高壓旋噴灌漿加固超深富水砂層試驗研究

趙廷華，申 魯，買巨喆，李雪艷

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450016）

高壓旋噴灌漿是通過高壓噴射流切割土體，使水泥漿液與土攪拌混合，形成水泥土加固體的施工方法。近年來，隨著地下空間開發和深隧工程的實施，部分工程開始嘗試采用高壓旋噴灌漿加固超深地層。 目前典型工程案例包括：西霞院反調節水庫電站廠房基坑采用一排高壓旋噴樁作為防滲墻，最大噴射深度34 m，成墻面積2.4 萬m2，高噴孔間距1 m，分三序施工，逐漸加密［1］；南水北調中線穿黃工程采用雙管法進行超深地層的高噴灌漿試驗，4 次噴射施工后只成功噴射出一根35 m 深的旋噴樁［2］；天津地鐵5 號線凌賓路站采用RJP 工法在軟土地層中施工防滲止水帷幕，帷幕深度29.5～42.5 m，為檢驗高噴工藝效果，在基坑中噴射了2 根試驗樁，后期開挖至20 m 深度，檢查發現成樁直徑大于2 m，未對超深地層高壓旋噴樁的成樁質量進行全面檢測［3］。 總體而言，目前采用高壓旋噴灌漿加固深度超過40 m 地層的工程案例較少，在這方面還缺乏成熟可靠的經驗。

穿沁隧洞是河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程總干渠穿越沁河的建筑物，該工程擬采用高壓旋噴灌漿對隧洞檢修井洞口和底部的細砂層進行防滲加固，最大灌漿加固深度55 m。 為了確保超深砂層高噴加固體的防滲效果，本文開展高噴工藝現場試驗研究，通過試驗確定施工工法、樁位布置和主要工藝參數等，以期指導后續工程施工，并為同類工程提供經驗。

1 工程概況

穿沁隧洞工程始于河南省焦作市武陟縣北郭鄉方陵村北，終于嘉應觀鄉南賈村南，隧洞總長2 850 m。隧洞進口渠底高程92.81 m、設計水位96.06 m，出口渠底高程88.56 m、設計水位92.06 m，總水頭差4 m，設計流量51.7 m3／s［4］。 穿沁隧洞采用泥水平衡盾構法施工，盾構機自沁河西岸始發井出發，向東下穿方陵村、沁河右岸大堤、沁河主河道、沁河左岸大堤，至沁河東岸檢修井接收。 檢修井（施工期間作為盾構接收井）位于隧洞出口，為豎井式，頂高程95.56 m，底高程49.81 m，井深45.75 m。 檢修井采用地連墻圍護加滿堂內襯結構，地連墻外徑21.8 m，內徑18.8 m，墻厚1.5 m，墻深76 m；內襯墻厚1.2～1.7 m，自上而下采用逆作法施工，內襯底板厚3 m。

根據穿沁隧洞地質勘查資料，檢修井地表以下12 m為輕粉質壤土和粉質黏土地層，其下為深厚的細砂層，鉆孔揭露砂層最大深度超過80 m，檢修井井身下部整體位于細砂層中。 細砂層富含地下水，勘查期間測得地下水水位為82.12 m，高于檢修井底板32.31 m。地下水和沁河河水水力聯系密切，水量很大。 細砂層滲透系數為1×10-3～2×10-2cm／s，具中強透水性［5］。為了確保豎井開挖以及盾構出洞過程中不出現涌水、涌砂等意外情況，必須先對檢修井底部及盾構接收洞口進行高壓噴射灌漿加固，使之形成具有一定強度和防滲能力的連續固結體［6］。 盾構接收洞口高噴加固范圍長12 m，寬17 m，深度約24～43 m；檢修井底部高噴加固范圍為底板以下10 m。 檢修井高噴加固范圍示意見圖1。

圖1 穿沁隧洞檢修井結構及高噴加固布置

2 試驗研究總體思路

本次研究主要目的是通過現場試驗確定施工工法、樁位布置和主要工藝參數，保證高噴灌漿區域形成連續的塊狀固結體、不留縫隙，有效隔斷地下水和基坑的水力聯系。 高噴施工以及固結體質量應滿足下列要求［7］：鉆孔位置偏差≤50 mm，鉆孔傾斜度≤0.5%，固結體抗壓強度≥3.0 MPa，固結體滲透系數≤1×10-5cm／s，允許滲透坡降＞50。

