土壩高壓噴射灌漿技術(shù)的施工特點和質(zhì)量控制

李保紅

(湖北大禹建設(shè)股份有限公司，武漢 430061)

1 概 述

高壓噴射灌漿起源于日本，我國于上世紀(jì)80年代起在水利工程推廣運用近30多年，在土基處理方面發(fā)揮了重要的作用，其技術(shù)也有了新的發(fā)展和提高[1]。文章在總結(jié)完成的三個水庫土壩高壓噴射灌漿工程實例的基礎(chǔ)上，結(jié)合有的工程存在的施工技術(shù)或工藝問題，進行討論，試圖使該項技術(shù)更趨規(guī)范化，發(fā)揮更好的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。

2 高壓噴射灌漿的施工特點

2.1 灌漿試驗

高壓噴射灌漿正式施工前應(yīng)進行灌漿試驗，根據(jù)試驗成果確定或調(diào)整高壓噴射灌漿有關(guān)施工技術(shù)參數(shù)。高壓噴射灌漿是利用鉆機將帶有噴嘴的注漿管帶到預(yù)定深度，借助于高壓水流或漿液沖擊破壞地層結(jié)構(gòu)，同時灌入漿液，使?jié){液與被灌地層顆粒相互摻混，凝固后形成凝結(jié)體，以達到加固地基和防滲的目的。凝結(jié)體的性能是由灌漿參數(shù)和灌漿段地層性能共同決定的，因此要達到某一性能要求的凝結(jié)體，必須在灌漿前通過試驗就灌漿段地層狀況下對灌漿方式、漿液性能、旋轉(zhuǎn)和提升速度等灌漿參數(shù)進行試驗，來取得合適的數(shù)據(jù)。例如福建省永春縣五一水庫均質(zhì)土壩壩高50.5m，灌漿前，曾布置6個高壓噴射灌漿試驗孔。試驗內(nèi)容包括灌漿壓力、孔距、漿液材料、噴射水壓、漿液壓力、風(fēng)壓及風(fēng)量、灌漿量、擺噴速度、提升速度以及工藝措施等，為正式灌漿收集了寶貴的資料。又如福建省安溪縣村內(nèi)水庫土壩高噴灌漿時，在施工前期選擇壩肩段有代表性的孔，先進行生產(chǎn)試驗性灌漿，重點對造孔、制漿和灌漿工藝進行現(xiàn)場試驗，為全面高壓噴射灌漿取得了合適的參數(shù)。

2.2 高壓噴射灌漿法分類及施工方法

2.2.1 高壓噴射灌漿法分類

高壓噴射灌漿按照注漿管多少分單管法、雙管法、三管法以及多管法。其中單管法借助于約20MPa以上灌漿壓力的漿液重切充填攪拌地層形成凝結(jié)體，適用于較淺的地層主要作用是加固地層；雙管法是借助于約30MPa灌漿壓力的漿液和0.7-0.8MPa的風(fēng)壓兩種介質(zhì)共同作用沖切土體，形成凝結(jié)體寬度比單管法增加一倍；三管法是則是借助于30-60MPa壓力的水流、0.7-0.8MPa的風(fēng)壓和0.1-2MPa灌漿壓力的漿液三種介質(zhì)共同作用，與土體顆粒攪拌重新排列，形成的凝結(jié)體寬度比雙管法大；多管法屬于用灌漿材料全部充填的全置換法，在防滲工程中應(yīng)用不多。

高壓噴射灌漿按照噴嘴轉(zhuǎn)動角度狀況分為旋噴(噴嘴360°旋轉(zhuǎn))形成圓柱形旋噴樁、擺噴(噴嘴15°左右擺動)形成扇形斷面樁、定噴(噴嘴固定不懂)形成板狀或壁狀凝結(jié)體。

2.2.2 高壓噴射灌漿施工方法

高壓噴射灌漿施工方法為鉆機就位、鉆孔、下入噴射管、噴射灌漿及提升作業(yè)、沖洗管路、孔口回灌。在需要形成高壓噴射墻體的多排孔施工中，先施工下游排，再施工上游排，后施工中間排。同一排內(nèi)的高壓噴射灌漿孔應(yīng)分兩序施工，先施工一序孔，后施工二序孔。

