砂卵石地基二重管高壓噴射注漿施工技術及應用

熊志平 程 旭 李志強

(湖北盛達泰水利水電工程有限公司，湖北 武漢 430060)

高壓噴射灌漿在水電水利行業中除應用于地基加固外，更廣泛地應用于水工建筑物的防滲工程中。與一般的地基加固相比較，建造高壓噴射灌漿防滲墻有不同的特點與要求。由湖北盛達泰水利水電工程有限公司承建的湖北省漢江堤防加固重點工程(府澴河段)第三標段堤身砂卵(礫)石基礎防滲處理工程采用了二重管高壓噴射注漿施工技術，施工質量得到了保證。

1 工程概況

湖北省漢江堤防加固重點工程(府澴河段)第三標段位于湖北省孝感市孝南區府澴河澴右堤，深層水泥土攪拌樁防滲墻加固堤段總長5216m，起止樁號分別為13+984～15+200、15+500～16+600、17+600～20+500，合同工程量78240m2。其中漢十高鐵橋下(澴右15+982～15+950.8段)和110kV高壓線(澴右16+070～16+042.8段)兩處凈空均不能滿足水泥攪拌樁樁機架設施工要求，因此上述兩段采用高壓旋噴樁防滲墻施工。涉及區域地層主要由砂卵(礫)石、壤土、黏土、粉細砂組成，局部有少量淤泥質土。根據地勘孔地層分布情況和施工技術對比，本工程高壓旋噴樁采用砂卵石地基二重管高壓噴射注漿施工技術，同時根據現場生產性試驗選取最優參數組織施工。

2 技術原理

2.1 高壓噴射灌漿技術原理

a.高壓噴射灌漿法是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層預定位置，采用高壓設備使漿液或水、空氣成為20～40MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動、破壞土體，同時鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個圓柱狀固結體(即旋噴樁)，達到加固地基或止水防滲的目的。

b.根據噴射方法的不同，噴射注漿可分為單管法、二重管法和三重管法。

c.單管法：單層噴射管，僅噴射水泥漿。

d.二重管法：又稱漿液氣體噴射法，是用二重注漿管同時將高壓水泥漿和空氣兩種介質噴射流橫向噴射出，沖擊破壞土體。在高壓漿液和它外圈環繞氣流的共同作用下，破壞土體的能量顯著增大，最后在土中形成較大的固結體。

e.三重管法：是一種漿液、水、氣噴射法，使用分別輸送水、氣、漿液三種介質的三重注漿管，在以高壓泵等高壓發生裝置產生的高壓水流周圍環繞一股圓筒狀氣流，進行高壓水流噴射流和氣流同軸噴射沖切土體，形成較大的空隙，再由泥漿泵將水泥漿以較低壓力注入被切割、破碎的地基中，噴嘴做旋轉和提升運動，使水泥漿與土混合，在土中凝固，形成較大的固結體，其加固直徑可達2m。

f.旋噴樁的直徑參考值參見表1。

表1 旋噴樁的直徑參考值 單位：m

g.通過對高壓噴射灌漿技術原理的分析，結合現場施工中出現的砂卵(礫)石地層易塌孔情況，不宜采用三重管法，即鉆機鉆孔后拔出鉆桿，再插入旋噴管。相比單重管法、二重管法當采用旋噴注漿管進行鉆孔作業時，鉆孔和插管二道工序可合二為一。當第一階段貫入土中時，可借助噴射管本身的噴射或振動貫入，有效解決可能出現的塌孔問題。結合項目設計的成樁搭接厚度最小指標不小于0.34m,為保證成墻厚度和經濟的合理性，選擇二重管法進行施工技術原理分析并結合試驗論證在傳統工藝上進行改良，形成新的施工技術。

