高噴灌漿在遼河堤防基礎(chǔ)加固工程中的應(yīng)用

郭振明，宋兵偉，高紅艷，張美英

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽(yáng)110003;2.大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，大連116021;3.遼寧騰飛噴泉園林工程有限公司，沈陽(yáng)110003)

1 工程概況

遼河大堤谷家砂堤段位于遼河下游右岸盤(pán)錦市雙臺(tái)子區(qū)境內(nèi)，該堤段防滲工程總長(zhǎng)度1 000 m，樁號(hào)L37∶0+300 ～ L37∶1+300，根據(jù)松遼委的批復(fù)，盤(pán)錦市遼河大堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。谷家砂質(zhì)壩壩體素填土和壩基土部分地段粉土、粉砂層含量較多，表現(xiàn)為標(biāo)貫擊數(shù)較高。素填土和壩基土部分地段存在軟弱夾層，表現(xiàn)為標(biāo)貫擊數(shù)較低。在高水位運(yùn)行時(shí)，上述地段易發(fā)生流土破壞，引起堤壩滲漏。盤(pán)錦市谷家險(xiǎn)工基礎(chǔ)主要為粉細(xì)砂，滲透系數(shù)較大。局部基礎(chǔ)表層雖為黏土，但室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)為2.70×10-4cm/s，野外試驗(yàn)滲透系數(shù)為1.42×10-4cm/s，都很大，為中等透水。堤內(nèi)、堤外均存在不同程度的“天窗”，造成天然相對(duì)隔水層缺失，所以，洪水期如河道水位較高，則存在側(cè)向滲漏問(wèn)題，應(yīng)采取水平或垂直防滲處理。該段大堤堤身現(xiàn)存在鼠洞，為一不良隱患。

因此，為從根本上消除滲透破壞隱患，該段堤防采用二管法高壓噴射灌漿技術(shù)進(jìn)行防滲處理。

2 高噴灌漿設(shè)計(jì)

2.1 高噴灌漿技術(shù)的選擇

高壓噴射灌漿技術(shù)是70年代由國(guó)外引進(jìn)的一種先進(jìn)的基礎(chǔ)處理施工方法。國(guó)內(nèi)已在土木、公路、鐵路、礦山和國(guó)防等部門(mén)相繼采用。自高噴灌漿技術(shù)開(kāi)發(fā)以來(lái)，三重管灌漿法(簡(jiǎn)稱(chēng)三管法)成為著重研究的對(duì)象，并將該灌漿方法應(yīng)用于水利工程建設(shè)上，且已先后在國(guó)內(nèi)、外完成水庫(kù)、排灌站、堤防等四十余處防滲、防沖、防液化、承載、截潛等工程施工及試驗(yàn)研究工作，并取得了良好的效果。實(shí)踐證明這項(xiàng)技術(shù)具有施工簡(jiǎn)單，效果可靠及不需要開(kāi)挖即可處理地下隱蔽工程等優(yōu)點(diǎn)。

三管法是利用高壓水、氣同軸噴射流，沖切破壞土體，再注入低壓水泥漿進(jìn)行充填，經(jīng)摻攪混合，升揚(yáng)置換作用，形成固結(jié)體。高壓噴射灌漿發(fā)展初期，二管法泥漿泵壓力僅為15～20 MPa，形成旋噴樁直徑不足60 cm，且設(shè)備易磨損，使用壽命低，這些缺陷在當(dāng)時(shí)嚴(yán)重限制了二管法噴射灌漿的發(fā)展。三管法由于可用高壓泵直接壓送清水，機(jī)械設(shè)備不易磨損，壓力可達(dá)40～50 MPa，形成旋噴樁直徑為100～160 cm，比二管法形成固結(jié)體要大1～2倍。因此國(guó)內(nèi)幾乎同時(shí)開(kāi)發(fā)三管法噴射灌漿。

在此后的十幾年中，三管法在機(jī)具設(shè)備、制漿、工藝、質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面得到了不斷發(fā)展和完善，并在基礎(chǔ)處理工程施工上得到廣泛應(yīng)用，為水利、建筑、交通及礦山等部門(mén)解決了許多難題。

但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深入，發(fā)現(xiàn)三管法高噴灌漿存在一些難以克服的缺陷，在許多情況下限制了其運(yùn)用范圍［1］，主要表現(xiàn)為:

