5.2 高壓擺噴防滲墻施工方法

5.2.1 防滲墻設計技術參數

圍堰防滲采用高壓擺噴防滲墻防滲形式，高噴防滲墻在圍堰填筑至1055m高程后進行高壓擺噴防滲墻施工。防滲墻采用單排樁設計，對接連接方式，采用三管法施工，噴嘴擺動角度不小于30°。孔間距1.0m～1.5m，墻體抗壓強度大于5.0MPa。

5.2.2 施工原材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其質量符合國標的規定。各種原材料必須出具廠家的出廠合格證、實驗報告、使用說明書等。水灰比一般為1:1。水質要求達到飲用水標準。

噴漿施工用水泥漿液存放時間：當環境氣溫低于10℃時，存放時間不超過5h；當環境氣溫高于10℃時，存放時間不超過3h；當漿液存放時間超過允許的時間間隔時，制備好的漿液按廢漿處理。

漿液的性能要求進行漿液配合比實驗。漿液配合比實驗測試的主要內容包括：漿液拌制時間、漿液流動性、漿液密度、漿液的沉淀速度、漿液的凝結時間(初凝和終凝)、沉淀穩定性、漿液固結體密度、漿液強度、漿液彈性模量和透水性等。

5.2.3 高壓擺噴灌漿工藝技術參數

①放點位置準確，經復核后才能開始正式施工?？字行脑试S偏差為±50mm。

②鉆孔施工的偏斜率不大于1%。

③高壓擺噴防滲墻分二序施工，Ⅰ、Ⅱ序孔的作業間隔大于72h。

④鉆機成孔的護壁泥漿通過實驗確定，合格的泥漿要求在使用過程中在孔內不能固化，在10d內仍然能保證高壓擺噴鉆桿能順利插入孔底。同時，要求泥漿在孔隙內能夠基本保證穩定，不產生流動，泥漿的PH值控制在8～10，比重1.05～1.15之間。

⑤制備漿液使用的水泥應經復檢合格。水泥經過篩后才能放入制漿桶，攪漿時間不少于130s。水泥漿液使用前進行嚴格的過濾，防止粗顆粒噴射作業時堵塞噴嘴。

⑥高壓擺噴施工過程中，水泥漿液的進漿比重和回漿比重要經常測試。當漿液的比重與設計的水灰比漿液的比重偏差超過0.1時，擺噴施工要立即停止，查找原因，重新調整漿液的水灰比，使漿液的比重符合要求。

⑦因故停止施工而重新恢復施工之前，首先將噴頭向下放35cm左右，采取重疊搭接處理上下層搭接面，然后按原來施工參數，繼續向上提升噴頭和漿液噴射，同時將中斷深度和中斷時間記錄清楚。如果停機超過3h時，需對輸漿系統及泵體進行全面清洗，待故障排除后才允許繼續作業。

⑧水泥漿液隨配隨用，并在高壓擺噴作業時不停地攪拌。

⑨高壓噴射注漿施工采用至下而上噴射注漿的施工工藝，如果噴射管采用分段提升的施工方法，要求每次噴射搭接的長度在100mm及以上，相鄰樁搭接長度大于300mm。高壓噴射注漿設備的額定注漿壓力和額定注漿量要滿足施工需要，施工過程中要確保輸漿管路系統的密封和暢通。水、風、漿液均要求連續地輸送，高壓噴射作業過程中，水泥漿液的供應不得停止或中斷。

⑩高壓擺噴施工參數選擇：施工機具試運轉時，高壓水泵的泵壓力保持在35MPa～40MPa左右，供風設備空壓機的風壓保持在0.7MPa，注漿泵的泵壓保持在1.5MPa，擺動角度控制在30°噴射。提升速度為10cm/min左右，擺速為提升速度的0.8～1.0倍。具體參數需進行現場實驗后確定。

