高压旋摆喷技术在水工建筑物防渗墙中的应用

高压旋摆喷技术在水工建筑物防渗墙中的应用

1高压旋摆喷—概述为了解决软基地的问题，建筑设计师探索了许多加固基地的方法。20世纪70年代,日本提出的高压旋(摆)喷加固地基法就是其中的一种,其加固地基的作用和地位已得到了专家和学者的肯定,完成了从理论到实践的飞跃。水利水电专家更是将高压旋(摆)喷引入到了水工建筑物地基处理工程中,在充分发挥其地基加固功能的同时,又将其与帷幕灌浆类同应用于防渗工程,在诸如四川二滩、紫坪铺;陕西毛坝关;西藏金河;三峡等一系列水利水电工程临时围堰防渗工程中得到了较为广泛的应用,在大坝、厂房等永久性基础防渗工程中也有案可查。理论和实践证明,高压旋(摆)喷应用于防渗墙并取代混凝土防渗墙的可能性是完全存在的,高压旋(摆)喷应用于水工建筑物防渗墙是完全可行的。2旋转、旋转、波浪的基本原理和施工程序2.1高压旋摆喷桩加固土体高压旋(摆)喷法是一种用于软土地层加固防渗工艺,其原理是利用钻机钻孔至设计深度后,以高压射流(20～50MPa)通过高喷钻杆下端的旋(摆)喷射装置,向周围土体喷射加固浆液,浆液将周围土体切割、分离并渗入。高喷钻杆边喷射浆液边旋转(摆动)、边提升,在喷射的有效范围内,土和浆液快速凝固成圆柱体(扇形体)——即旋(摆)喷桩。高压旋(摆)喷法加固范围可达0.4～2.5m,桩的极限强度可达0.5～8.0MPa,它适用于各种软弱土层、砂层、强风化基岩等各类地层。作为地下连续墙则可发挥其加固及防渗的功用。2.2高压摆喷类型按其使用的注浆管通过介质和管道的多少,可将高压旋(摆)喷分为单管法、双管法和三管法三种类型。(1)成固结体的制备只有一个管道,仅输送一种浆液,用冲击或旋转钻进成孔,将喷嘴下放至预定需加固的地层中,利用高压射流切割、分离土体、搅拌混合成固结体。其喷管结构简单,但成桩直径较小,一般应用于砂类土、粘性土和淤泥中,固结直径为0.4～1.0m,旋喷桩抗压强度可达1.5～4.0MPa。(2)高压喷射注浆在其喷头侧面设置两个或一个浆、气同轴喷射的双层喷嘴,中间喷射浆液,外环状喷嘴喷射压缩空气,环空间隙一般为1.0～2.0mm。旋(摆)喷注浆时,浆液射流在“空气管道”内喷射,延长射流的长度,以增强对土体的破坏力,因而能扩大成桩直径。也可将原来的浆、气两种介质改为高压清水和中压浆液,改进后的喷头上部设置一个与旋喷管轴线呈120°的斜喷嘴,喷头下部设置一个与旋喷管轴线呈90°的水平喷头。两个喷头从不同方向喷射高压清水,更有利于切割、分离土体,以增大旋喷桩成桩直径,在喷头的下端设置4～6个φ4～6mm的浆液喷嘴,使浆液与切割、分离下来的碎土搅拌混合,形成旋(摆)喷固结体,成桩直径可达0.8～1.6m,单桩垂直极限荷载可达1.5～2.5MPa。(3)旋摆喷桩体的直径具有3个互不串通的管道,高压喷射水流在高压空气流的保护下,使高压水射流不致过早衰减、消失,而是更有力的切割破坏土体,同时,以高压喷射水流将切割下来的细小颗粒随水排出孔外,使土体形成空穴,空穴由浆液充填置换,浆液与空穴中的粗颗粒在压力作用下搅拌,混合固体形成直径更大的旋(摆)喷桩体,一般直径可达1.5～2.5m,单桩垂直极限荷载可达1.5MPa以上。实践证明,双管法成桩直径比单管法成桩直径大0.3～0.5倍,而三管法成桩直径比单管法成桩直径大0.5～1.0倍。在水工建筑物防渗工程中,单管法、双管法及三管法均有应用实例。2.3水泥增强剂有以下几种目前使用的旋(摆)喷浆液可分为化学浆液和水泥浆液两类。化学浆液性能较好,但价格昂贵,国内很少使用;而以使用水泥浆液为主。水泥浆液具有原料丰富、价格低廉、强度高、施工简便、添加适量的外加剂易于改善和调整其性能等优点。常用的水泥浆液有以下几种:(1)普通型:一般用32.5或42.5硅酸盐水泥,不加任何外加剂。水灰比一般为1∶1～1.5∶1。适用于无特殊要求工程。(2)速凝-早强型:在水泥浆中外加速凝早强剂。常用的早强剂有氯化钙、三乙酵胺等,用量一般为水泥用量的2%～4%,其早期抗压强度比普遍型高两倍,适用于地下水丰富的地层中。(3)高强型:高强型水泥浆液固结后,其抗压强度在20MPa以上。常用的增强剂有NNO、NaNo等,用量一般为水泥量的0.5%～1.0%。采用42.5以上的高标号水泥,也能达到较高的固结强度。