1)鉆機就位：鉆機按照設(shè)計圖紙安放在孔位上，鉆機立軸保持垂直，基座安放平穩(wěn)保持水平，鉆桿垂直度偏差≤5%。

2)鉆孔：單管法一般自行旋轉(zhuǎn)鉆進成孔，雙管法和三管法是用地質(zhì)鉆機回轉(zhuǎn)鉆進成孔，孔位偏差≤5cm。

3)下入噴射管：將噴射管下入到孔內(nèi)預(yù)定深度。雙管法和三管法在下入噴射管時，為了防止噴射嘴被泥沙堵塞，可采用塑料膠布將噴射嘴包裹一層，也可以邊射水邊下管，射水壓力不能太高，以防止將孔壁射塌。

4)噴射灌漿及提升作業(yè)：噴射管下到預(yù)定孔深后，根據(jù)預(yù)先確定的參數(shù)自下而上開始噴射作業(yè)，隨時檢查記錄漿液比重、漿液流量、風(fēng)水漿壓力、旋轉(zhuǎn)提升速度、孔口回漿情況等。

5)沖洗管路：噴射作業(yè)完成后，用清水將噴射管、噴射嘴以及輸送漿液的管路及設(shè)備沖洗干凈。

6)孔口回灌：噴射結(jié)束后，漿液收縮會出現(xiàn)漿面下降，用與灌漿同樣的漿液或更濃的漿液進行回灌，確保頂部密實。

2.3 灌漿材料及制漿

1)高壓噴射灌漿漿液主要材料宜采用新鮮水泥，其品種和強度根據(jù)工程需要確定，制漿所用的水應(yīng)符合混凝土拌和用水的要求。有特殊要求時，可加入膨潤土、黏土、粉煤灰等摻合料，還可根據(jù)需要在漿液中加入速凝劑、減水劑等外加劑，摻合料和外加劑的種類及摻入量應(yīng)通過試驗確定。各種材料的稱量誤差≤5%。

2)高壓噴射灌漿漿液制漿一般采用高速攪拌機或普通攪拌機均可。制好的漿液溫度應(yīng)保持在5℃-40℃，高溫季節(jié)施工應(yīng)采取防曬降溫措施，低溫季節(jié)應(yīng)采取防寒保溫工作。漿液的比重應(yīng)達到1.4g/cm3以上，由于噴嘴口直徑很小，制好的漿液需通過過濾剔除超過噴射嘴孔的顆粒，以改善和提高漿液的質(zhì)量。

2.4 分序

一般來說對于高噴墻灌漿孔排內(nèi)采用分二序施工，這與類似于普通水泥灌漿，其主要目的是加密作用。而對于孔深<25m，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)<40的軟弱土層，可采用振孔高噴法，該種方法施工不需要分序，相鄰孔間可連續(xù)施工。

2.5 觀測

為保證土壩壩體安全和灌漿質(zhì)量，以及檢驗灌漿效果，在灌漿期間應(yīng)進行觀測。重點觀測灌漿孔孔口翻漿情況，以及巡回檢查壩體變形位移(水平位移與豎向位移)以及壩前后漏漿情況等。村內(nèi)水庫高壓噴射灌漿時的觀測資料顯示，其豎向沉降較大，最大達到130mm，但是橫向位移很小，最大只有15mm。較大的豎向位移是由于壩體土在漿液作用下密實沉降而引起的，因此認(rèn)為灌漿期間大壩是安全穩(wěn)定的。

3 高壓噴射灌漿的質(zhì)量控制

3.1 墻體搭接控制

在土壩壩體中采用高壓噴射灌漿的方法主要是處理壩體的滲漏問題，因此單樁之間的搭接成墻效果決定著整個工程的成敗。一般來說通過灌漿試驗來確定單樁有效直徑或噴射范圍大小，而后根據(jù)群孔高壓噴射試驗確定適用的孔排距、墻體防滲性能以及其他施工參數(shù)。這其中對孔斜的要求比較嚴(yán)格，如相鄰兩個孔底部孔斜沿著灌漿軸線完全相背，會造成墻體底部出現(xiàn)“褲衩式”狀況，形成集中滲流通道，對土壩的安全而言是一大隱患，是絕不允許的。一般情況下對鉆孔應(yīng)進行測斜，孔深<30m時的鉆孔偏斜率≤1%。