2.2 高壓噴射灌漿(二重管)技術原理

a.本施工技術采用二重管法，即通過帶有噴嘴的注漿管將經過高壓設備加壓的水泥漿和空氣高壓噴射漿氣流束，送入不同深度的砂卵(礫)石地層，沖擊、切割、破碎土層，由水泥漿置換土顆粒或充填砂卵石空隙，最后形成直徑600～800mm的固結體。根據測量定位的孔位分序施工，保證一定搭接厚度，使連續柱狀固結體形成一道截水幕墻，達到止水防滲或加固地基的目的。依據地基及設計指標，根據三種不同的壓力，得到符合設計要求樁徑的施工參數。

b.二重管旋噴樁機水泥漿液射流成孔見圖1。

圖1 二重管旋噴水泥漿液射流成孔示意圖

c.二重管旋噴樁機注漿施工示意，類似圖1。

d.二重管旋噴樁機分序樁位示意，參見圖2。

圖2 二重管旋噴樁機分序樁位示意 (單位：mm)

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

3.1.1 高壓旋噴施工工藝流程

高壓旋噴施工工藝流程見圖3。

圖3 高壓旋噴施工工藝流程

3.1.2 高壓旋噴施工參數確定

a.高壓旋噴防滲墻施工前期，首先進行試驗孔施工，試驗孔施工主要確定孔深、孔距、氣漿壓力、漿液比重、注漿率、旋轉及提升速度，試驗孔施工結束后，進行鉆孔取芯、注水試驗、壓水試驗和開挖檢查。計算出滲透系數并通過鉆孔取芯試驗得出芯體的抗壓強度，通過開挖實體檢查旋噴成墻厚度及成墻連續性。

b.砂卵石層、沙礫石層、砂土層二重管法高壓旋噴防滲墻施工參數對照見表2。

表2 砂卵石層、砂礫石層、砂土層二重管高壓旋噴防滲墻施工參數對照

3.1.3 高壓旋噴防滲墻施工工藝

本高壓旋噴防滲墻分兩序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，相鄰孔施工間隔時間不少于24h。注漿采用同軸二重管法高壓旋噴灌漿。

3.2 操作要點

3.2.1 施工準備

a.做好技術交底、安全交底，熟悉施工圖紙、設計說明和相關設計文件、施工規范，熟知質量要求。

b.對每一根樁進行編號，測出樁位處施工前地面高程。

c.現場技術員及樁機操作手、其他作業人員要熟知操作規程、施工步驟。

d.施工前應檢查水泥的質量，樁機、攪拌機工作性能以及各種計量設備完好程度。

3.2.2 技術準備

a.孔位測放：根據設計要求，孔位中心偏差不得大于50mm，并在導向槽兩側設置樁位控制樁，以便施工過程中校核樁位。

b.下鉆：控制鉆孔的垂直度，高壓噴射臺車穩固就位后，先測量機臺的水平度再開鉆。下鉆的傾斜度不得大于0.5%。

c.旋噴作業：旋噴管下鉆到預定深度后立即輸送高壓風和水泥漿液，開始自下而上旋噴作業。旋噴過程中嚴格控制旋轉和提升速度，根據冒漿情況隨時調整。拆卸旋噴管時動作要快，并注意保持不小于0.5m的搭接長度。

d.水泥漿液的配制：根據每米有效樁長需要的水泥和水灰比的要求，一次配制完成一根樁所需的水泥漿液。

e.旋噴樁機操作員與送漿泵操作員應密切配合，發現異常情況及時通報。

3.2.3 施工要點

a.場地平整壓實。

b.準確放樣，按施工軸線開挖導向槽。

c.測量定位。根據清理出來的高壓旋噴防滲墻導向槽邊界，結合防滲墻孔位布置圖，使用鋼卷尺測放出每個樁位，并在導向槽兩側用全站儀設置控制樁，以便施工過程中校核樁位。

d.機具就位。高壓噴射臺車到達指定樁位后，自行將帶有噴嘴的注漿管噴嘴頭對準孔位中心，樁位對中誤差不大于50mm,并用水平尺和定位測錘做水平校正。校正糾偏檢查的同時，利用垂球(高度不得低于2m)從高壓噴射臺車正面和側面兩個方向進行檢查，使高壓噴射臺車底座水平，導向架和注漿管應與臺車底座垂直，傾斜率小于0.5%，并控制相鄰孔間不出現反向傾斜。

