透水性地層防滲處理施工工法

(廈門安能建設有限公司，福建 廈門 361004)

透水性地層是水利水電工程施工中經(jīng)常遇到的地質(zhì)條件，為使水工建筑物具備良好的施工條件，需要進行防滲處理。注漿是工程防滲處理的常用方法，注漿可以增加巖土體強度、降低滲透性并提高穩(wěn)定性，但是透水性地層巖土體顆粒松散、孔隙率大、土體強度極低，注漿防滲處理存在著注漿容易串漿、冒漿，松散土體難起壓等技術難題。本工法研發(fā)了控制性水泥灌漿新技術和一次成孔、分段高壓注漿新工藝，成功解決了透水性地層防滲處理施工難題。該工法成功應用于福清核電站等多個國家和省部級重點工程，具有良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，其關鍵技術達到國際先進水平。

1 工法特點

a.本工法改變了傳統(tǒng)水泥灌漿漿液的運動機理，變水泥漿液的滲透擴散為橡皮泥狀漿液的擠壓滑移，能夠置換出透水性地基中堅硬巖土體之間的空氣和滲透水。

b.本工法應用了創(chuàng)新的水泥漿外加劑，能夠使水泥漿變成具有較高強度和良好流變性的橡皮泥狀漿液。

c.本工法設計了新型的灌漿裝置，可以一次成孔，自上而下分段高壓注漿。

d.本工法適用范圍廣，能夠解決包含極強透水性地基、3MPa以上大壓力滲漏水在內(nèi)的各種透水性地基的防滲處理。

2 適用范圍

本工法適用于水利水電工程、市政公用工程的強透水性地基防滲處理，也適用于公路、鐵路、房屋建筑工程的基礎防滲，其他行業(yè)工程的基坑防滲可以參考執(zhí)行。

3 透水性地層防滲處理施工原理

3.1 透水性地層防滲處理施工

透水性地層防滲處理施工見圖1。

圖1 透水性地層防滲處理施工剖面

3.2 透水性地層防滲處理施工工藝原理

透水性地層防滲處理采用控制性水泥灌漿施工工藝，即在水泥漿中添加巖化劑(一種能夠使水泥漿變成初凝時間小于10min且動力黏度不小于400mPa·s的膠泥狀物質(zhì)創(chuàng)新外加劑)，形成同時具有較高強度和良好流變性的膠泥狀物質(zhì)，采用高壓灌注方式擠入透水性地層中，同時置換出軟弱土和水，并迅速硬化，透水性地層中灌注的膠泥狀物質(zhì)具有膠凝性，與余留的巖土顆粒共同形成新的人工石，硬化后強度達到5MPa以上，從而達到防滲堵漏的目的。

3.3 膜袋式壓漿的分段阻塞原理

將由專用長絲機織土工布制成的膜袋捆綁在分段的鋼管下端，每段鋼管下口采用由高強膜制成的分隔器臨時封孔，將制作完成的灌漿鋼管逐段裝入孔內(nèi)，根據(jù)分段灌漿順序向膜袋內(nèi)高壓注入漿液，隨著膜袋內(nèi)漿液增多和膜袋體積的擴大，形成與孔徑相當?shù)哪ご枞w，將鉆孔有效地分成若干段。

3.4 一次成孔、分段高壓灌漿原理

在注漿施工時采用由高強膜制成的分隔器，不僅可以有效地將水泥漿液阻攔使其不向下流淌，而且可以在不被破壞的基礎上承受防滲灌漿所需的最大的灌漿壓力，從而保證灌漿有效分段進行。每完成一段灌漿后，用小鋼管將本段灌漿管底端的分隔器刺破，繼續(xù)進行下一段灌漿。

鋼管隔阻器和孔內(nèi)膜袋堵塞體配合使用，無須重復多次加深鉆孔、重復掃孔、重復掃孔內(nèi)水泥結石、重復安裝孔口阻塞器和起拔孔內(nèi)進漿管等施工程序，省去了很多輔助工作量，成倍地提高了施工速度，降低施工成本10%甚至20%以上，具有極大的經(jīng)濟效益。

