大口徑鉆噴一體化高噴灌漿技術(shù)及應(yīng)用

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(長江科學(xué)院 a.院長辦公室；b.武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010)

高壓噴射灌漿法其原理是利用射流作用切割摻攪地層，改變地層的結(jié)構(gòu)和組成，同時灌入水泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，借以達(dá)到加固地基和防滲的目的[1]。高噴防滲墻施工技術(shù)進(jìn)度快、防滲加固性好且造價較低。在江西省廖坊水利樞紐庫區(qū)防護(hù)工程八堡堤和萬年堤防滲施工時，地層中含礫中粗砂及礫卵石，首次采用創(chuàng)新的加大鉆頭直徑的鉆噴一體化高壓旋噴灌漿施工工法。

1 工程概況

廖坊水利樞紐工程是國家水利“九五”計劃的重點工程和《長江流域利用計劃》確定的治理開發(fā)撫河的大型控制性工程。該工程位于撫河干流中游，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、供水和航運等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐工程。大壩為混凝土重力壩，最大壩高41.50 m。

八堡堤是廖坊庫區(qū)防護(hù)工程之一[2]，其工程等級為V等工程，其主要建筑物級別相應(yīng)為5級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇。八堡堤位于撫河右岸，是南城縣唯一的一座保護(hù)666.67 hm2以上農(nóng)田的重點圩堤，在長約7.02 km的原土堤上加高加固達(dá)現(xiàn)有規(guī)模，堤線長8.18 km，堤頂寬6.00 m，堤頂高程68.45～68.14 m。萬年堤位于撫河左岸南城大橋下游,堤線全長2.78 km。

堤防保護(hù)區(qū)屬撫河Ⅰ級沖積階地。階面高程一般為60～63 m。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積層，具二元結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)堤基表層為黏性土，局部缺失，下伏砂層、卵石層厚4～6 m，基巖為砂巖、粉砂巖。原基礎(chǔ)處理采用射水法造砼防滲墻，由于混凝土防滲墻出現(xiàn)了滲漏，堤基出現(xiàn)了滲透破壞問題，長期的滲漏可能導(dǎo)致滲漏通道不斷擴(kuò)大，從而會對堤防的安全形成威脅，導(dǎo)致水庫水位一直無法蓄至正常蓄水位，難以充分發(fā)揮工程的效益，因此采取有效措施進(jìn)行滲漏處理是非常必要的。

2 高噴灌漿試驗

項目現(xiàn)場試驗孔布置在八堡堤樁號4+475堤段堤外坡腳平地上，堤基土自上而下分別為粉土、細(xì)砂、砂卵礫石、泥質(zhì)粉砂巖，該部位的地層情況具有較好的代表性。

為了試驗論證采用高壓噴射灌漿進(jìn)行防滲處理的可行性，通過灌漿試驗獲得高壓噴射灌漿在這種地層內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、合理的定噴孔距布置形式，選取切實可行的施工工藝方法和技術(shù)參數(shù)以及配套的施工設(shè)備，試驗分4組，孔位布置為圍井形式，采用鉆噴一體化設(shè)備進(jìn)行鉆噴作業(yè)。第1組圍井孔距1 000 mm；第2組圍井孔距1 100 mm；第3組圍井孔距1 150 mm；第4組圍井孔距1 200 mm。計劃先做第1、第3組圍井。試驗嚴(yán)格按照《水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》[3]進(jìn)行施工。

2.1 試驗施工機(jī)械

高噴灌漿試驗所使用施工機(jī)械見表1。

表1 高噴灌漿試驗施工機(jī)械

表2 高噴灌漿施工參數(shù)

2.2 試驗方法及參數(shù)

噴射灌漿開始時，在設(shè)計和規(guī)范要求的施工技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)，選取較為保守的施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗施工，見表2。在水泥漿壓力、漿量、比重和轉(zhuǎn)速不變的條件下，觀測孔口返漿量，測量回漿密度。當(dāng)孔口返漿較大時，加快噴漿管提升速度，每次提升速度增加量不超過原提升速度的15%，改變提升速度后觀察孔口返漿情況和回漿密度，如此反復(fù)改變提升速度，直至孔口返漿正常，以此確定在相同水泥漿壓力、漿量、比重和轉(zhuǎn)速的條件下不同地層適宜的噴漿管提升速度。試驗過程中由現(xiàn)場質(zhì)檢員記錄試驗數(shù)據(jù)。

