淺談高壓噴射灌漿技術(shù)的設(shè)計與施工

梁潤華

（中國水利水電第五工程局有限公司 成都市 610066）

1 問題提出

我國自20世紀(jì)70年代引進(jìn)高壓噴射灌漿技術(shù)以來，就應(yīng)用于軟土地基處理，堤壩防滲加固及各種壩基防滲處理，通過幾十年的施工生產(chǎn)應(yīng)用，灌漿技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。由于高噴灌漿技術(shù)的迅速發(fā)展，在我國堤壩防滲加固及壩基防滲方面做出了重要貢獻(xiàn)，解決了一些其他技術(shù)難以解決的技術(shù)難題。

但是，在一些病險水庫的高噴灌漿防滲中，由于對高壓灌漿工藝?yán)斫夂蛻?yīng)用不當(dāng)，產(chǎn)生了工程事故，給國家造成了不應(yīng)有的經(jīng)濟損失。下面通過高噴灌漿工程事故案例的分析，總結(jié)出現(xiàn)上述問題的原因主要有兩個方面：

一是有些工程技術(shù)設(shè)計或施工人員，對于高噴灌漿技術(shù)看得過于簡單，認(rèn)為只要是一般的工程技術(shù)人員就能設(shè)計，一般的施工隊就可以施工等等。其實不然，高壓噴射灌漿技術(shù)是一項非常復(fù)雜的技術(shù)，沒有一定的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗是設(shè)計不好的。同樣沒有專業(yè)知識和高噴灌漿實踐經(jīng)驗的隊伍也是保證不了工程施工質(zhì)量的。

二是并沒有講明高噴灌漿的哪些工法 （或哪種噴射形式）不適應(yīng)哪些地層，只是講高壓噴射灌漿適應(yīng)于粘性土層，淤泥地層、砂層、礫卵石層等。其實有些工法對于某些地層是不適宜的。

廣西長洲水利樞紐位于廣西西江干流潯江下游河段，壩址下游距梧州12 km，是一座以發(fā)電為主、兼有航運、灌溉和養(yǎng)殖等綜合利用的大型水利工程。壩頂高程34.8 m、最大壩高49.3 m，壩長 3 350 m；總裝機 630 MW。其圍堰及土壩高噴防滲工程量達(dá)5萬m，高噴防滲墻穿過的地層有人工填筑碎石層、粉細(xì)砂層、砂卵石層、全風(fēng)化基巖。為了確保高噴防滲工程的施工質(zhì)量，我們針對不同的地層進(jìn)行了不同的高噴試驗，先后采用了單管法、雙管法、三管法和二次切割法（新三管法）。通過試驗，我們得出，一是在一定的參數(shù)情況下，成墻質(zhì)量從好到壞依次為二次切割法、雙管法、三管法、單管法；成樁半徑從大到小依次為二次切割法、三管法、雙管法、單管法。二是在同一種工藝下，高噴半徑從大到小依次為定噴、擺噴、旋噴；墻體厚度從薄到厚依次為定噴、擺噴、旋噴。

在張掖大孤山水電站樞紐基礎(chǔ)防滲施工中，所采用的噴灌方法為三管法定向噴射成墻施工。防沖隔墻長為68 m，該工程地層為砂礫土，采用凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)布置形式為柱擺式，成墻深度為30 m，墻厚平均為80 cm?？拙? m，噴射中心有直徑（20～30）cm的圓柱體。首先用水管、氣管、漿管同軸布設(shè)組成噴射桿，桿底部設(shè)置有噴嘴，氣、水噴嘴在上，漿液噴嘴在下，高噴時，隨著噴射桿的旋轉(zhuǎn)和提升，采用高壓水和氣的射流沖擊擾動地層土體，呈翻滾松散狀態(tài)，隨后以低壓注入濃漿摻混攪拌，硬化后形成凝結(jié)體。此方法高噴質(zhì)量可滿足設(shè)計要求，工效高、造價低，能充分利用原地土體，就地取材，機械化程度高，其工藝參數(shù)為：

（1）噴嘴直徑：（2～2.30）mm；

（2）高壓水：10 MPa，流量 40 L/min；

（3）氣壓：0.70 MPa，氣量 6 m3/min；

（4）漿壓：0.30 MPa，流量 80 m3/min；

（5）提升速度：15 cm/min；

（6）三重管回轉(zhuǎn)：7 r/min。

施工完成后采用挖深坑數(shù)米，用電子填土密實度檢測儀對周圍土體進(jìn)行現(xiàn)場質(zhì)量測試。檢測結(jié)果為土體密實度和承載力均大于原土體。