3.2 漿液性能控制

高壓噴射灌漿所使用水泥漿液性能的好壞是決定凝結(jié)體的質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一，噴射漿液應(yīng)采取“經(jīng)濟合理，多濃不稀”的方法。五一水庫高壓噴射灌漿時，根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗資料，配制漿液使用的是新鮮合格的水泥，配制成水灰比為1∶1的水泥漿，實測比重在1.5g/cm3左右。當(dāng)然一般來說水泥漿液的比重越大形成的凝結(jié)體強度越高，較小的水灰比形成的凝結(jié)體強度也較低，但是過分的追求凝結(jié)體的高強度，又是不經(jīng)濟的。因此綜合我單位的經(jīng)驗，一般高壓噴射灌漿漿液水灰比控制在1∶1左右，漿液比重控制在1.5g/cm3左右是比較合理的。

3.3 提升速度和旋轉(zhuǎn)(擺動)速度的控制

高壓噴射灌漿提升速度和旋轉(zhuǎn)(擺動)速度是關(guān)系到凝結(jié)體質(zhì)量的另一個因素，一般來說二者是相輔相成的關(guān)系，一味的追求其中之一都達不到預(yù)計的質(zhì)量目標(biāo)。提升速度過快，會形成“夾層餅”狀的凝結(jié)體，水泥漿分布不均勻，相反旋轉(zhuǎn)(擺動)速度過大，又會造成成本較高不經(jīng)濟，因此必須找出二者合適的匹配，才能達到預(yù)想效果。規(guī)范給出理論參考值“旋轉(zhuǎn)(擺動)速度=(0.8-1.0)*提升速度”。湖北省英山縣張家嘴水庫土壩地層為含少量砂礫石的粉質(zhì)黏土，根據(jù)試驗資料確定高壓噴射灌漿旋噴墻施工時的提升速度控制在15-18cm/min，旋轉(zhuǎn)速度控制在14-18r/min。施工結(jié)束后的檢查認(rèn)為選取這個提升速度和旋轉(zhuǎn)速度是合適的，也與規(guī)范的理論參考相吻合[2]。

3.4 切割被灌地層介質(zhì)壓力控制

切割被灌地層介質(zhì)壓力的大小關(guān)系到灌漿質(zhì)量，一般由設(shè)計單位提供預(yù)估設(shè)計壓力，而后進行現(xiàn)場試驗，將試驗取得的達到設(shè)計目標(biāo)而在試驗中所使用的實際壓力而綜合確定。五一水庫土壩高壓噴射灌漿采用三管法，設(shè)計單位提供的試驗設(shè)計壓力為≥35MPa。根據(jù)試驗資料，試驗切割地層水壓力分別為35MPa、37MPa和40MPa三種。試驗結(jié)束后通過檢查發(fā)現(xiàn)三種壓力下都可達到設(shè)計目標(biāo)。通過綜合分析既要確保施工質(zhì)量又要經(jīng)濟合理，在大面積施工時切割地層水壓力采用37MPa。

3.5 土壩沉降控制

根據(jù)經(jīng)驗，一般對土體密實度不好的土壩高壓噴射灌漿一段時間后(3-5d)，或多或少會出現(xiàn)壩頂沉降，只是較密實土壩沉降較小，相對松散的土壩沉降較大，只要這些沉降只要控制在一定的范圍內(nèi)，會對壩體結(jié)實有很好的作用。高壓噴射灌漿引起的土壩頂沉降時，應(yīng)加強觀測壩體上下游壩坡的水平位移，當(dāng)沉降位移與水平水平位移之比≥壩體坡比，則可認(rèn)為壩體是穩(wěn)定的。村內(nèi)水庫土壩高壓噴射灌漿時，壩體出現(xiàn)較大的沉降，最大達到30cm，通過對壩體上游坡面上的觀測樁觀測得到此時的水平位移量為0cm。經(jīng)分析論證，這些沉降主要是由于灌漿漿液進入壩體后濕陷作用引起的，壩體是安全穩(wěn)定的。

