噴灌漿技術(shù)

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摘要：小浪底高壓旋噴灌漿工程選用國際上先進(jìn)的施工設(shè)備和施工工藝，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定施工參數(shù)，在先進(jìn)施工設(shè)備的保證下，通過控制施工工藝來保證施工質(zhì)量．在小浪底工程中，用高壓旋噴灌漿技術(shù)構(gòu)筑上游圍堰防滲墻、對左岸河床心墻區(qū)砂卵石地基加固、進(jìn)行主壩混凝土防滲墻“老虎嘴”封堵和原1號槽孔修補(bǔ)，均取得了很好效果．

關(guān)鍵詞：高壓旋噴灌漿；圍井試驗(yàn)；防滲墻；地基加固；地下工程補(bǔ)救；小浪底水利樞紐工程

高壓旋噴灌漿技術(shù)是使?jié){液在很高的壓力下通過注漿管，從噴嘴高壓射出，注入地基，在射流的沖擊、切削、攪拌作用下，漿液與原地基混為一體，對地基產(chǎn)生擠壓、滲透作用，使旋噴樁及其周圍土體的密實(shí)度和承載能力得到提高．其主要應(yīng)用有：①構(gòu)筑防滲墻體；②加固地基，提高地基承載力；③用于地下構(gòu)筑物的修補(bǔ)．

經(jīng)過近年來的不斷開發(fā)和應(yīng)用，高壓旋噴灌漿技術(shù)在各個方面都得到很快發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，適應(yīng)地層由開始限于中細(xì)砂、壤土、淤泥等細(xì)顆粒地層，逐漸擴(kuò)大到包括強(qiáng)透水的砂卵石、卵漂石和堆石渣層、球狀體層等在內(nèi)的整個第四系覆蓋層，施工設(shè)備、施工工藝不斷更新，漿液壓力、流量不斷增大，提升速度逐漸加快，噴漿設(shè)備更趨向于高壓力、大流量的二重管、三重管．二重管法是在壓縮空氣保護(hù)下，高壓漿液直接噴射到地層中；三重管法是在壓縮空氣保護(hù)下，由高壓水開路，同時注入低壓漿液進(jìn)行旋噴．由于高壓旋噴灌漿技術(shù)對地基防滲與加固處理具有不需明挖、施工場地小等特點(diǎn)，因此，目前仍處在迅猛發(fā)展階段．

1旋噴灌漿設(shè)備

小浪底高壓旋噴灌漿工程由意大利仕紀(jì)公司分包施工，主要設(shè)備包括高壓旋噴機(jī)、履帶自行式鉆機(jī)和供漿設(shè)備等．

履帶自行式高壓旋噴機(jī)型號為SIRIO2SC，本身具有一定的鉆進(jìn)功能，機(jī)架高46m．旋噴鉆桿為雙重管，內(nèi)徑30mm，為高壓漿液通道，外徑90mm，內(nèi)、外

徑之間有12個小孔為壓縮空氣通道．每節(jié)長3m，裝卸方便，密封性好．旋噴機(jī)配有鉆灌參數(shù)自動記錄儀，型號為LUT2CL88，全過程自動記錄孔深、漿壓、氣壓、轉(zhuǎn)速、提升速度等參數(shù)，同時顯示于熒光屏上，便于參數(shù)的監(jiān)測和隨時調(diào)整．履帶自行式鉆機(jī)為Casagrande鉆機(jī)C8型，自行定位，操作方便，性能穩(wěn)定，帶有偏心鉆頭，可跟管鉆進(jìn)，對地層適應(yīng)性強(qiáng)．?dāng)嚢铏C(jī)有2臺，分別用于攪拌膨潤土漿液和水泥漿液，攪拌能力分別為12m3／h和24m3／h．2臺高壓泵型號分別為HT400和7T－450．7T－450型高壓泵最大輸漿壓力可達(dá)100MPa，最大輸出流量可達(dá)453L／min，高壓泵通過高壓管路與旋噴機(jī)連接．