高壓噴射灌漿工法，分為單管法（CCP工法），二重管法（JSG工法）、三重管法（CJP工法）和多重管法（SSS—MAN工法）。各工法的能量發(fā)生裝置和能量介質(zhì)是不同的。單管法和二重管法，它們的能量發(fā)生裝置是高壓泥漿泵.能量介質(zhì)是漿液。是利用高壓漿液射流切割破碎土體，并與地層中的土、砂顆粒摻攪混合后而形成凝結(jié)體。三重管法和多重管法的能量發(fā)生裝置是高壓水泵.能量介質(zhì)是水，利用高速水射流切割破壞土體。三重管法（CJP工法）的低壓漿液是靠高速水、氣流的卷吸作用帶入切割范圍地層內(nèi).并與升揚置換后剩余的土、砂顆粒摻攪混合后而形成凝結(jié)體。正是這些差異,使三重管法（CJP工法）的適應(yīng)范圍受到了限制。工程實踐表明，該工法就不適宜流塑狀態(tài)的淤泥地層。在這種地層就不易形成凝結(jié)體。由于淤泥和淤泥質(zhì)土含有較多的極細(xì)顆?！z體顆粒，并且含水量高于液限。呈流塑狀態(tài)，所以靈敏性很高。當(dāng)它靜置一定時間，就成為凝膠體，具有一定的承載能力。如果受到外力攪動，就會液化，失去膠粘力，承載能力很低，甚至就像水一樣沒有承載能力，這種現(xiàn)象稱為觸變。大家都知道，水是斬不斷，切不開的，同樣高速水射流對于靈敏性很高的淤泥地層也是切割不出溝槽來的，所以漿液也就不會被高速水氣流卷吸到被切割的地層中去。四川汶川古城電站廠房尾水部位就出現(xiàn)過在液化細(xì)砂層中進(jìn)行高壓噴射灌漿后，地基承載力并沒有得到提高這一現(xiàn)象。三重管法還容易使灌入地層中的漿液被高壓水稀釋，在大顆粒地層動水條件下，會使?jié){液流失。而在粘土地層很容易使凝結(jié)體干容重變輕，強度降低。但也有它的優(yōu)勢，由于該工法的切削能力和升揚置換能力較強，在某些地層 （如砂層、粉土等）形成的高噴凝固體尺寸較大。

在粘土或黃土地層進(jìn)行高壓噴射灌漿時，由于粘土或黃土都具有較強的粘聚力，而高速噴射流切割土層都是瞬時發(fā)生的，所以不可能在短時間內(nèi)將粘性土體進(jìn)行全部粉碎，致使在這些地層中所形成的高噴凝結(jié)體中常夾有大小不等的粘土塊。如果在這些地層中采用定噴或擺噴灌漿形式進(jìn)行防滲，由于形成的防滲板墻很薄，有些部位只有十幾厘米，如果在這些部位夾有較大土塊，就很容易形成薄弱環(huán)節(jié)，很有可能成為上下游貫通的漏水通道。所以作為一個工程技術(shù)設(shè)計人員或高噴灌漿工程技術(shù)施工人員，搞清高壓噴射灌漿機理，弄清影響高噴準(zhǔn)漿質(zhì)量的影響因素至關(guān)重要，也是確保高壓噴射灌漿工程質(zhì)量的重要前提。高壓噴射灌漿的設(shè)計和施工都必須充分了解掌握具體工程的具體地質(zhì)情況，因地制宜的進(jìn)行設(shè)計和施工。

2 高壓噴射灌漿設(shè)計

在進(jìn)行高噴灌漿防滲工程設(shè)計時，部分設(shè)計人員是根據(jù)現(xiàn)場高噴灌漿試驗及開挖后所形成凝結(jié)體尺寸的大小，然后再乘以安全系數(shù)，來確定高噴灌漿的孔距及其他施工參數(shù)。其實光這樣做是不夠的，因為高噴灌漿凝結(jié)體的形成是一個非常復(fù)雜的過程，常受多種因素的影響。而壩的施工條件，如施工深度、地下水情況及地基應(yīng)力情況等，往往與現(xiàn)場試驗條件相差甚遠(yuǎn)。正是這些差異，往往會使形成的高噴灌漿凝結(jié)體的形狀、尺寸與現(xiàn)場試驗的凝結(jié)體形狀和尺寸有較大出人。設(shè)計人員如果對這些影響估計不足，就會做出錯誤的設(shè)計。甚至造成高噴灌漿工程的失敗?，F(xiàn)將影響高噴灌漿凝結(jié)體尺寸大小和質(zhì)量的幾個主要因素介紹如下。