第1、第3組圍井高噴灌漿試驗采用旋、擺結(jié)合。定孔位、造孔及下噴射管、靜噴、旋噴提升成墻和靜壓回灌。第1、第3組圍井高噴灌漿試驗孔布置圖詳見圖1。

圖1 第1、第3組圍井高噴灌漿試驗孔布置

第2、第4組圍井采用鉆噴一體化施工，鉆桿即噴射管，鉆孔和下噴射管一次完成，鉆孔孔位偏差小于50 mm，鉆孔偏斜率小于1%，鉆到設(shè)計深度經(jīng)驗收合格后即進(jìn)行高噴施工，為了保證施工質(zhì)量，提高防滲效果，第2、第4組圍井試驗采用了加大鉆頭直徑的方式進(jìn)行施工。

當(dāng)噴射到設(shè)計高程后，噴射完畢，及時將各管路沖洗干凈，不得留有殘渣，以防堵塞，尤其是供漿系統(tǒng)更為重要。通常是把漿液換成清水進(jìn)行連續(xù)沖洗，直到管路出水澄清為止。為解決旋噴凝結(jié)體頂部因漿液析水而出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，每當(dāng)噴射結(jié)束后，隨即在噴射孔內(nèi)進(jìn)行靜壓充填灌漿，直至孔口液面不再下沉為止。

第2、第4組圍井均由8個單高噴墻組成，孔距分別為1 100 mm和1 200 mm。第2、第4組圍井高噴灌漿試驗孔布置圖詳見圖2。

圖2 第2、第4組圍井高噴灌漿試驗孔布置

2.3 試驗灌漿情況

2010年9月16日試驗在堤后開始對第1組圍井嚴(yán)格按照表2確定的試驗參數(shù)施工，漿液輸送距離58 m,灌漿過程中，在基巖噴灌中回漿量較大，進(jìn)入砂卵石層時，吃漿量加大，回漿量減小，并在附近地表及水溝出現(xiàn)很多氣泡，伴隨有漿液冒出，加大漿流量噴射。9月23日第1組孔距1 000 mm，高噴灌漿試驗圍井結(jié)束。

2010年9月19日進(jìn)行第3組圍井施工，噴射管下入到設(shè)計深度后，無返漿，附近地表及水溝出現(xiàn)很多氣泡；降低水壓力，加大進(jìn)漿量、進(jìn)漿比重，仍無返漿；對孔內(nèi)填充粗沙，經(jīng)過1 h 25 mim的灌漿、充填，返漿正常開始提升。其它情況基本與第1組圍井相似。9月24日本組高噴灌漿試驗結(jié)束。

2010年10月5日開始對圍井第2、第4進(jìn)行試驗，施工中嚴(yán)格按照表2確定的參數(shù)施工，漿液輸送距離58 m,灌漿過程中，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。10月9日，圍井第2，4組高噴灌漿試驗結(jié)束。

2.4 高噴灌漿試驗效果檢測與分析

從2010年9月26日開始對圍井第1，3組表面進(jìn)行清除、開挖。9月30日，圍井第1組表面清理后，內(nèi)挖至2 m觀察，圍井輪廓較好，旋噴和擺噴搭接較好，繼續(xù)開挖至3.2 m，進(jìn)入砂卵石層，卵石粒徑較大，有少量水滲出，繼續(xù)開挖至4 m進(jìn)入粗砂層夾雜著卵石，部分卵石粒徑較大，滲水量加大，用水泵抽水，挖深至5 m為粗砂層夾雜著卵石，卵石粒徑依然較大，滲漏量加大，仔細(xì)觀察旋噴和擺噴墻體在擺噴和旋噴樁搭接處明顯漏水，為了安全沒有繼續(xù)開挖。10月2日，圍井第3組表面清理后，內(nèi)挖至1 m觀察，圍井輪廓較好，旋噴和擺噴搭接較好，繼續(xù)開挖至1.2 m,旋噴和擺噴處，從以前吉林省水利水電工程局做試驗的排漿溝水泥墻板下明顯有一股水流出，用水泵抽水挖深至2.2 m，水流很大，無法繼續(xù)開挖。