1)三管法高壓噴射灌漿過(guò)程中，高壓水射流在切割土體同時(shí)，對(duì)灌注漿液形成稀釋作用，使固結(jié)體的凝結(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，強(qiáng)度降低。這對(duì)于那些需要在短時(shí)間內(nèi)大幅度提高樁(墻)強(qiáng)度的工程，難于滿(mǎn)足要求。

2)在高壓水射流切割摻攪土體過(guò)程中，由于氣流的升揚(yáng)置換作用，大量漿液排除地面。即不利于節(jié)省材料，降低成本，又造成廢漿污染環(huán)境，對(duì)那些需要清理廢漿工程需額外增加不少費(fèi)用。

3)三管法設(shè)備復(fù)雜，而且配套設(shè)備數(shù)量較多，至使其進(jìn)、退場(chǎng)搬遷困難，在狹窄場(chǎng)地條件下施工難以機(jī)動(dòng)地隨著處理部位而及時(shí)轉(zhuǎn)移。

在這種背景下，一種節(jié)省材料、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境污染較小的二管灌漿技術(shù)在國(guó)內(nèi)興起，其幾乎解決三管法所有技術(shù)難題。并已在國(guó)內(nèi)多處工地使用。二管法，即采用高壓泥漿泵裝置，將單一介質(zhì)的水泥漿外裹同軸壓縮氣從噴嘴噴射出去，沖擊破壞土體，同時(shí)借助灌漿管的提升或旋轉(zhuǎn)，使?jié){液與塌落下來(lái)的土摻攪混合，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的凝固，在土中形成固結(jié)體。在機(jī)具設(shè)備方面，目前國(guó)產(chǎn)新一代高壓泥漿泵的工作壓力達(dá)到50 MPa，具有既能泵送清水又能泵送高密度泥漿功能，泵體結(jié)構(gòu)采用新型耐磨材料，其使用壽命已大幅度提高。且價(jià)格也大幅下降。這些優(yōu)點(diǎn)為普及二管法灌漿技術(shù)創(chuàng)造有利的條件。因此本工程選擇二管高壓噴射灌漿技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

2.2 工藝原理

遼河堤防防滲加固處理工程選取二管高壓噴射灌漿技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其原理是借助于高壓設(shè)備，將水泥漿以高壓射流的方式從噴嘴中噴射出來(lái)，同時(shí)利用壓縮空氣流將射流出的高壓水泥漿包裹其中，并且沖擊、破壞被灌地層結(jié)構(gòu)，使?jié){液與被灌地層顆粒摻混，形成符合設(shè)計(jì)要求的凝結(jié)體，借以達(dá)到加固地基和防滲的目的。

2.3 施工布置

高噴灌漿孔軸線(xiàn)布置在迎水側(cè)堤肩，孔間距為1.4 m，灌漿深度為14.703 m。為確保設(shè)計(jì)灌漿深度，鉆孔深度比灌漿深度宜超深0.5 m。為保證防滲墻體的厚度，采用擺噴灌漿方式，設(shè)計(jì)擺角為23°。見(jiàn)圖1。

圖1 堤防橫斷面示意圖

灌漿施工分Ⅱ序進(jìn)行，即1#，3#……奇數(shù)孔為Ⅰ序孔，2#，4#……偶數(shù)孔為Ⅱ序孔，分序施工的目的是避免噴射時(shí)造成鄰孔塌孔和串漿。設(shè)計(jì)Ⅰ序孔噴射板墻與軸線(xiàn)成20°，二序孔噴射板墻與軸線(xiàn)成160°，板墻平面呈140°交叉折線(xiàn)型。見(jiàn)圖2。

圖2 防滲板墻平面交接示意圖

2.4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

擺噴灌漿試驗(yàn)的具體參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 擺噴灌漿試驗(yàn)參數(shù)

3 施工方法

本工程設(shè)計(jì)的高噴灌漿方式為擺噴灌漿，灌漿的施工工藝流程如圖3所示。

圖3 高噴灌漿的施工工藝流程圖

3.1 鉆孔

高噴灌漿工程鉆孔采用XY—2P型鉆機(jī)，開(kāi)孔直徑為108 mm，采用合金鉆頭，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以膨潤(rùn)土漿固壁，確保孔壁在24～48 h內(nèi)不塌孔。