參考目前國內高噴灌漿設備、施工工藝和工程案例，選擇雙高壓三管法和MJS 法兩種工法進行現場試驗。 兩種工法灌漿完成后，采用鉆孔取芯、注水試驗［8］等方法對成樁直徑，固結體的連續性、強度、滲透性進行檢測。 根據檢測結果，若只有一種工法滿足要求，則采用該工法進行現場施工；若兩種工法均滿足要求，則對兩種工法的成樁效果、水泥耗量、施工效率等進行綜合比選，選出最優施工方案。

3 雙高壓三管法試驗

根據高噴樁樁位布置方式的不同，現場進行兩次雙高壓三管法試驗。

3.1 直線形布樁試驗

3.1.1試驗方案

雙高壓三管法第一次試驗布置在檢修井外。 試樁共分4 組，每組3 根，共計12 根高噴樁。 每組3 根試樁采用直線形排列，分兩序施工，第一序先噴射兩側樁，第二序噴射中間樁。 經現場測量，試驗區地面高程為91.40 m，試樁樁底高程為36.81 m，最大樁深54.59 m，高噴灌漿高程范圍為67.76 ～36.81 m，上部23.64 m 為空樁，下部30.95 m 為實樁。

以表 6中的標準化綜合得分為響應值，采用Design-Exper8.0.6對數據進行多元回歸擬合處理，獲得標準化綜合得分的二次多項回歸方程為：

為了更好地檢驗雙高壓三管法在超深地層的成樁效果，擬定兩組噴射參數、樁徑和樁間距進行試驗。 第一組為常規噴射參數，初擬樁徑1 m，樁間距0.7 m，樁間搭接0.3 m；第二組在常規噴射參數的基礎上，提高灌漿壓力，減小噴嘴的提升速度和轉速，增加灌漿量，初擬樁徑1.5 m，樁間距0.9 m，樁間搭接0.6 m。 第一組參數用于噴射第1、2 組試樁，第二組參數用于噴射第3、4 組試樁。 試驗樁位布置見圖2，兩組試驗參數見表1。

表1 雙高壓三管法第一次噴射試驗參數

圖2 高噴試驗樁位布置

3.1.2取芯檢查情況

4 組試樁全部噴射完成后，首先對第3、4 組試樁開展鉆孔取芯檢查。 第3 組試樁取芯3 個，2 個芯位于樁中心，1 個芯距樁中心0.40 m，取芯深度32～50 m。 第4 組試樁取芯3 個，2 個芯位于樁中心，1 個芯距樁中心0.35 m，取芯深度38～56 m。 取芯發現，第3、4 組試樁僅有一個鉆孔在深度45～55 m 內取得芯樣，其余鉆孔深度小于45 m 時可取得較完整芯樣。 原因是取芯時鉆孔存在偏斜，隨著深度增加，鉆孔偏出樁體，無法取得芯樣。 結合取芯時測得的鉆孔偏斜量，深度超過45 m 后，第3、4 組試樁實際成樁直徑為1 m 左右，未達到預先擬定的1.5 m，且隨著深度增加，高噴樁存在比較明顯的縮徑現象。

綜上，雙高壓三管法第一次試驗未達到預期效果，主要原因如下：一是樁位直線形布置造成取芯時鉆孔偏出樁體，無法判斷45 m 深度以下的成樁情況；二是隨著深度增加，高噴樁存在比較明顯的縮徑現象，實際樁徑小于理論計算值。 結合本次試驗經驗，現場通過調整試驗方案又開展了雙高壓三管法第二次試驗。

3.2 環形布樁試驗

3.2.1試驗方案

雙高壓三管法第二次試驗布置在檢修井內。 試驗區為以檢修井中心為圓心、半徑為2.5 m 的圓形區域。本次試驗共計45 根高噴樁，自外向內隔排分序施工。試驗區地面高程91.40 m，試樁樁底高程36.81 m，最大樁深54.59 m，高噴灌漿深度48.31 ～36.81 m，上部43.09 m為空樁，下部11.5 m 為實樁。

為了優化施工參數，將試驗區等分成4 個扇形區域，其中Ⅲ區為基準區，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區在Ⅲ區基礎上對樁間距、灌漿壓力、提升速度和轉速等參數進行微調，對比其施工效果。 試驗區布置見圖2，4 個區域試驗參數見表2。

表2 雙高壓三管法第二次噴射試驗參數

高噴灌漿完成后，在試驗區內任意選擇6 個點鉆孔取芯，若均能取得連續完整芯樣，則證明高噴灌漿區域形成連續的塊狀固結體。 對取得芯樣進行抗壓、抗滲試驗，另外利用取芯鉆孔進行注水試驗，檢驗固結體強度、滲透性是否滿足要求。

鉆孔取芯率及芯樣強度見表3。 6 個鉆孔的取芯率最小為68.80%，最大為98.50%，平均為82.30%；芯樣平均強度7.7～27.3 MPa，均大于3.0 MPa。