(4)填充剂型:在水泥浆液中掺入填充剂,能较大地降低工程成本。常用的填充剂有粉煤灰、膨润土等,其用量一般为水泥量的25%。(5)抗渗型:在水泥浆中掺入2%～4%的水玻璃,适用于临时抗渗或堵水工程。(6)抗冻型:在水泥浆中掺入10%～20%的沸石粉,或掺入0.05%的三乙酵胺等外加剂,都能增加浆液的抗冻能力,适用于高寒地区、冬季施工工程。目前常用的旋喷浆液配方见表1。2.4高压旋摆喷造孔工艺单管法、双管法、三管法高压旋(摆)喷只是所需用的介质种类和数量不同,其施工程序基本相同。一般施工程序见图1。现就以下几点进行说明如下:(1)测量放孔位。由于防渗墙是否形成与孔位是否准确定位密切相关,故必须保证孔位的定位要按设计位置进行,切忌随意移动钻孔位置,以避免造成两孔搭接不上或错位,影响搭接长度。(2)造孔。作为高压旋(摆)喷在应用之初,主要适用地层为各类土层,其成孔工序是采用直接将喷管射流旋转下沉至设计孔深。作为水工建筑物的防渗墙,大多在砂卵石地层中进行,直接采用射流达到设计孔深是不可行的,因而水工建筑物防渗墙必须有一个造孔工序。造孔工艺一般分为冲击钻进、回转钻进或冲击回转钻进等形式。目前使用中进度较快、效果也较好的是同心式冲击回转跟管钻进方法,它将钻进、护壁融为一体,造孔进度较快,是高压旋(摆)喷造孔的首选工艺。(3)旋(摆)喷制桩。旋(摆)机就位后,剩下的工序只是起动高压旋(摆)喷机,从理论上讲,并无多少复杂的技术可言。就此问题,具体的操作手应该引起高度的重视。在施喷作业过程中,一方面要按试验所得的各种参数进行作业,另一方面要密切注意孔内是否有异常的情况,如泄压,一旦发生异常应立即进行处理,以免引起成桩质量事故。(4)成墙。这是高压旋(摆)喷经过以上各道工序后所要达到的结果。最后能否成墙,以上所述的测量放孔位、造孔、旋(摆)喷制桩的每一道工序都必不可少,成墙质量直接受以上三道工序质量的影响和造孔孔斜质量的制约。3高压旋转墙摇动的应用3.1高压旋摆喷高压旋(摆)喷墙在防渗中得到了较为广泛的应用,大至三峡、二滩水电站工程的围堰防渗,小至四川石渠鄂曲水电站大坝基础防渗帷幕工程,都进行了高压旋(摆)喷。其中部分工程资料见表2。3.2在实践中提出的问题3.2.1混凝土防渗墙设计注意事项高压旋(摆)喷法就其产生的年代已经有30～40年的历史,在作为桩基础的应用中已取得了显著的成果,为工业、民用建筑物基础处理提供了一套较为有效的方法。在水工防渗墙临时工程中,同样拥有大量的应用实例。但是,该项技术于永久工程防渗中的应用相对于混凝土防渗墙而言的确较少。究其原因,主要还在设计方面。设计采用的技术:一是成熟技术,二是要有确切的检测手段。高喷防渗墙的确有很多地方有待进一步完善。但是,任何新生事物都有一个成熟过程,若都不给它一个生存的空间,任何新生的东西就不可能具有生命力。就此而言,高喷防渗墙应在关注以下几方面的情况下进行下述工作:(1)设计前的准备工作。首先要了解工程区的工程地质和水文地质条件,特别是对拟进行高喷作业的地层结构、组成的物理力学性质、地下水位、渗透系数、地下水是否有承压水、是否对水泥浆液有侵蚀性等进行查勘;其次是了解施工现场的地形、空间、运输、供水、供电等条件;第三必须掌握场地的气象、水情资料;第四必须进行现场试验,借此取得成墙厚度及施工工艺参数等方面的重要数据,因此,围井试验必不可少,否则将难以设计出满足工程防渗要求的高喷防渗墙。(2)规程规范的使用。目前尚没有一本可供使用的规程规范,这也是影响高喷防渗墙应用的主要原因之一。在此情况下,《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62-94)与《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174-96)两本规范可作为设计和施工高压旋(摆)喷防渗墙的依据。其成墙后的质量检测可参照以上两规范,由设计视其设计的需要进行选择,但应明确要达到的目标值。一旦发现有施工缺陷,则应采取措施及时补救,毕竟它是隐蔽工程,对隐蔽工程必须坚持验收合格后才能转入下道工序的制度。(3)防渗墙深度。高喷防渗墙深度本身不受条件制约,相反,混凝土防渗墙往往由于成孔工艺的制约理论上讲均较浅。