淺談高壓噴射灌漿的機理及施工工藝

郭海龍

(山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600)

高壓噴射灌漿技術是我國在70 年代初引進，該技術在我國發展至今已經有50 年的歷史，開始主要用于地基基礎加固，經過該技術的迅速發展，現在也大量用于基礎防滲，高壓噴射灌漿具有施工速度快、成墻效果好、適用范圍廣、可控性高及造價低等獨特的優點。

1 高壓噴射灌漿機理

高壓噴射灌漿主要適用于砂土、粉土、淤泥質粘土、卵石、礫石、碎石等松散透水地基基礎及對大壩等填筑體進行防滲處理。

高壓噴射灌漿在施工時通過高壓水及氣同時噴射，對土體產生切割破壞作用，被切割破壞下來的土粒與水、氣攪拌成為泥漿，同時自下而上灌入純水泥漿或者水泥砂漿，將混合的泥漿置換，形成滲透系數小并且具有一定強度的凝結體，起到防滲效果及提高基礎承載力的作用。

高壓噴射灌漿有單管法、雙管法及三管法三種方法。單管法通過單根管路噴射高壓水泥漿液，噴射沖切破壞土體，具有施工快和成本低等優點，但由于沖切破壞能力較弱導致成墻厚度較薄;雙管法是在單管法的基礎上增加空氣的噴射，在氣體和高壓漿液的共同作用下，破壞土體的能力增加;三管法是將高壓水、空氣及漿液通過三重管道同時灌入孔內，高壓水及空氣向兩側噴射，漿液向下流出，注入到被沖切破壞的基礎中，形成較大的搭接效果好的凝結體。

高壓噴射灌漿又分為三種形式旋噴、定噴和擺噴。旋噴適用地層較廣，但是造價較高;定噴適用于粉土和砂土;擺噴適用于卵石、礫石及碎石地層。

1.1 沖切摻攪機理

高壓噴射灌漿使用水壓力高達20 MPa～40 MPa 的強大射流對土體產生沖切破壞作用，土體在射流連續的高壓噴射下受到射流的動壓力及水力的劈裂力，致使土體發生結構的破壞，在已破壞的空間內置換水泥漿液形成連續的凝結體。

1.2 置換機理

高壓噴射灌漿時，進入孔內的空氣在高壓水流周圍形成氣幕，保護高壓水流，減少摩擦阻力，使高壓水流的能量不過早的衰減，增加破壞切割土體的長度。在高壓水流噴射切割過程中被切割下來的土體顆粒與灌入孔內的氣體混合成大量的氣泡混合液，在氣體上浮的過程中流出孔口，同時灌入水泥漿液進行置換，改變地層組成成份，達到防滲及提高承載力的效果。

2 施工工藝

2.1 工程概況

某地中型水庫，建設主要用于防洪、灌溉，水庫總庫容1600 萬m3，最大壩高25 m，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3 級。但受早期修建技藝水平影響，其主壩壩體基礎并未進行防滲處理，造成現今蓄水時，河床段壩基礎頻繁發生滲水現象，已危及水庫的穩定運作。測得其壩體與壩基的滲流量已高達117.36 萬m3/a。經過對此工程的地質鉆研分析，考慮到河床段壩基上層由2.5 m～3.3 m 厚中粗砂層構成，下層由4.5 m～6.0 m 厚含黏質土粉細砂構成，而少數河床下游壩基除中層為中粗砂外，上下層均為含黏質土細砂，對壩基的防滲加固采用高壓旋噴噴漿方式處理。

圖1 高噴灌漿剖面圖

2.2 施工程序

高噴施工分序進行，其施工程序見圖2。

圖2 施工程序圖

2.3 工藝流程

高壓噴射灌漿主要有鉆孔及噴孔兩大工序，其工藝流程主要為:布孔，鉆孔，下噴射裝置，制漿，噴射，定向、擺動，提升，成板墻，沖洗，靜壓灌漿，移機等，見圖3。

圖3 高壓噴射灌漿施工工藝流程

2.4 工藝流程說明

(1)放線定孔位。高噴一般采用單排布控，分序施工，我們每隔一定數量的孔放置一個固定控制樁，以便于在分序施工中準確地找到孔位及施工完成后進行圍井試驗能快速定位。

(2)鉆孔。鉆機就位后，必須使用水平尺確認鉆機的平整度及垂直度，確保立軸與地面水平線完全垂直，施工中所有孔位均需按照施工順序進行編號，并注明施工次序，按順序鉆孔。鉆頭采用φ108 mm 復合片和金剛石鉆頭，在開鉆前，技術人員必須向鉆機操作人員提供參考地質剖面圖及鉆孔孔深要求，要及時核對地層變化情況，地層發生重大的變化要及時通知技術人員。鉆進過程中要及時使用水平尺等工具檢查鉆機的水平度及垂直度，確保鉆孔孔斜率不大于1.0%。鉆孔完成后，技術人員核對孔深，孔深核對完成后，移至下一孔位進行鉆孔。

