美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)解析

陳 秉 政， 鄧 樹(shù) 密， 廖 聰

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)為美國(guó)主要的水利機(jī)構(gòu)之一, 屬陸軍部管轄。其前身為 1775 年任命的、為陸軍總工程師處理軍隊(duì)建設(shè)和防御工事的機(jī)構(gòu)。1802年，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)正式成立為紐約西點(diǎn)軍校的工程班，直至1866 年才成為一個(gè)一般的軍事院校。1824 年，美國(guó)議會(huì)授權(quán)美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)負(fù)責(zé)航道整治及其相鄰濕地的維護(hù)，航道治理包括建設(shè)閘壩、疏浚、護(hù)岸及航運(yùn)工程管理等，以保證密西西比河尤其是上游河段常年通航，有力地促進(jìn)了沿岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。筆者介紹了美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 灌漿設(shè)計(jì)階段

2.1 一般原則

本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，灌漿的需求應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)階段就考慮到，減少滲漏對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不利影響是灌漿最重要的作用。灌漿的同時(shí)提供了深入探索不利因素的可能性。如果基礎(chǔ)的滲漏對(duì)結(jié)構(gòu)建筑物沒(méi)有影響，那么，深孔的帷幕灌漿是沒(méi)有必要的。

灌漿設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮地質(zhì)因素。灌漿方案應(yīng)基于對(duì)地質(zhì)情況研究調(diào)查階段的信息。灌漿方案的設(shè)計(jì)不應(yīng)該套預(yù)定的公式，但是，當(dāng)手上有地質(zhì)背景的前提下應(yīng)該運(yùn)用公式進(jìn)行灌漿設(shè)計(jì)。地質(zhì)資料從灌漿的初步規(guī)劃階段到完成和評(píng)估階段都是需要的。

灌漿在設(shè)計(jì)階段還要考慮灌漿需要達(dá)到的目的。灌漿的實(shí)施計(jì)劃和技術(shù)不僅受地下情況影響，還要受灌漿工程的目的和目標(biāo)影響。灌漿工程針對(duì)的是永久性、還是臨時(shí)性工程，應(yīng)該考慮到是否需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，還是可以適當(dāng)減少標(biāo)準(zhǔn)呢？是盡最大可能保證漿液擴(kuò)散的范圍或盡量使擴(kuò)散范圍在一定范圍內(nèi)或?qū)⑵湎拗圃诜浅Ｐ〉姆秶鷥?nèi)？這些都是在灌漿正式實(shí)施前需要考慮的。成本是另一個(gè)因素，對(duì)排水成本的控制是灌漿成本的上限。因此，灌漿的目標(biāo)必須很清楚，以便設(shè)計(jì)師、地質(zhì)學(xué)家、工程師和監(jiān)理工程師能理解并將其付諸于實(shí)踐，陸軍工程兵團(tuán)就是基于這些方面因素進(jìn)行灌漿設(shè)計(jì)的。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)的選取

2.2.1 鉆孔直徑的選擇

鉆孔直徑的選擇是根據(jù)孔的型式和需要灌漿巖石的條件以及孔的深度和傾斜度確定的。灌漿孔一般按照滿(mǎn)足要求的最小孔徑確定最小孔徑，一般為38～76 mm。除了有些需要使用沖擊鉆進(jìn)的地方，一般選擇滿(mǎn)足要求的最小孔徑，從而使鉆進(jìn)成本為最低。

本規(guī)范中最小孔徑的選擇需要考慮巖石的切削面積，堅(jiān)硬的巖石需要較大的面積。巖石的形狀也需要考慮進(jìn)去：(1)巖層的走向；(2)斷層中含有松散的物質(zhì)；(3)沒(méi)有填充物的裂縫和有填充物的裂縫。對(duì)于孔徑較大的可以考慮在斷層、裂縫(隙)和節(jié)理發(fā)育的位置，以便于較大直徑的鉆孔有足夠的空間插入沖洗管路對(duì)裂縫進(jìn)行有效的沖洗。