5.2.4 高壓擺噴施工流程

測量放樣→鉆機就位→造孔→調試水、風、漿壓→噴射注漿(一次注漿、二次注漿)→終噴靜壓注漿→終孔。

5.2.5 高壓擺噴施工技術

①鉆機的到位

鉆孔開始前，先將鉆機放置在設計的孔位，就位時要保證鉆桿鉆頭對準孔位的中心。鉆機就位以后，首先需要用水平尺校正機身的位置，要求鉆桿的軸線與鉆孔中心位置對準、垂直，確保鉆孔到底時的垂直度符合設計要求。鉆孔開孔位置的偏差小于等于5cm。

②鉆機鉆進施工

鉆孔采用預成孔的施工方法。成孔設備采用XY-2PC型的鉆機，護壁采用泥漿。當地質條件差，成孔困難需采用套管或跟管的施工方法鉆進時，套管在起拔前，先要向鉆孔內注滿滿足護壁要求的泥漿。

③插管

采用地質鉆機鉆孔完畢，將鉆桿拔出并取出鉆具，換上噴管以后重新插入預定開始噴射的深度。插管施工過程中，要注意防止泥沙堵塞鉆桿的噴嘴，采取的防護措施有：a.噴嘴處包扎塑料膜或膠布防護；b.邊下管邊低壓送水、氣，因壓力過大容易造成孔壁被射塌，所以要求水壓小于1MPa。

④漿液制備

漿液制備原材料選用P.O42.5的普通硅酸鹽水泥、符合引用標準的干凈水。

根據噴嘴直徑，水泥漿液需經過兩道過濾裝置過濾后才允許使用。第一道過濾網設置在水泥漿液攪拌罐和泥漿泵之間，第二道過濾網設置在泥漿吸漿管尾部。

⑤噴射

臺車布置到位：根據施工安排，首先將高壓注漿噴射臺車移動到要噴射施工的位置，要求噴射管與孔位對準、垂直。

噴射管安裝至設計孔深以后，首先泵入符合施工要求的水、氣、漿液，靜噴1min～3min待靜噴灌入的漿液從孔口冒出以后，然后才能按提前選定的擺動速度和角度，從下到上進行噴射作業，噴射施工連續進行，噴射要求到達設計高度以后，才能停止送水、氣、漿液，并拔出噴射管。噴射過程中，要時刻不停地檢查漿液的流量、壓力、氣量及旋轉速度等參數，看是否符合施工技術要求。隨著施工的進行及時做好施工記錄并繪制好作業過程曲線圖。

高壓擺噴注漿施工過程中，如果冒漿量小于注漿量的20%時，施工正常；如果冒漿量大于20%或沒有返漿，則應當采取如下措施：

a.如引起不冒漿的原因是地層中有較大的孔隙時，則先在孔隙段加大注漿量填滿孔隙，然后再繼續進行噴射；

b.如果冒漿量大于20%時，可以采取提高噴射壓力或適當縮小噴嘴孔徑、提高擺動速度和提升速度的措施，減少孔口的冒漿量。

施工過程中排出的廢漿要求經過鉆孔排漿溝排入提前準備的泥漿坑。高壓擺噴噴射工作完成以后，如孔內漿液液面有下沉現象時，應立即向孔內補注漿液，防止漿液產生收縮。

⑥設備沖洗

當高壓噴射完畢，噴射管提升到設計標高以后，立即將各種管路和設備沖洗干凈，管內、設備內均不能殘留水泥漿液而堵塞管道和設備。沖洗完成后，把漿液換成清水在地面上噴射，把注漿泵噴射管內的殘留漿液全部排放出來，結束的標準是噴射出清水。

⑦充填灌漿

噴射結束后，如果漿液出現凝固析水、凝結體頂部出現凹陷等質量問題，要立即采取措施，向噴射孔內靜壓充填灌注水泥漿液，直到孔口液面不再下沉而停止施工。

⑧鉆機移位

高壓噴射注漿完成以后，立即組織人員將鉆孔設備和管路移到新的孔位，進行下一孔鉆孔注漿施工。

5.2.6 施工質量控制及效果

①擺噴防滲墻體漿液噴射施工過程中，如因停電、堵管、噴嘴堵塞等非正常情況造成灌漿施工中斷時，要采取措施盡快處理故障，故障排除后要搭接噴0.5m～1.0m，否則，考慮補孔。

