砂砾石地层高压旋喷灌浆防渗施工工法

砂砾石地层中高压旋喷灌浆防渗施工工法李晓光一、 前言高压喷射注浆法(HighPressureJetGrouting)在1968年创始于日本。70年代初我国铁路、煤炭、水电等系统相继引进并开始研究这项技术。80年代以来，其他国家也开始大规模采用这项技术。我国水利系统于1980年首先将此技术应用于山东白浪河土坝工程。根据喷嘴的喷射范围，高压喷射注浆分为旋喷、摆喷和定喷。近年来，高压喷射注浆技术作为一个日趋成熟的地基基础处理方法，已被广泛的应用于砂、土质地层的河道、堤坝、工业民用建筑基础防渗和地基加固中。但在砂砾石地层的应用因其成孔困难、成墙效果不理想等原因，并未被广泛采用。由水电十一局承建的九甸峡水电站厂房工程砂砾石围堰截渗应用了高压旋喷灌浆，取得了成功，现对之进行总结，形成本施工工法。二、 工法特点砂砾石层主要由细砂及砂卵石等粗颗粒组成，其透水性较强，透水率较大，对于该类型地层防渗，一般采用帷幕灌浆处理，但帷幕灌浆施工速度慢，投资大，防渗效果并不十分明显。采用高压旋喷灌浆进行防渗处理可达到帷幕灌浆处理所达不到的效果。但高压喷射灌浆存在其不可回避的弊端，一是砂砾石地层成孔过程中的塌孔问题，二是地层中的孤石能否有效被水泥浆包裹问题。本工法从九甸峡水电站厂房基础防渗中总结出来。为了解决高压旋喷防渗墙处理方案在砂砾石层中的可施工性，在常规施工方法的基础上采取了有效改进措施。针对砂砾石地层成孔难、易塌孔、钻进速度慢等技术难题，采取了大扭矩风动回转式液压钻机跟管钻进，PVC套管护壁成孔方法。这种钻孔方法与传统泥浆、水泥浆护壁钻孔方法相比，具有成孔快、不塌孔、工艺简单等优点。针对注浆过程中的孤石能否有效被水泥浆包裹及水泥浆与砂砾石充分搅拌问题，在注浆施工方法上选用高压水孔内切割，风动搅拌，水泥固结的三管法。在参数选择上尽量选择大水压，加大高压水对地层冲击、切割力度；在遇有孤石时，采取在孤石上、下50cm加大喷嘴旋转速度、慢速提升的办法，充分将孤石用水泥浆包住，从而使固结后的柱体达到连续完整的目的。工程所取得的成功经验值得类似工程借鉴和使用。三、 适用范围高压喷射注浆法防渗和加固技术主要适用于砂类土、黏性土、黄土、和淤泥等软弱土层，本工法主要介绍其在砂砾石中的应用。四、工艺原理高压喷射注浆是利用钻机成孔后，由高压喷射注浆台车（简称高喷台车）把前端带有喷嘴的注浆管置入砂砾石层预定深度后，以30〜40Mpa压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流切割破坏砂砾石层，使原砂砾石层被破坏并与高压喷射进来的水泥浆按一定的比例和质量大小，有规律地重新排列组合，浆液凝固后，便在砂砾石层中形成一个柱状固结体，无数个柱状固结体的连接便形成一道屏蔽幕墙。因从喷嘴中喷射出来的浆液或水能量很大，能够置换部分碎石土颗粒，使浆液进入碎石土中，从而起到加固地基和防渗的作用。五、施工工艺及特殊情况处理5.1高压旋喷施工参数确定高压旋喷渗墙施工前期，首先进行试验孔施工，试验孔施工主要确定孔深、孔距、水气浆压力、浆液密度、注浆率、旋转及提升速度，试验孔施工结束后，进行钻孔取芯、注水试验和开挖检查。计算出透水率并通过试验得出芯体的抗压强度，从开挖检查看，旋喷墙厚度及成墙连续性。