袖閥管注漿在生態(tài)堤基礎(chǔ)加固]處理施工中的應(yīng)用

郭文超，羅 梟

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

袖閥管注漿作為國內(nèi)外一種較成熟的注漿工藝，被廣泛應(yīng)用在工程基坑帷幕、地基加固處理及壩基礎(chǔ)加固等工程中。其配套技術(shù)主要是利用鉆孔設(shè)備(或頂管技術(shù))將袖閥式注漿管置入地層，利用配套的注漿設(shè)備，采取洞內(nèi)袖閥管注漿技術(shù)、地表垂直袖閥管注漿技術(shù)，將超細(xì)水泥水玻璃雙液漿注入飽和、動(dòng)態(tài)的含水砂層。通過注漿，較均勻地固結(jié)了砂層，從而實(shí)現(xiàn)了“加固砂層、注漿堵水”的目的。

1 工程概況

鐵崗-石巖水庫水質(zhì)保障工程(四期)生態(tài)堤壩址位于原寶達(dá)石場(chǎng)的上游，大壩為黏土心墻堆渣壩，壩頂長(zhǎng)度約236 m，壩頂高程49.80 m，壩頂寬20 m，壩頂上游設(shè)防浪墻，頂高程50.80 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。最大壩高約26 m，上、下游壩坡坡比均1:3，上、下游壩坡在43.50 m，高程均設(shè)置4 m寬馬道。上游坡采用預(yù)制混凝土六角塊護(hù)坡，下游坡采用植草護(hù)坡，坡腳設(shè)置貼坡排水和排水棱，棱體頂高程32.32 m，頂寬2.2 m。

生態(tài)堤壩基設(shè)防滲齒槽，并在齒槽底部設(shè)置防滲帷幕。為防止齒槽與基巖接觸面集中滲漏和接觸沖刷，保證齒槽地基的帷幕灌漿效果，在齒槽底部地基表面澆筑1 m厚混凝土墊層。帷幕為單排，孔距2 m，帷幕上、下游各設(shè)1排固結(jié)灌漿，孔深5 m，孔、排距3 m。帷幕深入相對(duì)隔水層(q≤5 Lu)不小于5 m，壩肩帷幕向岸內(nèi)延伸長(zhǎng)度約30 m。生態(tài)堤灌漿平面布置如圖1所示。

圖1 生態(tài)堤施工布置圖

2 生態(tài)堤基礎(chǔ)工程地質(zhì)

生態(tài)庫堤壩址位于原寶達(dá)石場(chǎng)南側(cè)約300 m，壩址區(qū)地形呈“U”型，較開闊，兩岸坡度20°左右，溝底高程30～33 m，與坡頂高程差約20 m，壩址區(qū)主要地層包括第四系人工堆積層、沖洪積層、殘坡積層和白堊系燕山四期侵入巖風(fēng)化巖層。其中沖洪積層位于沖溝底部，主要土層包括粉質(zhì)黏土、礫砂。

人工填土層厚度0.5～4.5 m，呈高壓縮性、低強(qiáng)度，宜挖除；粉質(zhì)黏土層厚1.0～2.9 m，呈可塑狀，天然地基承載力120 kPa，可根據(jù)設(shè)計(jì)承載力要求確定是否進(jìn)行地基處理；礫砂層厚度2.0～2.1 m，其承載力值較高，均質(zhì)土壩可不處理，堆石壩對(duì)地基承載力要求稍高，可進(jìn)行夯密處理，但該層滲透系數(shù)較大，須進(jìn)行防滲處理。

壩肩兩岸邊坡坡度較緩，地層以殘積土礫質(zhì)黏性土層為主，其C、φ值較大，不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，因此壩基穩(wěn)定性好；因邊坡地層為殘坡積礫質(zhì)黏性土，滲透系數(shù)小，為相對(duì)不透水層，因此不易發(fā)生繞壩滲漏問題。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，并結(jié)合勘探資料表明：生態(tài)堤壩址區(qū)基本處于沖積溝區(qū)域，主要地層包括堆積土層和白堊系燕山四期侵入巖風(fēng)化巖層，飄石層(或砂層)2.5～5 m，地下水量豐富。