2.2.2 灌漿孔間的排距

本規(guī)范認(rèn)為：間排距和灌漿形式取決于地質(zhì)條件以及期望能達(dá)到的預(yù)期結(jié)果。間排距受巖層性質(zhì)的影響(這是帷幕灌漿的先決條件)，并從靜水頭到目標(biāo)深度點(diǎn)。先導(dǎo)孔的間距較大，能夠保證灌漿不容易發(fā)生竄漿。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一序孔的間距一般在10～40英尺(1英尺=30.48 cm)之間，加密孔的間距為5～10英尺，以便于帷幕的形成。然而，在具體的實(shí)施過(guò)程中，灌漿孔不容易達(dá)到預(yù)期的準(zhǔn)確間排距，最終孔的間距要根據(jù)灌漿效果而定。我們的理解就是灌漿孔的間排距是不固定的，應(yīng)視灌漿取得的最終效果而定，帷幕灌漿的孔在間距減小到最小時(shí)也要考慮到灌漿注入量，帷幕灌漿相鄰孔中心的間距可以小到1英尺。

2.2.3 灌漿深度

本規(guī)范認(rèn)為：灌漿孔的深度要根據(jù)基巖的條件確定，帷幕灌漿的目的是為了減少水頭，降低庫(kù)區(qū)滲漏量。帷幕灌漿孔的深度應(yīng)滿(mǎn)足最少的滲漏量，協(xié)助減少壩體揚(yáng)壓力以及大規(guī)模的排水設(shè)備，在這一點(diǎn)上，其與國(guó)內(nèi)規(guī)范基本上是一致的。

2.3 灌漿材料的選擇

根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)，灌漿使用的基本原料主要有硅酸鹽水泥和火山灰水泥兩大類(lèi)。硅酸鹽水泥作為最普遍應(yīng)用的水泥，其類(lèi)型具有多樣性。因此，在使用硅酸鹽水泥用作灌漿之前，應(yīng)先確定使用何種類(lèi)型的硅酸鹽水泥。用于灌漿的水泥類(lèi)型劃分及適用條件如下：

(1)Ⅰ型硅酸鹽水泥。Ⅰ型被認(rèn)為是通用水泥，其在絕大多數(shù)的灌漿中被應(yīng)用，但其不具備其他類(lèi)型水泥的特殊性能。

(2)Ⅱ型硅酸鹽水泥。Ⅱ型可以抵抗中等程度的硫酸鹽侵蝕，與Ⅰ型相比，其水化熱速率更為緩慢。

(3)Ⅲ型硅酸鹽水泥。Ⅲ型具有高早強(qiáng)(通常指兩周及以?xún)?nèi)達(dá)到高強(qiáng)度)特性，通常在緊急加固和搶險(xiǎn)的情況下被使用。另外，由于其顆粒直徑小于其它類(lèi)型的水泥，因此有時(shí)被指定用作細(xì)微裂縫的灌漿。

(4)Ⅳ型硅酸鹽水泥。Ⅳ型在水化作用中產(chǎn)生的熱量比Ⅱ型更少。其發(fā)展強(qiáng)度的速度比Ⅰ型更緩慢。當(dāng)水化熱溫度高到令人難以忍受時(shí)，它被用作大量的填充型灌漿。

(5)Ⅴ型硅酸鹽水泥。當(dāng)灌漿遭受?chē)?yán)重的硫酸鹽侵蝕時(shí)，可以使用Ⅴ型硅酸鹽水泥。當(dāng)土壤或地下水中含有高濃度硫酸鹽成分時(shí)，主要使用Ⅴ型硅酸鹽水泥。

(6)加氣硅酸鹽水泥分為ⅠA、ⅡA、ⅢA型，這些類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)于Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型硅酸鹽水泥。這些水泥含有少量的引氣材料，很少在灌漿中使用，除非灌漿在遭到嚴(yán)重的凍融情況下才考慮使用它們。

3 灌漿設(shè)備的選擇

3.1 鉆 機(jī)

陸軍工程兵團(tuán)認(rèn)為：在選擇鉆機(jī)時(shí),應(yīng)考慮設(shè)備使用位置、鉆孔灌漿的工作地點(diǎn)等。通常，鉆機(jī)類(lèi)型分為沖擊鉆機(jī)和回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。一般來(lái)說(shuō),沖擊鉆機(jī)用于深度較淺的灌漿孔以及用于較堅(jiān)硬的巖石爆破孔鉆進(jìn)?；剞D(zhuǎn)鉆機(jī)則根據(jù)鉆頭類(lèi)型和鉆機(jī)型號(hào)大小可適用于各種地質(zhì)條件和孔深，小型鉆機(jī)可以鉆幾百米深的孔，大型鉆機(jī)則可達(dá)到數(shù)千米深。鉆頭類(lèi)型通常分為金剛石鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭(球齒型鉆頭、滾齒型鉆頭以及其它形式的鉆頭)。