2現(xiàn)場圍井試驗(yàn)

2．1試驗(yàn)布置及參數(shù)

圍井試驗(yàn)的目的是選定合適的施工參數(shù)和漿液配比及驗(yàn)證防滲墻滲透系數(shù)．試驗(yàn)區(qū)位于旋噴灌漿防滲墻軸線下游側(cè)5m的一塊平整場地上，與旋噴灌漿防滲墻地層一致，上部0～12m為砂卵石填筑層，下部12～32m為原河床覆蓋層．圍井由25個旋噴樁組成，其中16個間距1m、深32m的樁組成一個正方形圍井，中間有9個同樣深度的旋噴樁封底，即僅對這9個樁底部2m進(jìn)行旋噴．其布置如圖1所示．

根據(jù)工程類比和室內(nèi)試驗(yàn)，采用了摻加5％（水泥用量）膨潤土的穩(wěn)定漿液，其水、水泥與膨潤土的配比為850∶450∶22，密度1．35g／cm3，馬氏粘度35～40s．施工參數(shù)：旋噴漿液壓力大于40MPa，空氣壓力為1．5MPa；2個噴嘴，直徑為3mm，轉(zhuǎn)速12r／min，漿液流量225L／min；提升速度：Ⅰ，Ⅱ序孔原地層為17cm／min，回填料區(qū)為26cm／min，Ⅲ序孔均為26cm／min

2．2滲透試驗(yàn)

2．2．1試驗(yàn)方法

根據(jù)有關(guān)手冊①的規(guī)定，試驗(yàn)方法分為定水頭法和變水頭法．定水頭法是指由套管隔離出試驗(yàn)段，維持孔內(nèi)水位不變，待流量穩(wěn)定后，讀取時間和流量，按公式（1）計(jì)算滲透系數(shù)；變水頭法只能在圍井內(nèi)使用，待圍井內(nèi)注水達(dá)到飽和后，停止注水，記錄水位下降過程，按公式（2）計(jì)算滲透系數(shù)．

式中∶K為滲透系數(shù)，m／s；q為穩(wěn)定滲透流量，m3／s；F為影響參數(shù)；Hc為穩(wěn)定水頭，m；A為所測斷面面積，m2；L為所測段長，m；D為所測斷面直徑，m；T1，T2為時間，s；H1，H2為在時間T1，T2時的水頭，m．

2．2．2試驗(yàn)結(jié)果

圍井旋噴樁完成后，在圍井內(nèi)做了8次滲透試驗(yàn)，其中6次是定水頭試驗(yàn)，一次是變水頭試驗(yàn)，一次是開挖后井內(nèi)注水試驗(yàn)；圍井外共做3次，試驗(yàn)全部為定水頭試驗(yàn)，其中有一次未成功．

圍井外測得2組滲透系數(shù)平均值為2．805×10－3cm／s，此數(shù)值與地質(zhì)部門提供的滲透性為36～200m／d（相當(dāng)于4．16×10－2～2．3×10－3cm／s）一致，說明這種方法是合適的．圍井內(nèi)定水頭滲透試驗(yàn)結(jié)果最大值為1．41×10－5cm／s，最小值為1．17×10－6cm／s，平均值為9．62×10－6cm／s，變水頭試驗(yàn)結(jié)果為3．705×10－6cm／s，圍井內(nèi)注水法測得的結(jié)果為5．925×10－7cm／s．即滲透系數(shù)比原地層降低了三個數(shù)量級．

2．2．3開挖檢查

在滲透試驗(yàn)結(jié)束后，對圍井內(nèi)部和外部的一側(cè)進(jìn)行開挖檢查，開挖深度內(nèi)部為6．8m，外部為5．7m，露出了4．2m高的墻體（上部1．5m沒有旋噴）．從外觀看，墻體連續(xù)性、膠結(jié)性都較好．經(jīng)實(shí)測，最大樁徑為2．56m，最小樁徑為1．36m，平均樁徑為1．84m，墻體搭接處最小厚度為0．88m．