4 工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

透水性地層防滲處理施工流程見圖2。

圖2 工藝流程

4.2 操作要點

4.2.1 施工準備

a.根據(jù)設計單位提出的防滲指標，結合現(xiàn)場踏勘并應用控制性水泥灌漿技術，采用隔孔分序、分段阻塞、自上而下灌漿的透水性地層防滲處理思路制定施工實施方案。

b.做好施工場地“三通一平”，清除地面和地下可移動材料障礙，合理安排灌漿施工等機械位置，防止施工機械失穩(wěn)。

c.依據(jù)設計圖紙要求做好基線、水準點、軸線樁位、設計孔位置的測量放樣與復核。

d.布置好冒漿處理設施及集漿坑，落實廢水、廢漿處理與回用系統(tǒng)。

e.按照相關規(guī)定要求做好成品、半成品、構配件進場驗收及復檢。

f.按照施工組織設計要求配置相應的施工機械設備和必要的觀測、檢測設備。

g.妥善安排存放水泥、灌漿控制材料、土工布、管材等施工材料，避免材料受潮結塊，做好防火措施。

h.布置好抬動觀測點和觀測裝置。

4.2.2 漿液制備

a.灌漿材料由水泥、巖化劑溶液等組成，根據(jù)不同的工藝，選取滿足設計要求的灌漿材料。

b.選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，采用機械攪拌方式，攪拌時間一般為1～2min(嚴禁用手電鉆式攪拌器)。

c.水泥漿的水灰比根據(jù)地基的滲透性按表1進行選擇。

表1 巖化法水泥漿水灰比推薦

d.巖化劑溶液的摻用量和時機根據(jù)孔內(nèi)壓力變化情況和進漿量變化而定，根據(jù)地基的滲透性按照表2選定摻量。

表2 巖化法巖化劑溶液摻量

e.水泥漿摻加巖化劑溶液后，混合漿液主要技術指標見表3。

表3 混合漿液主要技術指標

f.阻塞膜袋灌漿施工在滿足堵塞強度的情況下可適當調(diào)整水灰比提高流動度，以保證膜袋擴張要求。

4.2.3 鉆孔施工

a.鉆機選擇。根據(jù)地質(zhì)條件及孔徑選擇不同鉆機。地質(zhì)條件較易成孔且鉆孔孔徑小于150mm選擇便攜式電動回轉鉆機，地質(zhì)條件較難成孔且鉆孔孔徑大于150mm(含)時，選用地質(zhì)鉆機作業(yè)。

b.鉆孔操作平臺應穩(wěn)定、堅固，鉆孔安裝及鉆進過程中必須確保傾斜度控制在1%以內(nèi)。

c.鉆孔作業(yè)。在鉆孔過程中，用清水循環(huán)返水。鉆孔按Ⅰ、Ⅱ序施工隔孔跳打。鉆孔完成后沖洗孔底沉渣，并確保成孔完整，無塌方掉塊，鉆孔深度按深入不透水層不小于1.0m或滿足設計要求控制。透水性地層防滲處理鉆孔布置見圖3。

圖3 透水性地層防滲處理施工平面布置

4.2.4 孔內(nèi)裝置制作與安裝

4.2.4.1 灌漿鋼管制作與安裝

a.根據(jù)鉆孔深度，鋼管按照4～6m均勻分段或根據(jù)設計要求分段，每段距管底約80cm處沿管周均勻打三個φ10注漿孔，與膜袋相通；管中部距管底200cm處沿管周均勻打三個φ10注漿孔，向周圍巖層注漿。

b.在每段鋼管孔底安裝分隔器，每段鋼管距底部50cm處綁上50cm長的阻隔膜袋。

c.吊裝灌漿裝置時，確保鋼管的定位管中心線與軸線位置吻合，下管應保持與軸線相垂直。

d.鋼管的安裝：安裝時用三腳架或人工將捆綁好膜袋的鋼管按底部鋼管到孔口鋼管的順序依次插入孔內(nèi)，下一段鋼管下放時預留0.5～1m左右露出孔口，用抱箍或人工固定，再將上一段鋼管吊起，將上段鋼管與下段鋼管絲扣對接好，繼續(xù)將鋼管下放至0.5～1m左右露出孔口，重復下一段鋼管的安裝直至完成整個孔內(nèi)鋼管的安裝，鋼管上端露出地面30cm。