(3)下噴管。高噴臺車就位后，先進行低壓噴水試驗防止高壓噴咀堵塞，然后緩慢下放噴射管，如遇到噴射管無法下放至設計深度則應及時掃空，保證噴射管放入的深度符合設計要求。

(4)高噴作業。噴管下放至設計深度后，應當立即開啟高壓泵，氣泵及水泥漿液輸送泵，開始高噴灌漿，等待回流漿液呈水泥色，同時檢測回流漿液比重，待回流漿液比重>1.3 g/cm3時開始按照規定要求提升噴管，噴管提升至設計墻頂高程時，繼續提升0.5 m 再停止提升，以確保高噴墻有效墻體能夠達到設計高程。在高壓噴射灌漿過程中，現場技術人員應當按照設計要求隨時掌握并記錄好噴射過程中的各項參數指標。高壓噴射灌漿過程中如出現故障停止灌漿，要及時進行處理，并記錄出現故障的原因和時間，如果處理過程超過20 分鐘，要將噴管下降0.5 m，以保證防滲墻體的質量。

(5)沖洗。高壓噴射灌漿結束后，要及時對使用的設備進行沖水清理，防止水泥漿液凝固，從而影響到下一噴孔的正常施工。

(6)靜壓灌漿。高壓噴射灌漿結束后，先使用純水泥漿靜壓灌注一段時間，再利用下一個灌漿孔的回漿及時向已灌漿完成的孔內注入漿液，以防止漿液沉淀完成后形成空洞塌孔，直至灌漿孔回填飽滿，不再下沉為止。

3 質量控制

高壓噴射灌漿的質量控制一般分為過程中控制和成果檢驗兩部分，過程控制主要是在施工過程中嚴格按照技術規范及施工參數的要求進行施工，及時記錄和檢查各項參數。成果檢驗一般通過圍井進行注水試驗來計算滲透系數，注水試驗在圍井中心處鉆孔，注水孔鉆孔深入相對隔水層0.5 m 左右。圍井檢查應在圍井高噴灌漿結束7 d 后進行，見圖2。注水孔鉆孔完成后，首先連續向注水孔內注水直至圍井范圍內的土體達到水飽和狀態，然后進行注水試驗，使用量筒或者量杯對孔內進行注水保證孔內水位保持穩定水位，注水過程應當5 min記錄一次注水量，連續記錄20 min后結束注水試驗，注水結束后進行穩定流量的計算，以最后一次注水量為最終注水量并計算穩定流量Q。

高噴墻的滲透系數K按下面公式進行計算，按照規范要求滲透系數K應不大于i×10-6cm/s(i=1-9)。

式中:K為滲透系數，cm/s;Q為穩定流量，mL/s;H為圍井內試驗水位至井底的深度，cm;t為高噴防滲墻平均厚度，cm;h0為地下水位至井底的深度，cm;L為圍井周邊高噴防滲墻軸線長度，cm。

4 工程質量檢驗成果

工程共計完成高壓旋噴樁510 孔，灌漿延米5000 m，為確保工序的有效性，在完工后，將交由相關地質勘探公司進行開挖檢驗，開挖深度達2 m，檢測范圍包括旋噴樁噴射直徑、加固體膠結、搭接及成墻厚度。

經開挖檢驗(見圖4)有如下成果:旋噴樁徑為0.6 m左右。樁與樁搭接處密實，搭接處厚度為30 cm，用水鉆水平鉆進取芯，巖芯長度為25 cm，巖芯為水泥與土的混合體，表面顏色呈藍灰色，巖芯密實。旋噴樁整體呈圓柱狀，充填密實。

圖4 圍井注水試驗示意圖

圖5 工程質量檢驗開挖圖

5 結語

高壓噴射灌漿具有可靠性強，施工效率高、成本低、固結體強度大等優勢，是先進的防滲技術，該項技術對經濟社會發展及保障人民生命安全起到了重要作用，因其在很大程度上減輕了防洪脹力，同時加強了水工建筑的防滲抗災能力，因此值得不斷地研究，以提升該工藝技術的水平與質量。