e.鉆孔插管(水泥漿液射流成孔)。高壓噴射臺車就位后，啟動高壓噴射臺車邊旋轉邊鉆進。為防止泥沙堵塞噴嘴，噴嘴邊射水泥漿液邊插管。水泥漿液壓力，一般地層不超過2MPa，砂卵石地層不超過3MPa。注漿管達到設計深度后停止鉆進。

f.漿液配置。高壓旋噴樁的漿液采用P·O42.5水泥，水泥漿水灰比1∶1，采用重量稱量法配置，稱量誤差不大于5%，并用比重計經常檢查漿液比重，誤差不超過0.1。攪拌漿液時，先加水，然后加水泥，每次漿液攪拌時間不得少于2min。水泥漿從攪拌桶倒入儲漿桶時，通過濾篩把水泥硬塊剔出。

j.高壓旋噴注漿：

噴射注漿前先檢查高壓設備和管路系統，設備的壓力和排量必須滿足設計要求。各部位密封圈必須良好，各通道和噴嘴內不得有雜物，合格后方可噴射注漿。

旋噴作業系統的各項工藝參數都必須按照預先設定的參數加以控制，并做好提升(旋轉)速度、漿量、漿液比重、壓力、異常情況等記錄。

噴射注漿時，先應達到預定的噴射壓力，噴漿旋轉30s，水泥漿與樁端土充分攪拌后，再邊噴漿邊勻速旋轉提升注漿管，提升速度為10cm/min(砂卵石地基)、20cm/min(砂礫石地基)，至樁頂時停止噴漿。噴射注漿過程應避免中間停頓或中斷，如因故必須中斷時，立即查明原因及時分析解決，中斷時間超過30min時，應將噴管提出孔外。恢復噴射注漿時，將噴管下到中斷前位置以下0.5m進行搭接復噴，防止固結體脫節。

h.高壓旋噴分序施工。高壓旋噴防滲墻分兩序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，同時Ⅰ序、Ⅱ序施工間隔時間不少于24h。

i.沖洗機具。噴射施工完成后，應把注漿管等機具設備用清水沖洗干凈，防止凝固堵塞。

3.2.4 特殊情況處理措施

a.在噴射過程中，需中途拆卸噴射管時，搭接段應進行復噴，復噴長度不得小于0.2m。

b.高壓噴射灌漿過程中，若孔內發生嚴重漏漿，采取如下處理措施：?孔口不返漿時，應立即停止提升；孔口少量返漿時，應降低提升速度；?降低噴射壓力、流量，進行原位灌漿；?在漿液中摻入速凝劑；?加大漿液密度或灌注水泥砂漿、水泥黏土漿。

c.鉆進暫停或終孔待噴時，孔口應加以保護。若時間過長，應采取措施防止塌孔。

d.在進漿正常的情況下，若孔口回漿密度變小、回漿量增大，應降低氣壓并加大進漿漿液密度或進漿量。

e.高壓噴射灌漿過程中發生串漿時，應立即停止灌漿并封堵灌漿孔，先進行下一樁體施工，待間隔24h后再進行此樁體的施工，施工時需對灌漿孔重新掃孔，再進行高壓噴射灌漿。

f.如在噴射過程中遇大塊石層，應在正常旋噴的情況下，在塊體另一端的兩側(或一側，依鉆孔情況而定)補增噴灌孔以確保搭接，或通過調整鄰孔孔距以及相應參數進行處理。

4 材料設備

4.1 材料性能

滿足設計要求，應采用合格的P·O42.5級普通硅酸鹽袋裝水泥以便計量，出廠日期不超過3個月。使用前，應將水泥的樣品送自檢試驗室，合格后方能使用。

4.2 主要設備

二重管高壓噴射注漿主要設備詳見表3。

表3 二重管高壓噴射注漿主要設備

5 質量控制

5.1 控制要點

5.1.1 施工技術準備

認真做好試樁工作，確定合理的砂卵(礫)石層施工技術參數、漿液配比和導向槽開挖深度。

5.1.2 鉆孔(水泥漿液射流成孔)