生態(tài)堤防滲齒槽開挖最大深度約8.5 m，由于齒槽基坑處于松散和裂隙分布的巖層中，孔隙潛水和基巖裂隙水分布在生態(tài)堤防滲基坑兩岸堆積層中，基坑底部土質(zhì)較差，地下水滲透量較大，基礎(chǔ)灌漿處理的效果較差，不易達(dá)到灌漿處理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)生態(tài)堤防滲深基坑的穩(wěn)定極為不利。

3 方案優(yōu)化

3.1 原設(shè)計(jì)方案

1)固結(jié)灌漿。自壩0+000～壩0+226.264在寬為6.0 m的壓漿板布置2排固結(jié)灌漿孔，排距3.0 m，單孔灌漿深度5 m，平均鉆孔深度6 m，固結(jié)灌漿孔均為垂直孔。灌漿孔平面布置圖如圖2所示。

2)帷幕灌漿。帷幕灌漿孔在壩0-035.000～壩0+271.264沿帷幕軸線單排布置，孔距為3.0 m，帷幕灌漿孔均為垂直孔。

圖2 灌漿孔平面布置圖

3)防滲帷幕底線。生態(tài)堤堤頂高程49.8 m，河床部位建基面高程24.25 m，河床部位防滲帷幕底線高程為13.71 m；左岸高程46.2 m以上，右岸高程42.76 m以上的岸坡段，只設(shè)帷幕灌漿孔。孔深一般為10～20 m，灌漿孔最大深度約26 m。

3.2 優(yōu)化調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案

施工前選取生態(tài)堤防滲齒槽壩0+040～壩0+020為試驗(yàn)段，按常規(guī)鉆孔灌漿的方式進(jìn)行固結(jié)灌漿試驗(yàn)。灌漿試驗(yàn)完成后，對(duì)固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果透水率大于等于15Lu，不滿足設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)地質(zhì)勘察資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際灌注情況分析，由于加固范圍內(nèi)土體結(jié)構(gòu)為人工填土、粉質(zhì)黏土、礫砂二元或三元結(jié)構(gòu)。由于加固土體巖性的不同，決定了土體中空隙裂縫發(fā)育的各向異性，同時(shí)也決定了在注漿過程中漿液的擴(kuò)散半徑往往各向差異很大。根據(jù)生態(tài)堤基底土層加固體，須采用定深、分層、分段及不同壓力的施工工藝，因此建議選用袖閥管注漿法對(duì)生態(tài)堤防滲齒槽基礎(chǔ)進(jìn)行土體加固灌漿后，再按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行壩基固結(jié)、帷幕灌漿。袖閥管法的主要優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)需要灌注任何一個(gè)灌漿段，還可進(jìn)行重復(fù)灌漿，同時(shí)可使用較高的灌漿壓力。袖閥管注漿工藝特點(diǎn)如下。

1)袖閥管結(jié)構(gòu)主要由中108 mm PVC外管、6分鍍鋅注漿內(nèi)管、橡皮套、密封圈等組成。

2)袖閥管是一種只能向管外出漿，不能向管內(nèi)返漿的單向閉合裝置。注漿時(shí)，壓力將小孔外的橡皮套沖開，漿液進(jìn)入地層，如管外壓力大于管內(nèi)時(shí)，小孔外的橡皮套自動(dòng)閉合。

3)每個(gè)注漿長(zhǎng)度固定為60 cm，還可以根據(jù)地層情況調(diào)整注漿長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)定量定尺可控注漿。

4)可根據(jù)需要灌注任何一個(gè)注漿段，還可重復(fù)注漿。

5)使用較高的注漿壓力，注漿時(shí)冒漿和串漿的可能性較小。

6)鉆孔和注漿分開，提高了鉆孔、注漿設(shè)備的利用率。

7)可在一個(gè)孔內(nèi)灌注多種漿液材料。

8)由于在被加固的地層中進(jìn)行了多點(diǎn)、定量、均衡的注漿，注漿體在地層中均勻分布、均勻連接，因此大大提高了被加固地層段的整體穩(wěn)定性。超細(xì)水泥+水玻璃壓力注漿加固地基，是將具有一定壓力的超細(xì)水泥+水玻璃漿液，通過土層顆粒間的孔隙強(qiáng)行注入土層中，起到擠密和充填作用，迫使土層孔隙內(nèi)的部分或大部分水和空氣排去，從而加快土層的固結(jié)穩(wěn)定，阻止或控制生態(tài)堤壩基不均勻沉陷。