在九甸峡水电站厂房下游沿河围堰高压旋喷渗墙施工前，在防渗墙体一端选取了两个孔位进行了高压旋喷试验。根据试喷试验资料，得出的砂砾石层旋喷防渗墙施工参数为：孑L距：1.0m水压：N40Mpa气压：N0.6Mpa浆压：巳0.4〜0.7Mpa注浆率：N70L/min提升速度：6〜8cm/min旋转速度：8〜10r/min浆液密度：N1.65g/cm3浆液灰水比：0.8:1试验段成墙14d后，采用地质钻机分别在旋喷桩中心和连接部位进行了钻孔取芯和压水试验。取芯试验表明，桩体及连接部位水泥浆与砂砾石胶结效果较好，取得芯样最大长度1.1m，芯体28d平均抗压强度4.6Mpa。桩体中心和连接部位压水试验计算所得透水率分别为6.3Lu和4.4Lu。5.2高压旋喷防渗墙施工工法高压旋喷防渗墙钻孔注浆分两序施工，先施工I序孔，后施工II序孔，相邻孔施工间隔时间不少于24小时。注浆采用同轴三管法高压旋喷灌浆。同轴三管法即以浆、气、水三种介质同时作用于地层，使浆液与地层颗粒成份混合、搅拌、置换、充填渗透形成2

固结体。施工程序为：场地平整压实一造孔(跟管钻进)一下PVC管护壁一跟管拔出一高喷台车就位一试喷一下喷具一喷灌一封孔一高喷台车移位。(1)造孔：针对砂砾石地层成孔难、易塌孔、钻进速度慢等技术难题，采取了大扭矩液压工程钻机跟管钻进。一是采用YGJ-80风动液压钻机配偏心式冲击器冲击跟管钻进；二是采用QLCN-120履带式多功能岩土钻机跟管钻进。钻孔直径均为6140mm，造孔效率可达6.0m/h。钻机就位后，用水平尺校正机身，使钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置，孔位偏差不大于5cm。钻孔达到设计深度后，将钻杆提出，在跟管内下设小于跟管口径的PVC套管取代跟管。PVC护壁套管下至孔底后，再用液压拔管器分节拔出钢质护壁跟管。PVC护壁套管滞留在孔中，待喷射灌浆时通过高压水切割破碎，通过水泥浆与砂砾石固结在一起。钢套管地杆.■'冲击器钢套管地杆.■'冲击器钻机造孔示意图跟管接头液压千斤顶液压油泵IIXZ-l^1P-IZJV跟管接头液压千斤顶液压油泵IIXZ-l^1P-IZJV成孔护壁管安装示意图 '拔管机拔意图护壁：造孔结束，将钻杆提出，下设底端透水无纺布包扎6120PVC护壁管，进行成孔护壁，护壁套管接头用塑料密封带连接。护壁套管下至孔底后，采用YGB液压拔管机将套管分节拔出。喷具组装及检查：喷具由水、气、浆三管并列组成，采用专用螺栓连接，自下而上由喷头、喷管、旋喷三叉管组成,连接处用尼龙垫密封。喷具组装后试运行水、气、浆管的畅通和承压情况，当水压达到设计压力的1.5倍时,管路无泄漏后再试喷15min后结束检查。试喷检查结束后，使喷嘴喷射方向与高喷轴线一致，并设置好旋喷转速下入喷具至设计孔深。为防止在下喷具过程中因意外而堵塞喷嘴，可送入低压水、气、浆并开始喷浆。在初始喷浆时只喷转不提，静喷3〜5min，待孔口返浆浓度接近1.3g/cm3时，按参数要求的提升速度和旋转速度自下而上喷射灌浆到设计高程。喷射浆液为灰水比0.8：1的纯水泥浆。三管法施工示意图5.3特殊情况处理(1)漏浆处理在砂砾石围堰高喷灌浆防渗墙的施工中，可能会有部分孔发生漏浆现象，说明围堰基础存在一定的集中渗流区，对工程施工安全十分不利。