②如遇破碎的地質條件的地層，灌漿過程中孔口出現不返漿的現象時，則可以采取增大泵漿量的措施；也可以采取注入水泥粘土漿，直到回填至孔口返漿正常時開始噴射。

③鉆孔偏斜率控制：要求孔斜小于1%。鉆孔完成后，立即用測斜設備對注漿孔進行孔斜測斜，測量完成后要做好孔斜記錄。施工過程中，根據孔序、孔斜和孔深合理地調整噴頭的提升速度。如鉆孔的孔斜大于1%時，則應當采取降低提升速度、擴大樁徑或另外增加附加樁的辦法解決問題。

6 試驗結果

6.1 地質情況

根據圍井1～3鉆孔施工情況分析，攔砂壩軸線心墻地質情況自1047m以下底層，依次為0m～9m為淤泥質粉土，9m～11m 為含沙砂礫石，11m～20m 為砂礫石層，局部有粉砂，20m～26m為沙卵石層，26m以下為卵石層。從現場鉆孔情況看，淤泥質粉土從地表至1038m分布均勻，適宜高壓擺噴施工。

6.2 試驗情況

6.2.1 基本情況

下庫攔砂壩圍堰防滲墻試驗，施工時段為2015年7月～8月，采用三管法施工，試驗方式為圍井試驗，現場試驗布置圍井1.0，1.2，1.4m 間距圍井三個，其中1.0m、1.2m試驗圍井深度8m，擺噴封底，圍井3深度至基巖，現場施工深度32m。

6.2.2 高噴試驗施工參數

高壓噴射試驗擬定試驗參數見表1。

擬定試驗參數表 表1

6.2.3 試驗漿液參數如下及水泥耗量

試驗漿液參數如下：

①水灰比1:1，水泥標號為P.O42.5；

②進漿漿液密度不小于1.5g/cm；

③試驗消耗水泥量平均為836kg/m。

7 試驗檢測結果

圍井試驗結束14d后，采用反鏟挖掘機對圍井進行開挖。開挖完成后，對圍井地表進行了觀察，對成型的墻體中心進行了鉆孔取芯外觀檢測和注水試驗檢測。

7.1 圍井成墻情況

試驗結束14d后對圍井進行了開挖，開挖的深度為6m。從開挖出的外觀質量看，圍井1的施工孔距明顯偏小，整個圍井呈現出實心的狀態；圍井2和圍井3的樁體搭接情況較好，連接處的厚度在37cm～59cm之間，樁體處墻體厚度在18cm～26cm之間。

7.2 圍井注水試驗

外觀檢查完成以后，分別對圍井1和圍井2進行了現場鉆孔注水試驗，注水完成后，根據《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規范》(DL/T5200-2004)附錄B的圍井滲透系數的計算公式，對圍井的滲透系數進行了計算，結果如表2。

圍井滲透系數成果表 表2

圍井1和圍井2的滲透系數均達到10cm/s～5cm/s以上，基本可以認為不漏水。圍井3通過現場檢查發現滲漏，為進一步分析圍井3的滲漏的原因，現場對圍井3進行了現場補取芯樣。結果發現從圍井頂部開始，8m以下的芯樣連續性較差，而10m以下不成樁，說明高壓擺噴注漿在砂卵石層成樁情況差，基本不成樁。

7.3 芯樣取樣結果

受現場地形限制，下部噴射效果無法開挖檢查，對圍井進行了取芯補充檢查。從芯樣取樣結果來看，圍井1、圍井2和圍井3的0m～8m芯樣完整，說明在該地質條件下，施工參數的成墻效果較好。

7.4 耗灰量情況

試驗孔的平均耗灰量為836kg/m，其中圍井1和圍井2的平均耗灰量為468kg/m。

8 試驗最終結論

①說明在攔砂壩圍堰1040m以上淤泥質粉土中，高壓擺噴注漿成墻防滲可達到防滲效果。

②攔砂壩圍堰為一般項目，試驗所采用的孔距1.0m～1.4m之間，結果均可以滿足防滲要求。經綜合分析，攔砂壩圍堰防滲施工擬采用的施工參數見表3。

施工參數表表3