4.2.4.2 膜袋與分隔器制作安裝

a.膜袋制作與安裝。膜袋選用雙層高強聚合物化纖合成材料按照鋼管管徑及鉆孔孔徑要求加工成環(huán)形。膜袋安裝時從每段鋼管底部人工輕輕套入，將膜袋上下端頭捆綁在鋼管外壁上。鋼管下放過程中要避免膜袋刮破。

b.分隔器制作安裝。分隔器選用雙層高強聚合物化纖合成材料按照鋼管孔徑要求加工而成，施工時安裝在鋼管底端。

c.膜袋綁扎及分隔器安裝由專人負責，嚴格按照作業(yè)要求綁扎及下管、接管。

d.制作完成的灌漿鋼管見圖4。

圖4 制作完成的灌漿管

4.2.5 膜袋注漿施工

4.2.5.1 膜袋灌漿順序和灌漿方式

每灌漿段注漿首先進行膜袋注漿，膜袋達到一定飽和程度填充灌漿孔后，在滿足阻隔要求的條件下，更換灌漿壓力再進行本灌漿段內(nèi)的周圍巖層防滲灌漿。

4.2.5.2 灌漿壓力設定及結束標準

膜袋注漿施工采用壓力和注漿量雙控的方式進行。注漿量達到設計用量(充盈系數(shù)1.3)或者灌漿壓力達到設計壓力后停止注漿，膜袋注漿設定壓力為0.2～0.5MPa。

膜袋注漿壓力或注漿量達到設計壓力或設計用量后停止注漿，壓漿時注意對進漿量和壓力上升速度的控制，注漿速度應控制在30～50L/min。開始注漿時，可以進行較大流量注漿，在壓力提升過程中逐漸減小注漿速度，確保膜袋達到一定飽和程度后更換專用液壓灌漿泵進行補灌，補灌速度控制在10～15L/min。

4.2.6 防滲注漿施工

4.2.6.1 施工工藝

防滲注漿采取控制性水泥灌漿工藝，該工藝最大的特點是能夠控制水泥漿液的凝結時間，解決了水泥漿在軟基甚至動水條件下的擴散范圍問題。水泥漿液在巖化劑溶液的作用下，迅速脫水膠結形成低流動性的橡皮泥狀膠體，很好地解決了串漿冒漿等技術難題?？刂菩宰{工藝既能大幅提高注漿加固效果，又能減少浪費、降低成本。

4.2.6.2 施工順序和施工方式

a.膜袋注漿結束形成阻塞體之后，需要對注漿管進行重新掃孔和清孔操作，然后進行防滲注漿施工。

b.防滲注漿采用控制性水泥灌漿工藝，采用水灰比為0.8 ∶1的水泥漿液和巖化劑溶液，灌漿方式同雙液注漿工藝，設備選用3SNS灌漿泵和專用液壓灌漿泵。3SNS灌漿泵灌入水泥漿液的同時，利用專用液壓灌漿泵送入設計比例的巖化劑溶液，水泥漿在巖化劑溶液的作用下迅速膠結并被擠壓到出漿孔四周地層中，從而形成防滲體。

4.2.6.3 防滲注漿范圍確定

根據(jù)地基透水率的不同，通過控制注漿壓力控制漿液擴散范圍，在滿足施工范圍內(nèi)地基防滲要求的前提下，達到經(jīng)濟高效的目的。漿液擴散半徑按照設計要求合理確定，若無設計要求，可按照表4確定。