3應(yīng)用實(shí)例

3．1上游圍堰旋噴灌漿防滲墻施工

上游圍堰旋噴灌漿防滲墻作為枯水圍堰的主要防滲措施，并作為大壩的一部分起永久防滲作用，河床覆蓋層屬第四紀(jì)河床沖積物，級配不良，中小粒徑偏少，局部地段有較大粒徑卵石．設(shè)計(jì)單排樁防滲，樁距1．0m，膠結(jié)強(qiáng)度R28＝1．5～2．2MPa，滲透系數(shù)小于等于10－6cm／s．防滲墻軸線長400m，孔底入基巖至少0．5m，最大孔深51．0m，共計(jì)旋噴樁408個，鉆孔總進(jìn)尺11500m，噴漿10074m，成墻面積9897m2．

3．1．1施工參數(shù)

在施工中，通過調(diào)整提升速度控制樁徑來保證墻體的連接，提升速度介于15～26．7cm／min，根據(jù)孔序、孔深和孔斜情況調(diào)整參數(shù)，見表1（表中δ為偏斜率）．

3．1．2施工質(zhì)量控制及效果

旋噴防滲墻體需深入基巖0．5m以上，保證墻體與基巖的連接．施工時分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔，按逐序加密的原則施工，將Ⅰ序孔作為勘探孔，每個孔必須作基巖鑒定，對于Ⅱ，Ⅲ序孔根據(jù)Ⅰ序孔確定的基巖面確定孔深，但終孔時也需取樣鑒定．鉆孔偏斜率控制標(biāo)準(zhǔn)為小于1％．鉆孔完成后即進(jìn)行測斜，盡快提交資料．工程師根據(jù)孔序、孔深和孔斜情況按表1中的數(shù)據(jù)調(diào)整提升速度，對于偏斜率大于1％的孔，采用降低提升速度來增加樁徑或增加附加樁的方法解決．

旋噴灌漿防滲墻的施工，減少了基坑滲水量，降低了大壩心墻區(qū)施工難度，說明防滲墻有較好的連續(xù)性和防滲性．

3．2左岸河床地基加固

在主壩左岸坡腳處，橫貫心墻區(qū)有一近似垂直長約140m的巖坎直插入河床，相鄰覆蓋層屬第四系河流沖積物形成的砂卵石層，粒徑最大140mm，礫石成分以硅質(zhì)、鈣質(zhì)為主，并夾有厚約6m的粉細(xì)砂層，局部還有類似坡積物塊石地層出現(xiàn)．此區(qū)域覆蓋層沉積條件較差，密度低，不能滿足心墻區(qū)的承載要求．經(jīng)過多種方案比較，采用高壓旋噴灌漿對此區(qū)域基礎(chǔ)進(jìn)行加固．帷幕防滲軸線上、下游兩側(cè)邊坡陡直，布置旋噴樁間距為1．5m×1．5m，其他區(qū)域樁間距為2．5m×2．5m，并按1∶1的坡度降低旋噴樁高程，最小旋噴樁高度為5m，形成坡角為45°的地基加固區(qū)．