3.3 生態(tài)堤基礎(chǔ)袖閥管注漿加固設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

1)注漿半徑的確定 。袖閥管注漿時(shí)漿液在基巖裂隙中作紊流運(yùn)動(dòng)，漿液的擴(kuò)散半徑 r按照式(1)計(jì)算：

(1)

式中：t—灌漿時(shí)間，s；k—砂土的滲透系數(shù)，cm/s；v—漿液的粘滯系數(shù)，cm/s；h1—灌漿壓力，MPa；r0—灌漿管半徑，cm；de—被灌土體的有效粒徑，cm；n—砂土的孔隙率。

2)漿液配合比的確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生態(tài)堤防滲齒槽基坑的地質(zhì)特性 ，袖閥管注漿采用Po42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為2：1～1：1，外加水玻璃2%。

3)注漿壓力。袖閥管的注漿壓力與生態(tài)堤防滲基坑覆蓋層的蓋重、漿液黏度、注漿速度等因素相關(guān) ，注漿過程中壓力會(huì)不斷發(fā)生變化。袖閥管注漿取初始?jí)毫?.3～0.5 MPa，正常注漿壓力0.5～1.0 MPa，最大壓力1.2 MPa。

4)注漿孔布置。袖閥管注漿孔間距為1.6 m，梅花形布置，共計(jì)布置50個(gè)袖閥管注漿孔，注漿擴(kuò)散半徑為0.8 m。

5)注漿量。注漿量按照式(2)推算：

Q=1 000×V×n×β×α

(2)

式中：Q—漿液總用量，I；V—土的體積，m3；n—土的孔隙率；β—漿液填充系數(shù)；α—漿液損耗系數(shù)，一般取1.15～1.3。

3.4 生態(tài)堤基礎(chǔ)袖閥管注漿加固設(shè)計(jì)布置

袖閥管注漿范圍：樁號(hào)壩0+040～壩0+200，長(zhǎng)度160 m。袖閥管注漿寬度：壩軸中心線兩側(cè)各1.6 m。袖閥管平面布置：1.6 m×1.6 m梅花形布置。袖閥管注漿加固深度：8 m。優(yōu)化后的袖閥管注漿主要施工參數(shù)如表1所示。

表1 袖閥管注漿加固參數(shù)表

4 生態(tài)堤基礎(chǔ)袖閥管注漿加固施工

4.1 主要施工機(jī)械設(shè)備配置

1)鉆孔配套施工設(shè)備。采用杭鉆300型工程地質(zhì)鉆機(jī)2臺(tái)，套管護(hù)壁，并采用GXY-2型跟管鉆機(jī)開孔。

2)注漿站設(shè)備。雙液注漿泵組1臺(tái)、注漿泵機(jī)組1臺(tái)、灌注記錄儀1臺(tái)、JD090灌漿流量傳感器2臺(tái)等，配備高壓注漿管路系統(tǒng)和制漿設(shè)備注漿。

4.2 施工程序

測(cè)量放線—鉆機(jī)成孔—注套殼料—插入袖閥管(底部接封堵器，上部接管蓋)—待凝—清洗袖閥管腔插入注漿管芯—配制水泥漿—分點(diǎn)注漿—清洗袖閥管腔—待凝結(jié)。袖閥管注漿施工工藝流程如圖3所示。

圖3 袖閥管注漿施工工藝流程圖

4.3 施工方法

1)鉆孔。注漿孔鉆機(jī)安裝穩(wěn)固可靠，使用經(jīng)緯儀校正鉆機(jī)的安裝位置。鉆孔護(hù)壁采用膨潤土和水泥配置的泥漿護(hù)壁，當(dāng)生態(tài)堤基礎(chǔ)砂礫石層較厚容易塌孔時(shí)，袖閥管外采用φ 108 mm PVC套管護(hù)孔，待孔內(nèi)注入封閉材料并插入袖閥管后將φ 108 mm套管提出孔外。

2)安裝袖閥管、澆筑封閉材料及固灌止水。袖閥管壁與鉆孔孔壁之間存在的環(huán)狀空隙要采用泥漿封閉措施(也叫“套殼料”)處理，防止在注漿操作時(shí)發(fā)生串漿問題。泥漿是由膨潤土粉與膨脹水泥等摻合性材料聯(lián)合制備，在膨脹橡膠套料和混凝土上下料雙向封閉塞料的配合作用下，使得混凝土漿液可在混凝土灌漿段范圍內(nèi)有效突破封閉塞材料而進(jìn)入孔壁周圍土體，施工時(shí)要注意避免封閉材料進(jìn)入袖閥管中。