表4 不同透水率地層漿液擴散半徑經(jīng)驗值推薦

4.2.6.4 注漿壓力選擇

透水性地基防滲處理中的注漿采用高壓注漿，注漿壓力根據(jù)注漿分段采用經(jīng)驗法確定，具體的注漿壓力和分段數(shù)可根據(jù)表5選擇。

表5 透水性地基防滲處理經(jīng)驗法壓力值 單位：MPa

4.2.6.5 注漿結束標準

注漿結束標準采用注漿量和壓力雙控的方式判斷：注漿量達到設計用量值時防滲注漿結束，注漿量可按式(1)計算。在確保地表不抬動條件下的進漿壓力達到最大時，進漿率下降到2L/min后穩(wěn)定5min可結束注漿,實際施工中水泥用量依據(jù)地質(zhì)密實情況調(diào)節(jié)。另外，如果周邊發(fā)生抬動超過1cm，并且注漿壓力急劇增大，證明孔段周圍地質(zhì)條件良好，同樣可以結束注漿。

(1)

式中Q——注漿量，m3；

e——土體孔隙比；

R——漿液擴散半徑，m；

h——注漿段的長度，m；

α——有效注漿系數(shù)，可取0.85～1.0；

β——損失系數(shù)，可取0.1～0.3，極強透水性地層取大值，中透水性地層取小值。

4.2.6.6 注漿要求

a.每完成一段注漿后，應及時對注漿管內(nèi)的水泥漿進行清理。

b.使用機械或者高壓水等方式破壞分隔器后，再進行下一段注漿直至注漿結束。

c.因故中斷，間斷時間應小于漿液的初凝時間。若間斷時間已經(jīng)大于漿液的初凝時間，要進行補鉆孔和注漿。

4.2.7 分隔器破除

結束上一孔段灌漿后，從灌漿管中人工插入φ15中空鋼管(端部制成尖頭)將分隔器的高強膜刺破，然后在鋼管中注入高壓水將阻塞器沖開貫通，而后進行下一孔段注漿施工。

4.2.8 效果檢查

a.透水性地層巖化法防滲處理應采用壓水試驗法進行注漿效果檢查，并結合實際效果綜合評價防滲處理效果。

b.壓水試驗檢驗點應選擇在下述部位：?鉆孔和注漿過程中出現(xiàn)異常情況的部位；?地基情況復雜，可能對注漿質(zhì)量產(chǎn)生影響的部位；?根據(jù)施工過程，需要進行補強施工的部位。

c.壓水試驗檢驗點的數(shù)量要滿足地基防滲處理設計要求。當設計無具體要求時，檢驗點的數(shù)量為施工鉆孔數(shù)的10%，且不宜少于6點。

d.壓水試驗質(zhì)量檢驗在新形成的防滲體強度達75%以上或注漿結束7天后進行。

e.注漿結束后，對注漿的薄弱區(qū)域重新鉆孔進行補充注漿，直至所有檢查結果滿足設計要求的防滲等級。

f.在注漿結束后將滲漏水集中引流至集水坑后進行滲水量測試，不滿足滲水量要求的在滲水量較大的部位補充鉆孔進行注漿，直至滲水量符合要求。

5 質(zhì)量控制標準

工程質(zhì)量控制與驗收參考執(zhí)行以下標準：《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(SL 62—2014)、《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)、《建筑工程水泥/水玻璃雙液注漿技術規(guī)程》(JGJT 211—2010)。