3.2 灌漿泵

不同種類(lèi)的灌漿泵具有不同的尺寸和輸送壓力，它們可以由空氣、汽油或電力驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)泵的速度恒定，空氣驅(qū)動(dòng)的泵具有不同的速度和壓力，因此，在灌漿作業(yè)中更為廣泛地應(yīng)用。

3.3 水泥攪拌機(jī)

在選擇水泥漿攪拌機(jī)時(shí)需要考慮的第一點(diǎn)因素是確保其有足夠的容量，并且能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)攪拌出同一配合比的混合漿液。一般分為桶式攪拌機(jī)、噴射混合機(jī)、壓縮空氣攪拌機(jī)。桶式攪拌機(jī)具有各種容量和各種葉片設(shè)計(jì)，是最常用的類(lèi)型；噴射混合機(jī)主要在于其可以在制漿過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)量和檢測(cè)漿液參數(shù)并對(duì)水泥和水量進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)和調(diào)整，但攪拌效率要低于大部分的攪拌系統(tǒng)，有時(shí)常常會(huì)使水泥漿液凝固，所以，該機(jī)型不適合大容量的儲(chǔ)存器；壓縮空氣攪拌機(jī)主要用于精確配料和攪拌。

3.4 封閉器

封閉器常常是在壓力灌漿中用來(lái)限制水泥漿液流量大小的，以確保灌漿基礎(chǔ)區(qū)域漿液的有效擴(kuò)散范圍，防止?jié){液溢出到不需要灌注的段次，陸軍工程兵團(tuán)最常用的封閉器有三種：(1)可移動(dòng)式環(huán)形皮質(zhì)封閉器。這種封閉器最適用于在堅(jiān)硬巖層中的套管鉆進(jìn)以及孔壁相對(duì)比較光滑和孔口尺寸相對(duì)合適的鉆孔當(dāng)中；(2)機(jī)械式封閉器。這種封閉器是可以膨脹的，其廣泛應(yīng)用于各種巖石地層；(3)充氣式封閉器。充氣式封閉器由于其可以膨脹而常用于孔徑過(guò)大的孔內(nèi)，非常適合用于軟弱、破碎的巖層中。

4 灌漿施工工藝

4.1 鉆孔及壓水

根據(jù)本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，灌漿孔可以使用沖擊式或回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn),具體類(lèi)型的選擇以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需要并適應(yīng)各方面條件為準(zhǔn)。鉆孔完成后，不必對(duì)每個(gè)灌漿孔進(jìn)行裂隙清洗，但每個(gè)孔必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力值由現(xiàn)場(chǎng)工程師確定，通過(guò)每段壓水試驗(yàn)的呂榮值(Lu)選擇開(kāi)灌水灰比。

4.2 灌漿方式與方法

本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)灌注方式、方法并無(wú)特殊要求，采用純壓式還是循環(huán)式、自下而上或自上而下的方法可由承包商自行選擇。

4.3 灌漿水灰比及灌注段長(zhǎng)的劃分

本規(guī)范提倡灌漿施工以灌注濃漿為主，水灰比均建議只采用2∶1、1∶1、0.6∶1等三個(gè)比級(jí)。段長(zhǎng)的劃分：第Ⅰ序孔一般為6～8 m，第Ⅱ、Ⅲ序孔則根據(jù)前序孔灌漿情況進(jìn)行調(diào)整，最大段長(zhǎng)超過(guò)10 m。另外，本標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有接觸段的說(shuō)法，與下部基巖灌漿段基本一致進(jìn)行劃分。

4.4 漿液變換的原則

本規(guī)范要求在整個(gè)灌漿過(guò)程中要多灌注濃漿，從而不使?jié){液無(wú)限制的擴(kuò)散而浪費(fèi)水泥，故每級(jí)漿液都有一個(gè)灌漿量的要求且衡量指標(biāo)為水泥干料消耗量，對(duì)于這一點(diǎn)而言是與國(guó)內(nèi)規(guī)范不一樣的。比如，當(dāng)水灰比為2∶1的漿液灌注水泥干料消耗量累計(jì)達(dá)到100 kg時(shí)變換成水灰比為1∶1的漿液；在該比級(jí)漿液下灌注時(shí)，當(dāng)水泥消耗量達(dá)到400 kg時(shí)變換成 0.6∶1的漿液，最終直至灌漿結(jié)束。

