淺談高壓噴射灌漿的機(jī)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(shù)是我國(guó)在70 年代初引進(jìn)，該技術(shù)在我國(guó)發(fā)展至今已經(jīng)有50 年的歷史，開(kāi)始主要用于地基基礎(chǔ)加固，經(jīng)過(guò)該技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在也大量用于基礎(chǔ)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(jià)低等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1 高壓噴射灌漿機(jī)理

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

高壓噴射灌漿在施工時(shí)通過(guò)高壓水及氣同時(shí)噴射，對(duì)土體產(chǎn)生切割破壞作用，被切割破壞下來(lái)的土粒與水、氣攪拌成為泥漿，同時(shí)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(shù)小并且具有一定強(qiáng)度的凝結(jié)體，起到防滲效果及提高基礎(chǔ)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(guò)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(yōu)點(diǎn)，但由于沖切破壞能力較弱導(dǎo)致成墻厚度較薄;雙管法是在單管法的基礎(chǔ)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(guò)三重管道同時(shí)灌入孔內(nèi)，高壓水及空氣向兩側(cè)噴射，漿液向下流出，注入到被沖切破壞的基礎(chǔ)中，形成較大的搭接效果好的凝結(jié)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(jià)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(jī)理

高壓噴射灌漿使用水壓力高達(dá)20 MPa～40 MPa 的強(qiáng)大射流對(duì)土體產(chǎn)生沖切破壞作用，土體在射流連續(xù)的高壓噴射下受到射流的動(dòng)壓力及水力的劈裂力，致使土體發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞，在已破壞的空間內(nèi)置換水泥漿液形成連續(xù)的凝結(jié)體。

1.2 置換機(jī)理

高壓噴射灌漿時(shí)，進(jìn)入孔內(nèi)的空氣在高壓水流周圍形成氣幕，保護(hù)高壓水流，減少摩擦阻力，使高壓水流的能量不過(guò)早的衰減，增加破壞切割土體的長(zhǎng)度。在高壓水流噴射切割過(guò)程中被切割下來(lái)的土體顆粒與灌入孔內(nèi)的氣體混合成大量的氣泡混合液，在氣體上浮的過(guò)程中流出孔口，同時(shí)灌入水泥漿液進(jìn)行置換，改變地層組成成份，達(dá)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(kù)，建設(shè)主要用于防洪、灌溉，水庫(kù)總庫(kù)容1600 萬(wàn)m3，最大壩高25 m，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)。但受早期修建技藝水平影響，其主壩壩體基礎(chǔ)并未進(jìn)行防滲處理，造成現(xiàn)今蓄水時(shí)，河床段壩基礎(chǔ)頻繁發(fā)生滲水現(xiàn)象，已危及水庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)作。測(cè)得其壩體與壩基的滲流量已高達(dá)117.36 萬(wàn)m3/a。經(jīng)過(guò)對(duì)此工程的地質(zhì)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(gòu)成，下層由4.5 m～6.0 m 厚含黏質(zhì)土粉細(xì)砂構(gòu)成，而少數(shù)河床下游壩基除中層為中粗砂外，上下層均為含黏質(zhì)土細(xì)砂，對(duì)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(jìn)行，其施工程序見(jiàn)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(dòng)，提升，成板墻，沖洗，靜壓灌漿，移機(jī)等，見(jiàn)圖3。

圖3 高壓噴射灌漿施工工藝流程

2.4 工藝流程說(shuō)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(shù)量的孔放置一個(gè)固定控制樁，以便于在分序施工中準(zhǔn)確地找到孔位及施工完成后進(jìn)行圍井試驗(yàn)?zāi)芸焖俣ㄎ弧?/p>

(2)鉆孔。鉆機(jī)就位后，必須使用水平尺確認(rèn)鉆機(jī)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(jìn)行編號(hào)，并注明施工次序，按順序鉆孔。鉆頭采用φ108 mm 復(fù)合片和金剛石鉆頭，在開(kāi)鉆前，技術(shù)人員必須向鉆機(jī)操作人員提供參考地質(zhì)剖面圖及鉆孔孔深要求，要及時(shí)核對(duì)地層變化情況，地層發(fā)生重大的變化要及時(shí)通知技術(shù)人員。鉆進(jìn)過(guò)程中要及時(shí)使用水平尺等工具檢查鉆機(jī)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(shù)人員核對(duì)孔深，孔深核對(duì)完成后，移至下一孔位進(jìn)行鉆孔。