2.1 不同地質(zhì)情況對高噴灌漿凝結(jié)體的影響

大量高噴灌漿工程實踐表明，當(dāng)高壓噴射灌漿參數(shù)一定時，所形成的高噴凝結(jié)體尺寸與地層土質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切有關(guān)。經(jīng)單管法高噴灌漿試驗統(tǒng)計結(jié)果如表1。

表1 單管旋噴壓力與固結(jié)體直徑關(guān)系

從表1可以看出，在高壓旋噴灌漿參數(shù)一定的情況下，在粉砂土及粉質(zhì)砂土中形成的旋噴樁直徑大，而在粉質(zhì)粘土中形成的旋噴樁直徑小。而且土質(zhì)粘聚力越大形成的樁徑越小。

另外，從汶川古城電站廠房尾水基礎(chǔ)進(jìn)行的三管法高噴灌漿試驗及開挖檢查中得知，在粘土層中，一般旋噴樁徑最大為115 cm。高噴孔經(jīng)過復(fù)噴 （即第一次光噴水氣，第二次為水、氣、漿），形成的樁徑最大為145 cm，比一次旋噴成樁直徑增加30 cm。而擺噴孔形成的板墻長度為210 cm，板墻中間厚為13 cm，擺噴板墻末端厚為55 cm。在凝結(jié)體中均夾有土塊。又在砂卵石層中，所形成的旋噴樁直徑為（150～160）cm，擺噴形成的板墻長度為2.70 cm，板墻中間薄處為39 cm，板墻末端厚度為63 cm。

高噴灌漿形成的凝結(jié)體尺寸(或切割深度)還與地層的應(yīng)力條件和軟硬程度有關(guān)。圖1為水氣同軸噴射時，不同應(yīng)力條件下的地層，在不同噴射壓力情況下與切割深度的關(guān)系。從圖1可以看出，在相同噴射壓力情況下巖土無側(cè)限抗壓強度σc越低，切割深度越深，否則相反。

圖1 噴射流壓力與切削速度關(guān)系

圖2為單管法高壓旋噴所形成的樁徑與地層標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系。從圖2可以看出，當(dāng)高噴灌漿參數(shù)一定時，地層標(biāo)貫擊數(shù)越大所形成的樁徑越小，否則相反。

圖2 單管法樁徑

2.2 地下水深度對高壓噴射流切削巖土深度的影響

作用在高噴桿噴嘴出口處的靜水壓力，對于高速噴射流的切削深度有明顯的影響。當(dāng)水氣同軸噴射流壓力一定時，噴嘴出口處的靜水壓力與切削巖土深度(或高噴凝結(jié)體尺寸)的關(guān)系如圖3。從圖3可以看出，當(dāng)靜水壓為0.05 kg/cm2時的切削深度與靜水壓力為2.0 kg/cm2時相比，后者的切削深度比前者要減少一半左右。

圖3 切削深度和靜水壓力關(guān)系（同軸噴射空氣噴流的場合）

在四川省木里俄公堡電站廠房一期圍堰進(jìn)行的旋噴試驗表明，在相同地層(均為砂礫石層)和相同高噴灌漿參數(shù)情況下，在有無地下水情況下，所形成的旋噴樁直徑相差明顯，見表2。

2.3 高噴孔深度對高噴防滲凝結(jié)體整體質(zhì)量的影響

目前我國一般施工隊的施工水平，鉆孔精度孔斜率約在1%～5%，按這個精度計算，鉆50 m深的孔，到下部就有可能偏斜（50～25）cm。如果相鄰兩孔向相反方向偏斜，到下部兩孔之間的距離就更大。作高噴灌漿設(shè)計時，如果不把這一因素考慮進(jìn)去，高噴防滲板墻就不會進(jìn)行有效的連接。鉆孔深度增加后，往往要穿過幾個不同的地層，由前述可知，在不同地層，如果采用相同的高壓噴射灌漿施工參數(shù)，往往會形成不同的高噴凝結(jié)體直徑。在這種情況下，就應(yīng)考慮是否適當(dāng)縮小高噴灌漿孔距，還是增加灌漿孔的排數(shù)，這都要經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟的比較論證后才能確定。