4 質(zhì)量檢查方法

4.1 隱蔽工程檢查

高壓噴射灌漿屬隱蔽工程，其質(zhì)量檢查分為灌漿過程的中間檢查和灌漿結(jié)束后的最終檢查，其最終質(zhì)量應(yīng)在分析施工資料和檢查測試成果的基礎(chǔ)上綜合評定。灌漿過程的中間檢查主要是布孔、灌漿材料、漿液和每道工序情況的檢查。最終檢查主要包括壩體內(nèi)部質(zhì)量和壩后滲流改善情況等。檢查方法為分析資料，進行觀測，開完探坑、鉆孔和圍井等。

4.2 資料分析

高壓噴射灌漿結(jié)束后，應(yīng)對灌漿過程資料進行綜合分析，從布設(shè)孔位開始，經(jīng)過鉆孔到灌漿結(jié)束的每一步過程，每一項工藝參數(shù)把控和對工藝措施的控制，逐條逐點的檢查，尤其是曾出現(xiàn)竄漿、孔口翻漿異常、灌漿曾有中斷的孔進行仔細(xì)核查，并將該類孔作為現(xiàn)場檢查的重點部位。

4.3 鉆孔檢查

對厚度較大的和深度較淺的高壓噴射灌漿凝結(jié)體可采用鉆孔法檢查。張家嘴水庫壩體高壓噴射灌漿28d之后，在高壓噴射灌漿孔之間布置了4個檢查孔進行鉆孔檢查，通過鉆孔取樣看出凝結(jié)體比較密實，沒有任何氣孔殘留痕跡，芯樣光滑，斷口新鮮沒有明顯的夾砂等問題?，F(xiàn)場進行了靜水頭注水試驗，滲透系數(shù)K=1.84×10-6cm/s-4.38×10-6cm/s，平均為3.11×10-6cm/s。

4.4 開挖探坑取樣檢查

對深度較淺和墻體較薄的高噴凝結(jié)體可用開挖探坑作為輔助檢查。五一水庫壩體高壓噴射灌漿結(jié)束14d后，在高壓噴射灌漿選取2個部位進行了探坑開挖，以檢查高噴凝結(jié)體的實際效果，通過開挖揭示凝結(jié)體側(cè)面平順沒有明顯的夾砂夾泥，凝結(jié)體比較密實，相鄰樁體間形成的板墻連接較好。同時取樣兩塊凝結(jié)體送實驗室對其強度進行檢測，實測強度分別為5.12MPa、5.04MPa。

4.5 圍井檢查

各種高噴凝結(jié)體都可以用圍井法對其質(zhì)量進行檢查。村內(nèi)水庫壩體設(shè)計高壓噴射灌漿結(jié)束后，選取壩體河床段部位施工圍井高壓噴射灌漿，在圍井施工結(jié)束7天后，在圍井內(nèi)鉆1孔至高噴墻底部的相對隔水巖層，現(xiàn)場進行了靜水頭注水試驗，滲透系數(shù)K=7.84×10-6cm/s。

4.6 觀測資料

通過高壓噴射灌漿前后觀測和對比測壓管上下游水位差的變化或壩體下游安設(shè)的量水堰滲水量的變化情況，來分析防滲效果。村內(nèi)水庫高壓噴射灌漿結(jié)束后約1個月后，原安設(shè)子下游壩腳的量水堰測得的滲水量由灌漿前的320L/h，下降為40L/h。

5 結(jié) 語

1)高壓噴射灌漿具有機理明確，防滲效果好，施工簡單且速度快等優(yōu)點，而且使用的機械較簡單，噴灌漿液的材料料源廣，形成的工程實體耐久性好，已在諸多工程取得很好的效益，成為土壩防滲加固的常用方法之一。

2)在近幾年國家對中小型土堤壩加固整治的大好形勢下，總結(jié)、推廣運用高壓噴射灌漿技術(shù)具有一定的現(xiàn)實意義。