4.5 灌漿壓力的控制

本規(guī)范要求采用濃漿、高壓灌注并且盡快提升到設(shè)計(jì)壓力。而國(guó)內(nèi)規(guī)范則要求分級(jí)升壓，特別是采用高壓力灌注時(shí)，絕對(duì)不允許一次性升壓到設(shè)計(jì)壓力，因?yàn)檫@樣實(shí)施導(dǎo)致巖石抬動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更大。而國(guó)外規(guī)范提倡濃漿、壓力選擇不會(huì)太高。他們認(rèn)為：采用稠度很大的漿液灌注可以避免或大大降低地層發(fā)生抬動(dòng)可能性的發(fā)生，因此而提倡盡快升壓但又不允許超過(guò)巖石臨界壓力。他們認(rèn)為：超出巖石臨界壓力進(jìn)而將巖石劈裂進(jìn)行灌漿是不必要的，甚至很危險(xiǎn)。因此，一般情況下確定的壓力不會(huì)太高。通常，灌漿的最大壓力不會(huì)超過(guò)2 MPa，最大不會(huì)超過(guò)3 MPa。

4.6 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

該規(guī)范規(guī)定：在達(dá)到設(shè)計(jì)壓力、注入率不大于1 L/min的條件下，持續(xù)灌注15 min即可結(jié)束灌漿，這一點(diǎn)與國(guó)內(nèi)規(guī)范相比也是有較大差別的，國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定：結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)所采用的灌漿方式、方法確定。

4.7 質(zhì)量檢查

根據(jù)本規(guī)范要求，灌漿質(zhì)量評(píng)定通過(guò)最后一個(gè)次序孔的單耗和壓水試驗(yàn)呂榮值進(jìn)行綜合分析評(píng)判。對(duì)于地質(zhì)條件差、巖石破碎、存在較大裂隙的孔(段) ，如果最后一序孔的吸漿量相對(duì)于其它巖層較好孔(段)要高得多，則還需要在這些孔(段)周?chē)僭黾右粋€(gè)次序的加密灌漿孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌注，以保證這些部位灌漿取得較好的效果。加密灌注完成后，則根據(jù)灌漿資料統(tǒng)計(jì)和成果繪制各類(lèi)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)判定灌漿質(zhì)量是否合格，這與國(guó)內(nèi)規(guī)范中的質(zhì)量檢查也是不同的。

5 數(shù)據(jù)記錄與整理

本規(guī)范要求灌漿工程的數(shù)據(jù)記錄與整理包括以下內(nèi)容：灌漿記錄、鉆孔記錄、裂隙沖洗和壓水試驗(yàn)記錄、灌漿孔平面布置圖、地質(zhì)剖面圖、壓水試驗(yàn)剖面圖、灌漿耗量剖面圖、灌漿孔測(cè)斜成果剖面圖。本規(guī)范要求注重灌漿前的策劃(包括灌漿參數(shù)設(shè)計(jì))和灌漿過(guò)程的控制，如果前期策劃分析正確、過(guò)程控制到位，最終就能達(dá)到預(yù)期的灌漿目標(biāo)。

6 結(jié) 語(yǔ)

筆者對(duì)美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)灌漿手冊(cè)(規(guī)范)中的重點(diǎn)章節(jié)進(jìn)行了原文翻譯引用，并與國(guó)內(nèi)現(xiàn)行灌漿規(guī)范進(jìn)行了比較，得出的結(jié)論為美國(guó)灌漿規(guī)范對(duì)灌漿參數(shù)及施工工藝選擇比較靈活，不像國(guó)內(nèi)規(guī)范那樣有嚴(yán)格的限制和規(guī)定，這對(duì)于采用美國(guó)灌漿技術(shù)規(guī)范的灌漿工程項(xiàng)目有一定的好處。在施工中可以根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整帷幕灌漿參數(shù)和施工工藝，使其更具有適應(yīng)性。但該規(guī)范也有使用的具體環(huán)境和條件，要將該規(guī)范中的內(nèi)容要求應(yīng)用到國(guó)內(nèi)水電灌漿工程中還需要做大量的研究分析以及驗(yàn)證試驗(yàn)工作。雖然目前其在國(guó)內(nèi)施工中存在較大爭(zhēng)議，但因其操作和執(zhí)行起來(lái)非常簡(jiǎn)單，相對(duì)于國(guó)內(nèi)灌漿規(guī)范在某些方面寬松得多，利于控制成本，提高工效，縮短施工工期。筆者相信：通過(guò)不斷深入進(jìn)行研究比較，在不久的將來(lái)，還是有機(jī)會(huì)將兩者融合起來(lái)的。