四川木里沙灣電站廠房尾水防滲高噴施工完成后，在基坑排水開挖時發(fā)現(xiàn)，圍堰中有幾處集中滲水，開挖后發(fā)現(xiàn)，滲水處兩高噴孔之間的間距為3.5 m，兩孔各自向相反方向偏斜，使得該處成為集中滲水點，經(jīng)補孔處理后才得到解決。所以，在進(jìn)行高噴灌漿設(shè)計時必須充分考慮到鉆孔的偏斜問題，在難以保證鉆孔垂直的情況下，盡可能采用雙排鉆孔設(shè)計，以保證高噴防滲的質(zhì)量。

孔深對高壓噴射灌漿質(zhì)量的影響還表現(xiàn)在隨著孔深度的增加，地層壓力在增加，地下水壓力在增加，噴桿長度增加，隨之帶來的是高壓氣、水、漿液壓力的損失增加，氣、水、漿液返流阻力增大，這些問題都會直接影響高壓噴射灌漿質(zhì)量。

2.4 水泥含量對高噴凝結(jié)體強度的影響

從高噴灌漿試驗開挖出來的大量高噴灌漿凝結(jié)體的化驗中得知，采用純水泥漿進(jìn)行高噴灌漿形成的凝結(jié)體水泥含量一般在30%～50%；而采用水泥含量50%的水泥粘土漿進(jìn)行高噴灌漿形成的凝結(jié)體水泥含量一般為20%～30%。由于凝結(jié)體的水泥含量不同，所以物理力學(xué)性能也不一樣，結(jié)石水泥含量越低，結(jié)石干密度越小，抗壓強度越低。同時在水下形成的凝結(jié)體的強度比在水上形成的凝結(jié)體強度要低。所以在進(jìn)行高壓噴射灌漿工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工程的具體要求和所承受的水頭來選用合適的漿液，以滿足工程的要求。同時，在進(jìn)行高壓噴射灌漿時，往往一個高噴孔要穿越幾個不同性質(zhì)的地層和受到不同靜水壓力的影響。高噴灌漿施工時如果各個施工參數(shù)不變，在不同的地層或不同靜水壓力情況下形成的高噴凝結(jié)體的尺寸也不同。不同尺寸的凝結(jié)體的單位體積內(nèi)的水泥含量也不一樣。從而導(dǎo)致凝結(jié)體的物理力學(xué)性能也不同。如果把噴射的漿量與所形成的凝結(jié)體的體積之比定義為注漿比。則注漿比與凝結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系如圖4。從圖4可以看出，高噴凝結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度與高噴灌漿注漿比值成正比。

圖4 固結(jié)體強度與注漿比的關(guān)系

3 高壓噴射灌漿施工

一個成熟的高噴灌漿專業(yè)施工隊伍，應(yīng)懂得為完成設(shè)計任務(wù)首先要準(zhǔn)備好能夠確保施工質(zhì)量的機械設(shè)備，如鉆機。高壓泵、高噴臺車等。鉆機要能確保鉆孔的精度，欲善其事，先利其器，高噴灌漿也是一樣，優(yōu)良的高噴灌漿設(shè)備，是確保高噴灌漿質(zhì)量的第一步。在難以成孔的細(xì)砂層、淤泥地層及地下空隙較大地層，采用鉆噴一體機將會取得較好的高噴效果。

另外要選用合理的高噴灌漿施工參數(shù)。因為不同的高噴灌漿施工參數(shù)，它將直接影響高噴凝結(jié)體的尺寸和質(zhì)量。所以，根據(jù)具體地層進(jìn)行高壓噴射灌漿實驗，取得合理的參數(shù)是搞好灌漿的關(guān)鍵第一步。

3.1 噴射壓力對凝結(jié)體尺寸(或切割深度)的影響

從大量高噴灌漿實踐和試驗中得知，高壓噴射流壓力和所形成凝結(jié)體的尺寸密切相關(guān)，表1是單管法高壓旋噴灌漿在不同地層中，在其他高噴灌漿參數(shù)一定的情況下，不同噴射壓力與所形成旋噴樁直徑的關(guān)系。從表1可以清楚地看出，在同一地層中旋噴射樁直徑與噴射壓力成正比。

