含泥砂卵石层高压喷射灌浆施工与体会.docx

xx堤含泥砂卵石层高压喷射灌浆施工与体会

摘要：采用高压摆喷方法及三列管法高喷设备对xx航运枢纽库区xx堤堤基含泥砂卵石层进行防渗灌浆施工。通过围井开挖检查、围井注水试验及钻孔取芯检查，验证了设计采用高压摆喷方法进行防渗帷幕灌浆是可行的，所采用的施工参数是正确的。并介绍了作者对高压摆喷的体会，提出了控制高喷质量及降低施工水泥消耗量的具体措施。
关键词：三列管法；高压摆喷；提升速度；高喷板墙；围井；注水试验；xx航运枢纽

1  工程概况
xx航运枢纽库区防护xx堤位于广西xx市xx乡xx村附近，xx支流xx右岸，全长约1 200 m。该堤于1975年竣工，后发现存在严重的渗漏问题，洪水季节堤内多处有喷砂、冒水现象，1986年和1994年洪水期间，曾因管涌问题而2次溃堤，1998年曾进行常规静压灌浆，但效果不好。1999年5月20日～1999年9月23日设计采用高压摆喷方法对渗漏较严重的474 m地段进行灌浆，共完成高喷灌浆孔295个，钻孔总深5 727.5 m。高喷灌浆延米4 062.25 m，高喷板墙总面积6 499.6 m2。
2  地质简述
xx堤地层比较简单，从上到下大致可分为3层：

(1)上部为人工填土层，土层较疏松，厚度3～4 m；
(2)中部为一级阶地冲积层，厚12～16 m。其中以粉土、砂、含泥砂卵砾石层为主要渗漏层，一般厚8～12 m，局部厚达20 m。含泥砂卵砾石层呈中密状，卵石含量15%～40%，粒径20～150 mm，个别粒径达300 mm，呈次圆状，成分为石英或砂岩；砾石含量20%～35%，粒径一般2～15 mm，呈次棱角状，成分以石英和砂岩为主；砂含量20%～40%，以中粗砂为主，成分主要为石英；泥质含量5%～20%；
(3)下部为强风化泥灰岩(D12y)。
3  施工工艺
3.1  施工布置
高喷灌浆孔中心线置于原帷幕灌浆孔中心线内侧1.0 m范围内，局部因考虑设备安放与原静压灌浆中心线有交叉。共布置295个灌浆孔，孔距1.6 m，摆喷角度30°，Ⅰ序孔从轴线向内侧摆喷，Ⅱ序孔从轴线向外侧摆喷。选用三列管法(水、气、浆分别由3条并列的管道输送)设备施灌制作折线形防渗板墙。高喷灌浆上下界线为：上进入粘土层1.0 m，下入基岩面以下1.0 m。
由于高压水管的长度只有80 m，为了减少设备搬运次数，根据场地条件，施工分5段进行。为减少串孔、塌孔及保护板墙有效连接，每段又分Ⅰ、Ⅱ序孔进行施工。施工平面大样图见图1。

3.2  施工方法及工艺
造孔采用3台SGI-150型钻机进行回转钻进，用当地粘土制浆进行钻孔护壁，采用三列管法高喷灌浆设备GS500-4型高压喷射灌浆机1台进行摆喷，在孔造好后下高喷管，高压喷射以水、气、浆为介质，高压喷头使用一对水平喷嘴喷出35～40 MPa的高 压水(周围用压缩空气保护水柱)射流切割破坏被灌地层，出浆口垂直于高压水嘴，在高喷管的底部灌入比重大于1.6以上的水泥浆充填被高压水切开的空间，并使地层中的泥、砂等细小颗粒排出地表，从而形成高喷板墙。主要施工流程如下：
施工放样→钻孔→高喷机就位→地面试喷→下喷管到孔底→送水浆气→慢速提升摆喷→静压灌浆回填→管路冲洗。
3.3  施工参数
施工所采用的高喷参数，按设计要求在正式施工前选择20 m长堤段(渗透系数k=2.78×10-2 cm/s)进行试喷，经围井注水试验验证正确后，才投入正式施工。高喷施工参数见表1。