3.2 噴射灌漿

二管高噴灌漿裝置主要設(shè)備為高噴臺(tái)車(chē)、高壓泥漿泵、空壓機(jī);輔助設(shè)備為漿材制備系統(tǒng)、介質(zhì)管路系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)。本次灌漿采用SGP30—5型高噴臺(tái)車(chē)。

高壓噴射灌漿工序分為定向、下管、試噴、提升、補(bǔ)漿等，然后將高噴臺(tái)車(chē)遷移至另一待噴孔就位。為避免出現(xiàn)噴射時(shí)相鄰孔塌孔，灌漿時(shí)根據(jù)施工布置，分序進(jìn)行灌漿。當(dāng)高噴灌漿結(jié)束后，水泥漿經(jīng)過(guò)一段時(shí)間沉淀，需進(jìn)行孔口補(bǔ)漿，直到填滿(mǎn)為止。

3.3 漿液制備

制漿設(shè)備包括泥漿攪拌機(jī)、灰漿攪拌機(jī)各一臺(tái)，用于拌和膨潤(rùn)土漿和水泥漿;利用泥漿泵輸送漿液，漿材制備工藝如下:

3.3.1 膨潤(rùn)土漿

膨潤(rùn)土經(jīng)泥漿攪拌機(jī)和水混合攪拌，形成膨潤(rùn)土漿，輸送至鉆機(jī)泥漿泵，供鉆孔護(hù)壁使用。本次灌漿膨潤(rùn)土為錦州市黑山縣生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土，確保鉆機(jī)成孔后24～48 h不塌孔。

3.3.2 水泥漿

本次施工采用純水泥漿作為灌漿材料。水泥漿液配比為1∶0.8(水泥∶水)，所需要的水和水泥用量，先后加入攪拌筒中攪拌，靜止后，用上海生產(chǎn)的泥漿比重計(jì)量測(cè)漿液比重，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，用高壓泥漿泵輸送到灌漿管中進(jìn)行噴射灌漿。

4 防滲板墻質(zhì)量檢查

4.1 開(kāi)挖檢查

先整體挖去灌漿板墻上部1 m覆蓋層，范圍以圍井墻體中心線(xiàn)向內(nèi)外各0.5 m。之后用人工進(jìn)行仔細(xì)開(kāi)挖，開(kāi)挖深度為墻體頂部以下0.8 m，露出明顯灌漿孔施工墻體。開(kāi)挖后經(jīng)檢查，灌漿形成防滲板墻輪廓清晰、墻壁垂直、連續(xù)完整、水泥含量高。兩孔板墻連接部位搭接充分、牢固。經(jīng)量測(cè)單個(gè)擺噴板墻有效平均長(zhǎng)度1.65 m，平均厚度15 cm，搭接處厚35 cm，重復(fù)搭接部分長(zhǎng)達(dá)0.4 m。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，開(kāi)挖結(jié)果圖4。取樣墻體室內(nèi)試驗(yàn)28 d抗壓強(qiáng)度為4～6 MPa。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 高噴防滲板墻

4.2 圍井試驗(yàn)

圍井試驗(yàn)的成果見(jiàn)表2所示。

表2 注水試驗(yàn)成果表

滲透系數(shù)計(jì)算根據(jù)下面公式:

式中:t為防滲墻平均厚度;L為圍井周長(zhǎng);H為圍井試驗(yàn)水位至井底的深度;H0為地下水位至井底的深度。

5 結(jié)語(yǔ)

盤(pán)錦市遼河堤防砂基砂堤段防滲工程，從2006年10月開(kāi)工，至2007年7月完工，去除冬雨季停工時(shí)間，實(shí)際工期6個(gè)月，構(gòu)筑防滲板墻長(zhǎng)度1 000 m，形成防滲板墻面積14 703 m2。經(jīng)過(guò)開(kāi)挖及試驗(yàn)檢查，墻體完整，圍井試驗(yàn)滲透系數(shù)較小。工程竣工至今，經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，從未發(fā)生堤防水毀情況，可以看出遼河谷家堤防高噴灌漿防滲處理后，防滲效果較好，達(dá)到了預(yù)期目的。通過(guò)本工程的實(shí)踐，也證明了二管高噴灌漿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即不受地形限制、易連接穿堤建筑物、節(jié)省主材、防滲效果好。

［1］秦世潤(rùn).高噴灌漿在高噴防滲墻工程施工中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010，20(12):192-194.