目前,混凝土防渗墙深度已达100m,高喷防渗墙由于可采用任何成熟的成孔工艺,也就是说,目前可以造孔达到的深度就是高喷防渗墙的深度。诚然,可能由于孔斜造成成墙搭接厚度不够而引发质量事故,但采用多排多序的办法则可消除此类问题。在混凝土防渗墙和深帷幕灌浆中,此类质量事故均存在,但在实际应用中也得到了较好地解决,同理,可以将其有效措施移植到高喷防渗墙中,除非以往的防渗工程本身就未解决彻底或根本就难以解决这类质量问题。3.2.2高喷防渗墙施工质量及其应用难点在高喷防渗墙应用中的另一问题就是施工方面的诸多问题,这一问题已使很多设计人员感到难以接受而抛弃高喷方案去采用传统的防渗方案。在实际工程中,也存在有些工程高喷防渗墙施工质量难以满足设计要求的实例,从而更引起了设计人员在选择方案时的担忧。这一担忧本身并没有错,施工质量问题本应引起施工人员的高度重视。在以往工程中,有的成熟技术也存在问题,但这并不能成为高喷防渗墙应用的障碍。各方面均应对以下几点引起重视并提高高喷质量,以减少施工引发的工程质量问题。(1)地层条件和工艺对造孔机理的影响施工机具选择的一般依据是快速、普通。由于高喷机具除需专门的高压泵外,其余设备都属一般设备,较易配置。据实施情况看,随着高喷应用范围的逐渐扩大,所需造孔机具随地层条件和工艺的变化也有了较大的突破。造孔亦由单一的水射流土层工艺向砂卵石层的回转跟管造孔、冲击跟管造孔、高频振动冲击成孔方法转换。为了适用各种不同地层条件的护壁要求,同心跟管、偏心跟管更得到了进一步的发展,高喷设备逐渐专业化。也就是说,高喷墙的施工机具应根据地层情况和进度要求,通过现场试验来选择匹配的造孔机具,不能将机具只固定在某一机型上,否则将会直接影响到施工进度、质量,从而导致成本高涨和质量事故。(2)压力灌注法的应用传统理论认为,高喷适用于加固处理各种软弱土层、砂层、弱风化基岩,直径不超过φ60mm的砾石层、卵石层,以及压力灌注法难以加固的、其标准贯入值N小于15的土质地基,而在目前的应用中,超大孤石架空层防渗的二滩水电站围堰和陕西毛坝关围堰均得到了很好地应用,其适用范围的突破主要得益于成孔工艺的有利引进和常规堵漏方法在高喷防渗墙中的应用。也就是讲,先进的成孔工艺加常规堵漏应用于高喷防渗墙是必不可少的。软土地层防渗问题较架空防渗问题易于解决。(3)材料质量和应用配比料。所用浆液一般为水泥浆液或水玻璃浆液,材料来源广、成本较低。虽然如此,材料质量和应用中的配比则是施工中关注的重点,否则,材料的质量问题或缺斤少两问题将可能成为高喷防渗墙的质量隐患。水泥浆液的水灰比应按工程要求确定,可取0.8～1.5,常用比例为1.0。(4)高压喷射注浆尽管高喷防渗墙施工人员是从常规勘探或地基处理人员转换而来,但并非这些人员就可直接进行此项工作。由于该类工程为隐蔽工程,这类操作人员必须经培训合格后方能上岗。上岗操作人员必须掌握以下几点:①当喷射注浆管贯入孔中,喷嘴达到设计标高时即可喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后,即可按旋(摆)喷工艺要求提升喷射管。喷射管分段提升的搭接长度不得小于100mm;②对需要局部扩大加固范围或提高强度、渗漏较大部位,可采用复喷措施;③在高压喷射注浆过程中压力骤然下降、上升或冒浆异常时,应查明其产生的原因并及时采取措施;④高压喷射注浆完毕,应迅速拔出喷射管。为防止浆液凝固收缩影响桩顶高程,可在原孔位采用冒浆回灌或第二次注浆等措施;⑤施工中应如实记录高喷的各项参数和出现的异常情况。3.2.3施工质量的测量无论是设计方面的问题,还是施工方面的问题,相对配套政策方面而言,可能都比较容易解决。目前,高喷防渗墙应用遇到的障碍首先是没有设计和施工的统一操作标准。在实际操作中,设计方面采用经验公式和经验值,这一方法经以往的高喷防渗墙工程证实是可行的,这一方法的成功并不意味着不需要统一的标准(包括质量检测),目前的替代方法是采用《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62-94)和《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174-96)作为参考标准。其中还有许多需要进行