大粒徑地層高壓噴射灌漿施工工藝分析

魏慶東　孫麗萍

摘要：我國許多已建、在建或待建的水利工程都座落于大粒徑地層上。因此開展“大粒徑地層高壓噴射灌漿防滲技術(shù)”研究具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。本文對(duì)大粒徑地層中高壓噴射灌漿施工工藝、施工方法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：水利工程；大粒徑地層；高壓噴射灌漿；防滲技術(shù)

1引言

大粒徑地層高噴灌漿防滲技術(shù)，一直是國內(nèi)外公認(rèn)的技術(shù)難題。一是鉆孔困難，容易塌孔卡鉆，工效低；二是鉆孔精度不易保證；三是高噴灌漿時(shí)漿液容易流失。所謂大粒徑地層系指大于2cm以上粒徑顆粒含量占多數(shù)的不均勻的地層，包括礫卵石層、卵漂石層、塊石層以及它們的混合地層。這類地層廣泛存在于山區(qū)河床，山前坡地等第四系覆蓋層中。另外，某些人工形成的含大量石塊、石渣、建筑棄料的回填土也歸屬于大粒徑地層。大粒徑地層的一個(gè)顯著特點(diǎn)是強(qiáng)透水性，在水頭作用下不但漏水嚴(yán)重而且易產(chǎn)生管涌破壞，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)失穩(wěn)，造成上部建筑物的損壞。所以一旦要求在大粒徑地層上進(jìn)行重要建筑，往往需要對(duì)地基進(jìn)行防滲加固處理。

2 大粒徑地層高噴灌漿成墻原理

當(dāng)攜帶巨大能量的水、氣或漿射流沖擊大粒徑地層時(shí)，進(jìn)入大粒徑空隙間的射流，可使其間的充填物直接沖切破壞，作用機(jī)理符合細(xì)顆粒地層的射流原理；而射向大顆粒上的射流受到大顆粒的阻擋，一方面其沖擊能量使大顆粒背后的充填物因射流方向旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和提升的交替承受擠壓、張拉作用而松動(dòng)或產(chǎn)生縫隙；另一方面，由于射流的反射作用在噴頭周圍形成一個(gè)強(qiáng)紊流區(qū)，紊流互碰撞造成流體勢能增大，即形成一個(gè)環(huán)境高壓區(qū)處于高能狀態(tài)下的水、漿、氣混合流沿大顆粒之間空隙向周圍低壓區(qū)迅速擴(kuò)散；并對(duì)大顆粒體的背后的充填物起二次切割沖刷作用。同時(shí)隨著射流方向旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，形成較強(qiáng)的脈動(dòng)壓力，使空隙間相當(dāng)數(shù)量的細(xì)顆粒被推移到較遠(yuǎn)范圍，或者被回流帶離原來位置，在水氣漿射流的綜合作用下，大顆粒間的空隙被漿液所充填，與大顆粒體凝結(jié)成一體，形成密實(shí)墻體。

3高噴灌槳施工工藝

高噴灌漿施工主要包括兩道工序:鉆孔和噴射灌漿。大顆粒地層高噴施工與老的施工方法相比，在造孔及固壁措施上有了較大改進(jìn)，施工工藝流程也更趨多樣化，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況選用最為經(jīng)濟(jì)合理的方法。

3.1 造孔工藝

大粒徑地層中采用傳統(tǒng)的泥漿固壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝造孔的難點(diǎn)在于:泥漿漏失，進(jìn)尺緩慢；孔壁坍塌，重復(fù)鉆進(jìn)；鉆具消耗大，因此工效極低。套管跟進(jìn)鉆進(jìn)工藝較好地解決了以上問題。

（1）跟管沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

跟管鉆進(jìn)施工工藝解決了鉆孔速度、成孔垂直度、探測大顆粒具體位置三個(gè)問題。工藝流程:跟管鉆進(jìn)一注入塑性泥漿或下硬塑管—起拔套管—成孔。

跟管鉆進(jìn)原理是在風(fēng)動(dòng)潛孔錘的下端安裝有偏心式擴(kuò)孔鉆頭，當(dāng)鉆機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)擴(kuò)孔器從中心偏離出去，然后與鉆頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)，潛孔錘在高壓氣流的摧動(dòng)下往復(fù)沖擊鉆進(jìn)，形成大于套管直徑的鉆孔，套管隨重力下落或被沖擊器壓入鉆孔，鉆孔結(jié)束后鉆機(jī)反轉(zhuǎn)，擴(kuò)孔器縮回與鉆頭同心同徑，然后從套管內(nèi)提出鉆具。

起拔套管時(shí)為防止孔壁坍塌需注入塑性泥漿或下入硬塑管固壁。塑性泥漿是一種比重較大，有一定支撐強(qiáng)度的固壁漿液，分為兩類，一類是采用優(yōu)質(zhì)膨潤土加入燒堿、食鹽及塑化劑拌制成的膠質(zhì)液體，稱為凍膠泥漿;另一類是以水泥粘土按一定配比制成的塑性漿液。硬塑管是一種特殊配料的PVC管材，有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能滿足護(hù)壁要求，同時(shí)也比較脆，在廠家加工有2-4個(gè)橫向條縫帶，高噴時(shí)硬塑管被強(qiáng)大的射流擊成碎片對(duì)噴射質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

跟管鉆進(jìn)造孔不僅解決了大顆粒地層中經(jīng)常發(fā)生的孔壁坍塌難以成孔的問題，同時(shí)其對(duì)付硬巖、孤石的能力特強(qiáng)，有遇硬則強(qiáng)的特點(diǎn)，與普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)相比，工效可提高8-20倍。