從上開挖情況可判斷：圍井第1組試驗的防滲效果差，無法起到防滲效果。圍井第3組高噴孔鉆在吉林省水利水電工程局的排漿溝水泥墻板做試驗中，無法反映防滲效果，圍井第3組試驗失敗。

從2010年10月11日開始對圍井第2，4組表面進(jìn)行清除、開挖。一序孔施工結(jié)束后進(jìn)行了表面開挖檢查，高壓旋噴樁的直徑最小2.2 m、最大的達(dá)2.4 m，顯示了加大鉆頭后很好的成樁效果。10月23日進(jìn)行開挖檢查，因高壓旋噴樁的直徑過大整個圍井成為了1個整體的板墻，無法進(jìn)行人工開挖，只能用鉆機(jī)鉆Φ0.5 m的孔至基巖。10月23日后對圍井第2，4組進(jìn)行了抽水試驗，圍井第2組的計算滲透系數(shù)為1.12×10-6cm/s。圍井第4組的計算滲透系數(shù)為1.21×10-6cm/s。均滿足滲透系數(shù)k≤A×10-6cm/s(A=1～10)的設(shè)計要求。

從上開挖情況可以判斷：圍井第2，4組試驗的防滲效果很好，達(dá)到設(shè)計要求。

2.5 高噴灌漿試驗優(yōu)缺點

通過4組試驗比較分析及施工過程的經(jīng)驗，可以得出：① 本工程中采用旋擺結(jié)合的方式進(jìn)行施工可操作性不強(qiáng)，容易造成搭接處滲透，防滲效果不好；②加大鉆頭后全部采用旋噴的方式進(jìn)行施工，可操作性強(qiáng)，提高了施工效率，主要是高壓旋噴樁的直徑顯著提高，最小的達(dá)2.2 m，顯示了加大鉆頭后很好的成樁效果,更好地保證了高噴防滲墻的施工質(zhì)量；③針對本工程地下水豐富、地層砂卵石率高的特點，采用二管法工藝取消高壓水，直接采用高壓漿切割、充填，可以達(dá)到減輕漿液稀釋的目的，對于處理地下水豐富、地層架空現(xiàn)象較嚴(yán)重的地層具有明顯優(yōu)勢，而且具有工效快，節(jié)約材料，廢漿量較少的優(yōu)點。

3 高壓噴射灌漿施工

3.1 大口徑的鉆噴一體化工法施工工法

長江科學(xué)院創(chuàng)新性地研究了大口徑(Φ420 mm)的鉆噴一體化施工工法，其最重要的改進(jìn)方面是鉆孔工序，該工法中技術(shù)鉆桿即噴射管，鉆到設(shè)計深度后即進(jìn)行高噴施工，實現(xiàn)鉆、噴(灌)一體化。改進(jìn)后的大口徑鉆噴一體化施工工法具有如下優(yōu)點：

(1) 鉆噴一體，鉆桿提升靈活、機(jī)具穩(wěn)定性好。

(2) 由于設(shè)備性能上的提高，可提高鉆孔垂直度，解決成孔難的問題，提高工效。

(3) 采用噴頭與特制鉆頭連成一體的特殊鉆頭不僅可簡化高噴灌漿先鉆孔再噴的工序，還能有效地解決厚砂層、厚雜填土層、淤泥層、礫石層和卵石層等各種復(fù)雜地層造成埋管不成孔以及護(hù)壁困難的問題。

(4) 由于加大的鉆頭直徑達(dá)Φ420 mm(常規(guī)的鉆頭直徑<Φ80 mm)，孔距由常規(guī)的800 mm加大到1 200 mm。提高了工效50%，降低成本達(dá)25%。