鉆機(jī)造孔并灌入封閉泥漿，插入單向封閉的袖閥管。封閉泥漿凝固后將雙向密封的芯管插入鍍鋅袖閥花管至注漿孔底部，在孔口上部2 m孔段壓入固灌止水材料，保證生態(tài)堤基礎(chǔ)的基巖裂隙達(dá)到止水效果，直至孔口返回濃漿。

3)注漿。沖開孔壁封閉環(huán)：注漿開始使用稀漿加壓沖開孔壁環(huán)形封閉材料，加壓過程中出現(xiàn)注漿壓力突降或進(jìn)漿量劇增時(shí)，表示注漿孔的孔壁環(huán)形封閉材料已經(jīng)被沖開，隨后即可正式注漿。

注漿管材及分段：按照袖閥管的工藝參數(shù)特征，從花孔底起自下而上分別進(jìn)行隔段分序次注漿，以每個(gè)袖閥管或每?jī)膳呕诪槠渲幸粋€(gè)注漿段，每組注漿的分段間隔長(zhǎng)度至少為50 cm。

注漿材料：采用“Po42.5普通硅酸鹽水泥+35Be′水玻璃”漿液，水泥漿液的配比采用2:1～1:1，水玻璃漿比1:1，摻量為2%。漿液配比開始采用2:1，再由稀釋變濃逐步調(diào)整漿液的水灰比。開灌壓力為0.2～0.5 MPa，正常注漿壓力為0.5～1.0 MPa，最大注漿壓力控制小于等于1.5 MPa。

注漿施工順序：基坑底部注漿加固順序要求由外向內(nèi)跳孔施工，以防止注漿孔發(fā)生竄漿現(xiàn)象。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力大于等于0.5 MPa，分段注漿量大于等于0.35 m3。

安全監(jiān)測(cè)：注漿過程中需要監(jiān)測(cè)生態(tài)堤防滲齒槽基坑底部的沉降和隆起情況，如果發(fā)現(xiàn)基坑底部有抬動(dòng)變形、底部隆起、竄孔或注漿量猛增等不正?，F(xiàn)象時(shí)必須立即停止注漿，分析原因再進(jìn)行下一步工作。

4.4 施工注意事項(xiàng)

1)注漿順序采用間隔法和先外排、后內(nèi)側(cè)的注漿方式。當(dāng)生態(tài)堤防滲齒槽地下水流動(dòng)性較大時(shí)，必須從地下水位較高的位置開始注漿。

2)注漿管采用φ 108 mm PVC袖閥管注漿，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得單管注漿量和注漿擴(kuò)散參數(shù)，注漿材料采用“水泥+水玻璃”雙液，注漿壓力的選用須根據(jù)防滲齒槽的地質(zhì)特性及其埋深確定，對(duì)于非砂土等土質(zhì)基礎(chǔ)，注漿壓力采用0.5～1.0 MPa，水泥用量不低于設(shè)計(jì)要求。

3)注漿期間若發(fā)現(xiàn)生態(tài)堤防滲齒槽基坑發(fā)生抬動(dòng)變形時(shí)應(yīng)停止注漿，處理完畢再繼續(xù)注漿。

4.5 注漿效果及評(píng)價(jià)

本次生態(tài)堤防滲齒槽袖閥管注漿加固共耗用水泥240 t，水玻璃 4.8 t，注漿加固結(jié)束后再進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，最終生態(tài)堤防滲齒槽的基礎(chǔ)灌漿壓水試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5Lu，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

生態(tài)堤基礎(chǔ)土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)灌漿手段難以滿足設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化調(diào)整采用袖閥管注漿對(duì)生態(tài)堤防滲齒槽土地加固的施工工藝，充分利用袖閥管能夠多點(diǎn)、均勻、連續(xù)注漿的特點(diǎn)，大幅提高了被加固基礎(chǔ)的整體強(qiáng)度。工程實(shí)踐證明，在有裂隙存在且滲水量較大的基巖先進(jìn)行袖閥管注漿加固的施工方法可行，為類似工程的基礎(chǔ)處理提供了借鑒，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。