表3 雙高壓三管法鉆孔取芯率及芯樣強度

根據芯樣室內滲透試驗，Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區芯樣滲透系數分別為5.7×10-6、8.0×10-6、4.8×10-6、3.5×10-6cm／s，平均值為5.5×10-6cm／s。 根據鉆孔現場注水試驗，Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區芯樣滲透系數分別為4.68×10-6、6.84×10-6、1.71×10-6、5.26×10-6cm／s，平均值為4.62×10-6cm／s。 綜合抗滲試驗成果，高噴固結體滲透系數＜1.00×10-5cm／s。

綜上，雙高壓三管法第二次試驗對樁位布置和高噴施工參數進行了適當調整，通過芯樣抗壓、抗滲、鉆孔注水試驗檢測，地面以下45～55 m 深度的高噴加固體連續性、抗壓強度、滲透系數均滿足要求。

4 MJS 工法試驗

MJS 工法是近年來從日本引進的一種高壓噴射灌漿工藝，與傳統高噴工藝相比，具有成樁直徑大、樁身質量好、對周邊環境影響小、泥漿污染少等優點。 目前，MJS 工法在水利工程中還未見應用，為了驗證其在超深砂質地層中的適用性，在進行雙高壓三管法第二次試驗的同時，在現場又開展了MJS 工法灌漿試驗。

4.1 試驗方案

MJS 工法試驗布置在檢修井外，安排兩組試樁，每組3 根，共6 根高噴樁。 試樁采用三角形布置，初擬樁徑2 m，樁間距1.5 m，樁間搭接0.5 m。 試驗區地面高程91.40 m，試樁樁底高程36.81 m，最大樁深54.59 m，高噴灌漿深度48.31～36.81 m，上部43.09 m 為空樁，下部11.5 m為實樁。 MJS 試驗樁位布置見圖2，試驗參數見表4。

表4 MJS 工法噴射試驗參數

4.2 取芯檢查情況

每組試樁取2 點，共4 點進行鉆孔取芯，檢驗高噴固結體的連續性、強度和滲透性。 1 ～3 號點取芯率分別為75.00%、81.20%和94.70%，平均值為83.63%。 4號點取芯率為60.00%，由于取芯與噴射時間間隔較短，下部樁體未完全固結，取出未凝結的水泥塊，因此取芯率偏低。 4 個點芯樣的平均強度分別為17.1、14.3、11.5、10.1 MPa，均大于3.0 MPa。 根據芯樣室內滲透試驗，平均滲透系數為6.67×10-6cm／s；根據鉆孔注水試驗，平均滲透系數為4.82×10-6cm／s。 綜合抗滲試驗成果，高噴固結體滲透系數＜1.00×10-5cm／s。

綜上，兩組MJS 工法試樁檢測成果顯示，地面以下45～55 m 深度范圍內，MJS 工法的成樁直徑可達到2 m，高噴固結體的連續性、抗壓強度、滲透系數均滿足要求。 相比而言，MJS 工法的單樁直徑更大，樁體強度離散性更低，成樁質量更加穩定。

5 結論

1）通過雙高壓三管法和MJS 兩種工法進行現場噴射試驗、取芯檢查、固結體強度和滲透性檢測，驗證采用這兩種工法加固超深強透水砂層均是可行的。

2）噴射深度超過40 m 后，雙高壓三管法高噴樁縮徑現象明顯，成樁直徑小于理論計算值。 樁徑減小的主要原因是隨著深度增加，地層壓力加大，返漿量增加，漿液損耗增多。 根據現場試驗，加固地層深度為40～60 m時，雙高壓三管法灌漿壓力不宜小于40 MPa，提升速度和轉速宜分別為5 cm／min、5 r／min，成樁直徑為1 m 左右，連續防滲體的樁間距宜控制在0.6～0.8 m。

3）MJS 工法設備具有地層壓力感知、強制排漿等功能，可根據地層壓力適當調整噴射參數，成樁質量更加穩定。 噴射深度超過40 m 后，灌漿壓力不宜小于40 MPa，提升速度和轉速宜分別為2.5 cm／min、3 r／min，成樁直徑可達到2 m，連續防滲體的樁間距宜控制在1.5 m。

4）以檢修井高噴封底為例，對比兩種工法加固超深地層的施工效率。 采用MJS 工法施工樁間距為1.5 m，在試驗樁的基礎上需要再噴射135 根樁，施工周期56 d；采用雙高壓三管法樁間距為0.7 m，需要再噴射534 根樁，施工周期為160 d。 二者相比，MSJ 工法的效率明顯高于雙高壓三管法的。