因此在发生漏浆时，视严重程度应采取停止提升或放慢提升速度的办法，尽可能使漏浆地层充分灌满水泥浆，从而达到充分固结的目的。(2)孤石处理针对注浆过程中的孤石能否有效被水泥浆包裹及水泥浆与砂砾石充分搅拌问题，在注浆施工方法上选用高压水孔内切割，风动搅拌，水泥固结的三管法。在参数选择大水压，加大高压水对地层冲击、切割力度；在遇有孤石时，采取在孤石上、下50cm加大喷嘴旋转速度、慢速提升的办法，充分将孤石用水泥浆包住，从而使固结后的柱体达到连续完整的目的。(3)事故停喷在高喷过程中发生停电、停喷事故，均采取重新扫孔、复喷的办法，扫孔底至停喷段以下1.2m，解决因停喷造成的柱体连续性问题。<•六、机具设备序号名称规格型号数量备注1回转式液压工程钻机YGJ-8032空压机VHP75033高喷台车JT150014注浆泵2SNS200/1025泥浆泵HB-8/1036制浆机NJ-60027高压水泵HSZ-II2七、 劳动组织施工现场根据实际情况配备专业技术人员2人，专业技师1人，熟练工12名，普工25名。八、 质量要求在施工过程中，应着重对钻孔和灌浆两道工序进行控制以及对防渗墙质量进行检查，主要有以下几方面：1、 钻孔要经常检查钻孔孔位有无偏差，即使予以纠正。孔斜一般要钻孔孔斜小于0.5%〜1.5%的孔深。检测喷浆管的旋转和提升速度。以设计要求为准或通常将旋转速度控制在 5〜20r/min，提升速度为5〜20cm/min。当因拆卸钻杆或其它原因暂停喷射时，再喷射时应使新旧固结体搭接 10cm以上，以防止断桩。2、 灌浆要检查灌浆浆液的比重和流动度指标以及灌浆压力和流量等指标，并及时调整，使其满足要求。利用灌浆自动记录仪记录灌浆过程，随时核算灌入浆液总量是否满足要求。要及时观察和检测冒浆。在高喷施工过程中，往往有一定数量的土粒随着一部分浆液冒出地面。通过对冒浆现象的观察，及时了解地层的变化情况、喷射灌浆效果以及各项施工参数是否合理，以便适时作出适当调整。3、 防渗墙质量检验对高喷防渗墙固结体的质量检验可采用开挖检查、钻取岩芯、压（注）水试验等多种方法来进行。检验主要内容为：固结体的整体性和均匀性；固结体的几何特性，包括有效直径、深度和偏斜度；固结体的水力学特性，包括渗透系数和水力坡降等。质量检验一般在高喷工作结束后4周进行。根据检验结果采取适当措施以确保达到预期要求。对防渗墙应进行渗透试验，一般做法为：在高喷固结体适当部位钻孔（取芯），然后在孔内进行压水或注水试验，以判断其抗渗透能力。九、安全措施1、 施工前对风、水、浆、电及施工顺序进行详细规划，保证作业面规范整齐。2、 加强施工人员安全教育，建立各种设备操作规程。3、 设置醒目的安全标志，人员上下机架要系安全带。4、 电动机械设备应设置安全防护设施和安全保护措施。5、 施工前必须检查防水电缆是否完好，防止电伤人。6、 施工时，作好废浆排放工作；工程结束时，要作到工完料净场地清。十、技术经济分析九甸峡水电站厂房工程围堰高压旋喷防渗墙总长120m，深30m左右，总成墙面积3500m2，共注入水泥浆量1.99X106L，耗用水泥1462t，平均耗浆量570L/m。高压旋喷防渗墙施工历时72天，经推算，高压旋喷防渗方案可比帷幕灌浆防渗提前工期30〜50天。基坑开挖完成后，总排水不超过960m3/天，且有半数