跟管鉆進(jìn)工法較好地解決了鉆孔孔斜的問題，可控制在0.5%以內(nèi)，主要有以下原因:a.鉆具直徑較大( 89mm)，剛度好，彈性恢復(fù)完全，在強(qiáng)力沖擊下鉆桿不會(huì)發(fā)生彎曲觀象；b.采用擴(kuò)孔器全斷面鉆進(jìn)，不會(huì)因地層軟硬差別造成大的孔向滑偏；c.鉆進(jìn)過程間斷多，孔斜偏差延續(xù)性較差；d.由于套管底部安裝有導(dǎo)向裝置，利用套管的剛度導(dǎo)向，孔斜率偏差較小。

（2）抽筒造孔技術(shù)

在卵石層集中地層可選用抽筒撈取卵石，沖擊套管跟進(jìn)的的造孔工藝。首先采用跟管鉆進(jìn)，用 146m打筒開孔，形成導(dǎo)筒，下入 146mm套管，再用127mm抽筒撈取管內(nèi)之物，小于套管內(nèi)徑的顆粒直接被抽筒撈出，遇到大卵石用重型沖擊頭沖擊破碎或用小型藥包爆破成小塊，然后在用抽筒撈出，因此特別適用于顆粒直徑小于lOcm，卵石層厚度不大，工程量小，不宜動(dòng)用大型施工機(jī)械的情況。

技術(shù)要點(diǎn):a.為保證孔斜率要求，導(dǎo)筒埋設(shè)垂直是重要的環(huán)節(jié)，有條件時(shí)可開挖預(yù)埋，長度不小于3.0m；b.鉆之中遇到大塊徑應(yīng)及時(shí)采取措施破碎，不可硬性擊入，以免管靴損壞；c.起拔套管時(shí)應(yīng)注滿固壁泥漿，并隨時(shí)補(bǔ)充漿液保持在孔口;因壁泥漿采用彭潤土加外加劑配制，能夠在撥套管后孔壁不塌不縮。

（3）預(yù)充填、預(yù)壓漿技術(shù)

地層儲(chǔ)漿條件的具備是高噴灌漿形成凝結(jié)體的前提。為防止漏漿，在造孔過程中首先進(jìn)行充填灌漿。回轉(zhuǎn)鉆機(jī)由于工藝的要求在鉆進(jìn)時(shí)一旦發(fā)生漏漿則必須首先把漏漿通道堵住，否則很難繼續(xù)鉆進(jìn)。過去一般采用投泥球和一些輕質(zhì)填料的辦法只把鉆孔附近的空隙堵住，一旦射流噴射通道沖開，還會(huì)使水泥大量浪費(fèi)。因此在鉆進(jìn)過程中研究采用了預(yù)充填的辦法能夠有效防止漏漿。其做法:將砂、粘土混合料以一定的方式充填到地層空隙中，或者逐級(jí)充填砂石級(jí)配料。針對(duì)地下水流速快的地層，成孔后的孔壁保護(hù)極為困難，采用預(yù)壓技術(shù)可以把一定范圍內(nèi)的地層空隙用稠泥漿、砂或砂漿充填，使鉆孔和噴射區(qū)受地下水的影響大大減小，達(dá)到保護(hù)孔壁和防止水泥漿流失的目的。

3.2 高噴灌漿工藝

大粒徑地層高壓噴漿工藝的特點(diǎn)在于利用水泥漿作為能量載體直接噴射地層，保證了射流所作用的范圍內(nèi)水泥成分?jǐn)U散均勻；漿液以高壓射流方式進(jìn)入地層減小了漿液被稀釋的程度，有利于提高結(jié)石率，減少浪費(fèi)和污染。高壓噴漿工藝是大粒徑地層中首選的高噴灌漿工藝措施。

（1）新三管法

新三管法是以水氣漿為介質(zhì)噴射的工法，是在三管法(水氣漿三介質(zhì)，漿液低壓注入)的基礎(chǔ)上引進(jìn)具有國際先進(jìn)水平的日本系列高壓泥漿泵，在水壓不變的情況下，改低壓注漿為高壓射漿，是目前國內(nèi)處于領(lǐng)先水平的防滲施工工法。新三管法工藝特點(diǎn)是首先用高壓水切割沖擊原始地層，然后再用高壓漿對(duì)地層進(jìn)行二次噴射。由于水的粘滯性很小，易于進(jìn)入較小空隙中產(chǎn)生水楔破碎效應(yīng)，對(duì)于沖切摻攪置換細(xì)顆粒有較好的作用。高壓射漿對(duì)地層的二次噴射不僅增大了噴射半徑，使?jié){液強(qiáng)制均勻進(jìn)入被噴射地層，有效噴射距離加大，同時(shí)由于漿、水嘴間距較大(水漿射流間距0.5-0.8m)，水對(duì)漿的稀釋作用大大減小，使實(shí)際灌入的水泥漿量增大，提高了凝結(jié)體的結(jié)石率及強(qiáng)度。本工藝適合于大粒徑間含較多密實(shí)充填物的大粒徑地層。

（2）新二管法

與目前國內(nèi)流行的以加固軟基為主的二重管法不同，新二管法是在二重管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有更高壓力和氣流量，是一種以防滲加固為主，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛的工法，在國外應(yīng)用于卵漂石地層已有許多成功的先例，性能優(yōu)良的高壓泥漿泵可使射漿壓力達(dá)到50MPa。新二管法工藝特點(diǎn)是直接用漿氣噴射原始地層，由于設(shè)備性能上的提高，使射漿有足夠的射流強(qiáng)度和比能單獨(dú)完成對(duì)地層的噴射，由于漿液粘滯度較大，噴出的漿液在地下流動(dòng)性差，對(duì)于處理含豐富地下水的空隙大礫卵漂石地層是合適的工藝方法。

參考文獻(xiàn)

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