另外從圖1還可以看出，在同一地層（即相同應(yīng)力條件下）中，水氣同軸噴射壓力與切削深度成正比。

3.2 灌漿管旋轉(zhuǎn)與提升速度及凝結(jié)體尺寸的關(guān)系

一般來說，旋轉(zhuǎn)與提升速度減慢，凝結(jié)體尺寸會增加，但減慢到某一范圍時，凝結(jié)體尺寸增加甚微。當(dāng)提升速度一定時，旋轉(zhuǎn)速度有一最佳值，當(dāng)?shù)陀诖俗罴阎禃r，凝結(jié)體的尺寸反而會減少。

圖5是三重管旋噴提升速度為4 cm／min時，在兩種土層中旋轉(zhuǎn)速度與凝結(jié)體直徑關(guān)系的試驗結(jié)果。其他技術(shù)參數(shù)是：噴射壓力40 MPa，噴射泵量70 L／min，壓縮空氣壓力 0.7 MPa，氣量 3 m3／min，水泥漿量 200 L／min。水泥漿泵壓3.5 MPa。

圖5 三重旋噴試驗的旋轉(zhuǎn)速度

圖6為相同試驗條件下，旋轉(zhuǎn)速度為5 r／min時，提升速度與凝結(jié)體關(guān)系的試驗結(jié)果。

旋轉(zhuǎn)速度和提升要合理配合，才能取得較好的破壞土體的效果。一般應(yīng)通過高噴灌漿現(xiàn)場試驗來確定合理的旋轉(zhuǎn)速度和提升速度。

圖6 三重管旋噴試驗的提升速度

在進(jìn)行俄公堡電站閘首一期圍堰高噴防滲施工時，我們根據(jù)不同孔深、不同的地下水情況及不同的地質(zhì)情況采用了不同的提升速度；在高噴灌漿開始階段，由于地下漂石較多，存在有較大的滲流通道，出現(xiàn)了孔口無返漿現(xiàn)象，對此，我們采用了只旋轉(zhuǎn)不提桿并加沙的辦法，待孔口返漿后再提桿，提桿速度為5 cm/min。返漿正常后，調(diào)整提桿速度為10 cm/min。在二序孔施工時，孔底5 m部位提桿速度為10 cm/min，以后調(diào)整為12 cm/min，有效地保證了施工質(zhì)量，確保了工期要求。經(jīng)圍井壓水檢查，滲透系數(shù)為 i×10-5。

3.3 噴嘴直徑的影響

如果其他噴射條件不變，而僅僅改變噴嘴直徑，切削深度和定噴板厚度均隨著噴嘴直徑的增加而增加。依噴嘴的形狀，內(nèi)壁加工精細(xì)程度的不同，切削深度也不同。但隨著噴嘴直徑的增加，單位注入漿量亦隨之增加，在增加噴嘴直徑的同時還要考慮到經(jīng)濟的合理性。

4 結(jié)語

（1）影響高壓噴射灌漿質(zhì)量的因素很多，對每個因素的忽視都可能造成工程質(zhì)量事故，所以高噴灌漿設(shè)計和施工，應(yīng)由具備專業(yè)知識和豐富工程實踐經(jīng)驗的工程技術(shù)人員和施工隊來承擔(dān)。

（2）高壓噴射灌漿不同的工法和噴射形式，適應(yīng)的條件并不完全相同，應(yīng)根據(jù)不同情況選用合理的高噴灌漿工法和噴射形式。

（3）高噴灌漿所形成的凝結(jié)體，當(dāng)采用純水泥漿時，凝結(jié)體的水泥含量一般為30%～50%，當(dāng)采用水泥含量為50%的水泥粘土漿時，凝結(jié)體水泥含量一般為20%～30%。而且凝結(jié)體的抗壓強度和抗?jié)B坡降等力學(xué)性指示，均隨凝結(jié)體水泥含量的減少而降低。所以在進(jìn)行高噴灌漿設(shè)計時，一定要根據(jù)工程的具體要求選用合理的漿液，以確保工程的質(zhì)量。

（4）在顆粒較大的砂礫層地層進(jìn)行高壓噴射灌漿時，由于顆粒大，地層中空隙較大，如果直接進(jìn)行漿液注射，會有大量漿液損耗，這時，需先進(jìn)行純砂、不提旋噴桿噴射，待注入一定量砂后再開啟灌漿泵進(jìn)行灌漿，這樣能取得既節(jié)約漿量又保證質(zhì)量的效果。