為檢測旋噴加固地基的效果，由黃河水利委員會勘測設(shè)計(jì)院物探總隊(duì)采用“附加質(zhì)量法”及彈性波速法，對地基物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測試．在旋噴地基加固區(qū)均勻布置檢測點(diǎn)位12處，其中4號、5號、6號和9號點(diǎn)布置于旋噴樁樁位處，其余各點(diǎn)均布置于4個旋噴樁的中心處．1號至5號點(diǎn)位分別作了噴漿前后兩次檢測，其余各點(diǎn)僅作噴漿后一次檢測．檢測結(jié)果表明：在噴漿前各點(diǎn)位的物性參數(shù)相近，地基承載力在342～359kPa之間，平均值在347．6kPa；原位密度在2．246～2．292g／cm3之間，平均值為2．256g／cm3；在旋噴灌漿加固后，樁間和樁位上各點(diǎn)物性參數(shù)均有不同程度的提高．對于樁位點(diǎn)，地基承載力平均值為3052kPa，比加固前提高7．77倍；原位密度平均值為2．456g／cm3，比加固前提高8．87％；對于樁間點(diǎn)，地基承載力平均值為933kPa，比加固前提高1．68倍；原位密度平均值為

2．365g／cm3，比加固前提高4．83％．

3．3地下工程的補(bǔ)救

3．3．1“老虎嘴”處理

在混凝土防滲墻軸線靠近左岸處有一垂直高約20m凹向岸坡約6m的反坡，俗稱“老虎嘴”，如全部挖除突出的巖石（約80m2，承包商所提雙輪銑工作效率為0．04m2／h），需要長時間開挖且影響相鄰槽孔的施工，將使處于大壩關(guān)鍵線路上混凝土防滲墻的施工工期施后，且增加較多投資．經(jīng)多方案比較，采用對突出巖石保持原狀基本不開挖，在防滲墻軸線及上、下游側(cè)增加3排旋噴灌漿樁，形成厚約3m的旋噴防滲墻，有效地堵住“老虎嘴”．在防滲墻底部帷幕灌漿完成后，對此段旋噴灌漿防滲墻打檢查孔壓水試驗(yàn)，透水率滿足技術(shù)規(guī)范要求，表明此種方案是合適、有效的．

3．3．2防滲墻原1號槽修補(bǔ)

混凝土防滲墻分兩期施工，第一期原1號槽孔在澆筑混凝土過程中，比設(shè)計(jì)高程欠澆約11m，在處理原1號槽孔施工質(zhì)量問題的過程中，多次發(fā)生塌孔，原地層已發(fā)生擾動．如果對混凝土的缺陷部位（寬2．8m、深約11m），采用支護(hù)邊坡明挖補(bǔ)澆混凝土，由于受地下水的影響，很可能發(fā)生塌方，給施工造成困難．受圍井試驗(yàn)的啟發(fā)，在缺陷部位的周圍布置高壓旋噴樁，將缺陷部位包在旋噴樁中間．在旋噴灌漿施工完成后，對槽孔缺陷部位開挖至原防滲墻頂部高程，形成了一寬2．8m、厚1．2m、深約10m的槽孔，直接澆筑缺陷部位混凝土．采用這種處理方案，旋噴樁對地層起加固和防滲作用，且無地下水影響，大大降低了施工難度，加快了施工速度．

4結(jié)語

a．高壓旋噴灌漿在小浪底工程中應(yīng)用于構(gòu)筑防滲墻、地基加固、地下工程補(bǔ)救上都取得了較好的效果．旋噴灌漿工作需要的場地小，尤其是在工期緊、施工干擾大的情況下，顯示出旋噴灌漿工作不需開挖的優(yōu)勢，大大降低了施工難度．

b．旋噴灌漿使用了先進(jìn)的施工設(shè)備，旋噴機(jī)采用了雙重管法，使用大直徑的雙噴嘴，在壓縮空氣的保護(hù)下，漿液直接噴射到地層中，漿液壓力高、流量大，旋噴半徑大，使旋噴灌漿工作可在較大粒徑的地層中施工，同時采用較高的提升速度，加快了施工進(jìn)度．

c．旋噴灌漿工作采用現(xiàn)場試驗(yàn)來確定參數(shù)和工藝，以此作為施工控制的依據(jù)，在先進(jìn)設(shè)備的保證下，加上嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保了施工質(zhì)量．此經(jīng)驗(yàn)對類似工程具有較高的指導(dǎo)意義