5.1 通用技術要求

a.透水性地基采用本工法施工前，必須收集完整的工程地質(zhì)勘察資料及工程附近管線、建筑物、構筑物和其他公共設施的構造情況，當?shù)叵滤鲃铀俣容^快時，應進行專項水文地質(zhì)勘察。

b.施工過程中出現(xiàn)異常情況時，應立即停止施工，由有關單位共同分析，解決問題，消除質(zhì)量隱患，形成文件資料后方可繼續(xù)施工。

c.正式施工前應進行灌漿現(xiàn)場試驗，以確定適宜的施工參數(shù)。

5.2 允許偏差項目

防滲施工的允許偏差項目、偏差值及檢驗方法見表6。

表6 防滲施工的允許偏差和檢驗方法

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益分析

以處置100mⅤ類圍巖的水利堤防滲漏水為例，對比分析采用傳統(tǒng)的水泥攪拌樁和本工法防滲的成本。

6.1.1 采用水泥攪拌樁防滲

采用水泥攪拌樁防滲，為達到防滲止水效果，需設置3排水泥攪拌樁，樁徑設定為600mm，樁距為500mm，平均孔深16m，水泥攪拌樁的數(shù)量為600根共9600m,成本分析見表7。

表7 水泥攪拌樁成本匯總

6.1.2 采用本工法防滲

采用本工法防滲，只需鉆灌漿孔1排，鉆孔直徑為100mm，孔間距1.0m，平均孔深16m，100m基坑圍護需鉆孔100個計1600m，其施工成本分析見表8。

表8 本工法防滲成本匯總

6.1.3 經(jīng)濟效益分析

對比表7和表8可以看出，采用本工法防滲施工比傳統(tǒng)的水泥攪拌樁防滲每100m節(jié)約造價698984.9-609632.47=89352.43元=8.935萬元，節(jié)約率為(69.9-60.97)/69.9=12.78%。

6.2 社會效益

a.本工法施工機械輕便，采用地質(zhì)鉆機造孔，效率高，可適用于各種復雜地層地質(zhì)條件，無不良施工噪聲，施工場地要求簡單，施工占地少，對市民正常生產(chǎn)生活影響小，可確保社會和諧。

b.該技術突破了透水性地基突水治理瓶頸，灌注的漿液可以在動水中頂水行進，施工速度快，對水利工程的除險加固有重要意義。

c.本工法使用的材料均為無機材料，環(huán)保無毒，可確保作業(yè)健康安全，不會對環(huán)境造成不良影響。

d.采用該技術進行防滲施工無不良施工泥漿對環(huán)境造成的污染，綠色環(huán)保，可以有效保障水資源和生態(tài)環(huán)境安全。

e.本工法施工可以有效避免串漿冒漿問題，大幅減少水泥的浪費，有利于節(jié)約資源。

f.本工法可以有效解決各類透水性地基滲漏處理施工難題，為各類重大民生工程保駕護航，具有重要的社會意義。

7 應用實例

福清核電站5號、6號機組的CC跌落井、排水暗渠、GO2溝基坑的基礎為拋填塊石全透水性基礎，基坑開挖過程中滲水嚴重(滲水量達到1.2m3/s)，導致基坑開挖無法正常進行，需要進行止水處理。施工單位采用施打鋼板樁、混凝土攪拌樁等防滲止水措施均無法止水，公司應建設單位邀請，采用控制性水泥灌漿技術，一次成孔、分段高壓水泥灌漿的防滲處理技術，在大滲漏量的條件下有效地實現(xiàn)了截水防滲，處理后基坑滲水量小于0.001m3/s。福清核電站5號、6號機組基坑防滲處理前與處理后滲水情況對比見圖5。

圖5 防滲處理前后滲水情況對比

滲漏處理施工工期15天，與采用水泥攪拌樁施工相比，縮短工期10天，減少管理成本10.0萬元，減少施工成本22.0萬元。

8 結 論

采用本工法進行工程防滲處理，有以下優(yōu)點：?施工速度快，工藝操作簡單，可以快速有效地進行滲漏水處理，與水泥攪拌樁相比較，工期平均縮短20%～30%；?施工成本低，比采用傳統(tǒng)的水泥攪拌樁防滲節(jié)約成本8%～15%；?防滲處理效果好，處理后滲水量均小于0.001m3/s；?施工中無不良施工泥漿對環(huán)境造成的污染，綠色環(huán)保，對保障水文和生態(tài)環(huán)境安全有重要意義，可為國內(nèi)外透水性地層防滲處理提供借鑒和參考。