(5) 不需要鉆機(jī)造孔，設(shè)備機(jī)動靈活，因此，施工人員可減少1/3左右。

(6) 可以不分序連續(xù)施工。

本工程采用了加大鉆頭直徑的方式進(jìn)行施工，采用Φ420 mm的噴頭進(jìn)行旋噴噴射灌漿，屬于國際首創(chuàng)。工程嚴(yán)格按照《水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行施工。鉆到設(shè)計深度經(jīng)驗收合格后即進(jìn)行高噴施工，當(dāng)噴射到設(shè)計高程后，噴射完畢，及時將各管路沖洗干凈，不得留有殘渣，以防堵塞，尤其是供漿系統(tǒng)更為重要。通常是把漿液換成清水進(jìn)行連續(xù)沖洗，直到管路出水澄清為止。為解決旋噴凝結(jié)體頂部因漿液析水而出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，每當(dāng)噴射結(jié)束后，隨即在噴射孔內(nèi)進(jìn)行靜壓充填灌漿，直至孔口液面不再下沉為止。

3.2 選用二管法工藝施工

二管法是直接用高壓漿，在壓縮空氣保護(hù)下直接噴射攪拌地層，而形成凝結(jié)體；三管法是用高壓水在壓縮空氣保護(hù)下直接噴射攪拌地層，形成負(fù)壓區(qū)，而后用低壓漿充填而形成凝結(jié)體。多年實踐證明，這2種方法都可以形成高噴凝結(jié)體，已成功施工了大量工程。但由于近年來國產(chǎn)泥漿高壓泵性能、壽命都有較大提高，安全運行可靠，并且防滲效果好、成墻強(qiáng)度高。故采用二管法工藝施工逐漸增多，認(rèn)為較可靠的一種方法。針對本工程地下水豐富、地層砂卵石率高的特點，取消高壓水作用這一過程，而直接采用高壓漿切割、充填，以達(dá)到減輕漿液稀釋的目的。對于處理地下水豐富、地層架空現(xiàn)象較嚴(yán)重的地層具有明顯優(yōu)勢，且工效快，節(jié)約材料，廢漿量較少。

3.3 工程施工效果

本工程進(jìn)行了20組鉆孔取芯檢測及抽水實驗，進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)性能試驗，檢測抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)和滲透比降均滿足設(shè)計要求。在施工中已完成的工程量為鉆孔73 086.69 m2，噴孔43 686.57 m2。高壓噴射灌漿防滲墻頂設(shè)計高程為62.5 m，2011年5月施工結(jié)束后，工程蓄水高程多次超過防滲墻頂設(shè)計高程，未發(fā)現(xiàn)集中滲漏點或管涌，實踐證明，施工的工程蓄水效果良好。

4 結(jié) 論

通過施工過程的經(jīng)驗總結(jié)，可以得出如下結(jié)論：

(1) 首創(chuàng)的加大鉆頭后全部采用旋噴的方式進(jìn)行施工，可操作性強(qiáng)，提高了施工效率，主要是高壓旋噴樁的直徑顯著提高，最小的成樁直徑達(dá)2.2 m，顯示了加大鉆頭后很好的成樁效果，更好地保證了高噴防滲墻的施工質(zhì)量，并且采用1.2 m的孔距全部用旋噴的方式進(jìn)行施工，可以在不增加成本的前提下提高工效達(dá)50%，值得在類似工程中推廣。

(2) 創(chuàng)新研究的鉆噴一體化施工工法比傳統(tǒng)高噴灌漿工藝具有高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、能在厚砂層、厚雜填土層、淤泥層、礫石層和卵石層等各種復(fù)雜地層有效使用等優(yōu)點。

(3) 針對本工程地下水豐富、地層砂卵石率高的特點，采用二管法工藝取消高壓水作用這一過程，而直接采用高壓漿切割、充填，可以達(dá)到減輕漿液稀釋的目的，對于處理地下水豐富、地層架空現(xiàn)象較嚴(yán)重的地層具有明顯優(yōu)勢，而且具有工效快、節(jié)約材料、廢漿量較少的優(yōu)點。

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