施工前，保證高壓噴射臺車平穩牢固，孔位準確，噴射管傾斜度不大于0.5%，樁心偏差不大于50mm。孔斜一般要小于0.5%～1.5%的孔深。

5.1.3 灌漿

漿液制備，嚴格控制按生產性試驗確定的水灰比、氣壓和漿液壓力進行。在旋噴過程中，應防止泥漿沉淀、濃度降低。

5.1.4 檢查施工記錄

隨時檢查施工記錄和質量檢查記錄表，對照施工參數和技術要求對每根樁進行質量檢查控制。現場技術人員準確記錄施工數據和質量檢驗表。

5.2 質量驗收

對高壓噴射防滲墻固結樁墻體的質量檢驗可采用開挖檢查、鉆取巖芯、壓(注)水試驗等多種方法進行。質量檢驗一般在高壓噴射工作結束后28天進行。根據檢驗結果采取適當措施保證成樁墻體的質量。

6 安全措施

制定安全生產責任制度，并在醒目處張掛安全示意牌。安全員專職負責安全生產工作。實行安全交底制度，正確使用個人防護用品和安全防護措施。施工用電必須符合《施工現場臨時用電安全技術規范》(JGJ 46—2005)的要求。高壓噴射臺車由專人管理、專人操作，嚴格遵守《建筑機械使用安全技術規范》(JGJ 33—2012)。

7 環境保護

嚴格執行環境管理體系標準，加強環境保護宣傳、教育，建立完善的環保施工紀律。對水泥、石灰細顆粒散體材料遮蓋存放；注重施工現場的衛生；充分利用返漿、控制水泥漿液的拌和量，降低對環境的污染。

8 工程效果

8.1 經濟效益

湖北省漢江堤防加固重點工程(府澴河段)第三標段高壓旋噴樁經濟效益分析見表4。

表4 常規工藝與本施工技術造價對比表

經測算，采用本施工技術施工的高壓旋噴樁防滲墻比常規高壓旋噴樁防滲墻施工節約工程造價18.24萬元，節省造價比例18.2%，經濟效益顯著。

8.2 社會效益

采用本施工技術解決了砂卵(礫)石地層高壓噴射灌漿成孔后易塌孔、縮孔的難題，取消了護壁成孔，減少了鉆機設備及護壁材料的投入，簡化了施工工序，加快了施工速度，縮短了施工工期，優化了施工方法，降低了施工成本。

8.3 節能環保

a.減少了鉆孔設備及護壁材料的投入，減少了資源的消耗和施工設備噪聲污染，以及廢棄水泥漿可能帶來的環境污染，節能環保效益顯著。

b.采用水泥漿液射流成孔，縮短了高壓旋噴成樁時間，加快了施工進度，從而對建設施工區周圍環境影響時間縮短。

9 結 論

a.本施工技術主要適用于砂卵石、砂類土、黏性土、黃土和淤泥等各種土層，尤其適用于卵(礫)石含量小于60%、粒徑小于50mm的砂卵(礫)石地層。對于易塌孔的砂卵(礫)石地層、上部空間受限制、不具備大型設備和工作條件的防滲墻工程本施工技術普遍適用。

b.本施工技術有效解決了鉆機在砂卵石、砂礫層成孔過程易塌孔問題，減少了成孔工藝流程，減小了施工難度，加快了施工進度，經濟效益顯著。同時勞動強度低，施工程序簡單，安全系數高，社會經濟效益和節能環保顯著，具有廣闊的實用前景。