(3)下噴管。高噴臺(tái)車就位后，先進(jìn)行低壓噴水試驗(yàn)防止高壓噴咀堵塞，然后緩慢下放噴射管，如遇到噴射管無(wú)法下放至設(shè)計(jì)深度則應(yīng)及時(shí)掃空，保證噴射管放入的深度符合設(shè)計(jì)要求。

(4)高噴作業(yè)。噴管下放至設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)當(dāng)立即開(kāi)啟高壓泵，氣泵及水泥漿液輸送泵，開(kāi)始高噴灌漿，等待回流漿液呈水泥色，同時(shí)檢測(cè)回流漿液比重，待回流漿液比重>1.3 g/cm3時(shí)開(kāi)始按照規(guī)定要求提升噴管，噴管提升至設(shè)計(jì)墻頂高程時(shí)，繼續(xù)提升0.5 m 再停止提升，以確保高噴墻有效墻體能夠達(dá)到設(shè)計(jì)高程。在高壓噴射灌漿過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)按照設(shè)計(jì)要求隨時(shí)掌握并記錄好噴射過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。高壓噴射灌漿過(guò)程中如出現(xiàn)故障停止灌漿，要及時(shí)進(jìn)行處理，并記錄出現(xiàn)故障的原因和時(shí)間，如果處理過(guò)程超過(guò)20 分鐘，要將噴管下降0.5 m，以保證防滲墻體的質(zhì)量。

(5)沖洗。高壓噴射灌漿結(jié)束后，要及時(shí)對(duì)使用的設(shè)備進(jìn)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(jié)束后，先使用純水泥漿靜壓灌注一段時(shí)間，再利用下一個(gè)灌漿孔的回漿及時(shí)向已灌漿完成的孔內(nèi)注入漿液，以防止?jié){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(zhì)量控制

高壓噴射灌漿的質(zhì)量控制一般分為過(guò)程中控制和成果檢驗(yàn)兩部分，過(guò)程控制主要是在施工過(guò)程中嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范及施工參數(shù)的要求進(jìn)行施工，及時(shí)記錄和檢查各項(xiàng)參數(shù)。成果檢驗(yàn)一般通過(guò)圍井進(jìn)行注水試驗(yàn)來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)，注水試驗(yàn)在圍井中心處鉆孔，注水孔鉆孔深入相對(duì)隔水層0.5 m 左右。圍井檢查應(yīng)在圍井高噴灌漿結(jié)束7 d 后進(jìn)行，見(jiàn)圖2。注水孔鉆孔完成后，首先連續(xù)向注水孔內(nèi)注水直至圍井范圍內(nèi)的土體達(dá)到水飽和狀態(tài)，然后進(jìn)行注水試驗(yàn)，使用量筒或者量杯對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行注水保證孔內(nèi)水位保持穩(wěn)定水位，注水過(guò)程應(yīng)當(dāng)5 min記錄一次注水量，連續(xù)記錄20 min后結(jié)束注水試驗(yàn)，注水結(jié)束后進(jìn)行穩(wěn)定流量的計(jì)算，以最后一次注水量為最終注水量并計(jì)算穩(wěn)定流量Q。

高噴墻的滲透系數(shù)K按下面公式進(jìn)行計(jì)算，按照規(guī)范要求滲透系數(shù)K應(yīng)不大于i×10-6cm/s(i=1-9)。

式中:K為滲透系數(shù)，cm/s;Q為穩(wěn)定流量，mL/s;H為圍井內(nèi)試驗(yàn)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(zhǎng)度，cm。

4 工程質(zhì)量檢驗(yàn)成果

工程共計(jì)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(guān)地質(zhì)勘探公司進(jìn)行開(kāi)挖檢驗(yàn)，開(kāi)挖深度達(dá)2 m，檢測(cè)范圍包括旋噴樁噴射直徑、加固體膠結(jié)、搭接及成墻厚度。

經(jīng)開(kāi)挖檢驗(yàn)(見(jiàn)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(shí)，搭接處厚度為30 cm，用水鉆水平鉆進(jìn)取芯，巖芯長(zhǎng)度為25 cm，巖芯為水泥與土的混合體，表面顏色呈藍(lán)灰色，巖芯密實(shí)。旋噴樁整體呈圓柱狀，充填密實(shí)。

圖4 圍井注水試驗(yàn)示意圖

圖5 工程質(zhì)量檢驗(yàn)開(kāi)挖圖

5 結(jié)語(yǔ)

高壓噴射灌漿具有可靠性強(qiáng)，施工效率高、成本低、固結(jié)體強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)，是先進(jìn)的防滲技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)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(shí)加強(qiáng)了水工建筑的防滲抗災(zāi)能力，因此值得不斷地研究，以提升該工藝技術(shù)的水平與質(zhì)量。