3.4  灌浆钻孔施工
钻机安放平稳，孔位偏差小于5 cm，均用水平尺校正机台水平和钻机立轴垂直度。通过回转钻进、泥浆护壁成孔。失浆严重时，注入稠泥浆或粘土进行堵漏处理。钻进过程中使用测斜仪对钻孔进行测斜，当发现钻孔倾斜时，及时采取补救措施，以确保成孔倾斜度小于
1%。钻孔结束后及时向孔内注入稠泥浆，防止塌孔。地质人员跟班对岩芯进行分层描述。
3.5  高压摆喷施工
(1)为保证先期形成的板墙与后期形成的板墙有效连结，采用间隔性Ⅰ序孔、Ⅱ序孔施工方法，即先施工完Ⅰ序孔，然后再施工Ⅱ序孔。
(2)高喷机就位后，先在地面进行试摆和试喷，定好喷射方向，待各项参数达到要求后再下喷射管至孔底，自下而上缓慢提升摆喷。
(3)喷射界线为下至强风化泥灰岩1 m以下，上至粘土层底以上1 m，部分孔喷射上界线进入填土层0.5～1.0 m。
(4)在砂卵石层中容易出现塌孔现象致使高喷管下不到预定深度，这时，移开高喷机，用钻机进行扫孔，用浓粘土浆或直接倒入粘土进行护壁，然后才能进行高喷操作。
(5)喷射过程中，出现故障而停喷时，待故障排除后，将喷管下至停喷前深度1 m以下重新喷射，确保板墙连接良好。
(6)部分砂砾卵石层孔段出现漏浆而无冒浆时，就停止提升，并加大水泥浆液浓度，直至孔口有冒浆后才开始重新提升。当发生邻孔串浆时(主要发生在Ⅰ序孔)，将串浆孔堵死，灌浆孔依照正常施喷要求进行。
(7)单孔喷灌结束后，采用0.7∶1的纯水泥浆进行回填补灌，反复进行，直至浆面不再下沉为止。

(8)在喷灌过程中，随时监测进浆比重，回浆比重、流量，水、气、浆的压力和流量，摆喷角度，提升速度等施工参数，并详细记录。
(9)灌浆材料采用xx市水泥厂二、三分厂生产的xx牌425号普通硅酸盐水泥，总耗灰量达1 651.55 t，平均单位耗灰量为407 kg/m。
4  高压摆喷效果检查及评价
在施工过程中和全部竣工后，沿板墙共布设了6个三角形围井并在围井中钻孔进行注水试验(其中开挖2个围井进行直观检查)、5个抽芯检查孔(检查上、下界线)，取11组板墙水泥凝结体样进行室内抗压、抗剪试验。根据检查结果并结合高喷过程中出现的情况对高压喷射灌浆效果综合分析如下：
(1)高喷板墙上6个围井注水试验结果：板墙渗透系数k为2.31×10-7～3.27×10-6cm/s，渗透系数很小。5号围井开挖后曾进行全井注水试验，井内注满水，12 h后水位只下降1.56 m，表明板墙的渗透量很小。
(2)从2个围井开挖出来的结果来看，高喷板墙施工质量很好，主要表现在以下几方面：
①围井的封闭性相当好，三角形围井三面板墙连接很好，板墙的防渗性也不错，开挖至地面以下10 m左右(当时已经深入地下水位以下2～3 m)，未见水渗入；
②底部砂卵石层大多数被喷射扩散的水泥粘结，比较坚硬，用镐开挖十分困难，且围井下部渐渐变窄，呈一锅底状，说明水泥浆在砂卵石层中扩散较宽；

③从板墙上可以看到，粒径达150～250 mm的大卵石也被水泥结石包围，胶结很好；
④粘土层中板墙的厚度为0.15～0.60 m，板墙面较平整，单边喷射长度达1.00 m，砂卵石层中单边最大喷射长度及板墙厚度未能观察到，但由于其扩散性好，喷射距离应更长，厚度应更大，板墙面凹凸不平。
(3)根据室内试验结果，砂卵石层高喷板墙抗剪断强度较高，f′=0.76,c′=0.6 MPa；饱和单轴抗压强度：粘土层高喷板墙为0.7～0.9 MPa，砂卵石层高喷板墙为2.2～7.8 MPa。
(4) Ⅰ序高喷灌浆孔在钻孔时，在砂层和砂砾卵石层容易出现塌孔现象。但在完成Ⅰ序孔板墙施工后，Ⅱ序孔钻孔时，孔壁较稳定；个别孔的中粗砂、粉细砂层可钻上水泥胶结良好的凝结体；Ⅰ序孔高压喷射灌浆时，距灌浆孔3.2 m、甚至是6.4 m的部分待灌浆孔有冒浆或冒气现象，说明高压射流的切割距离是比较远的，采用1.6 m的孔距足以保证高喷板墙的有效连接。
5  结论与体会
(1)综合围井注水、围井开挖及钻孔抽芯检查说明对xx堤基砂层、砂砾卵石层采用高压摆喷灌浆防渗是正确的，所采用的施工参数是可行的。在高喷轴线喷灌范围内，已形成了具有防渗作用的板墙，防渗效果是明显的。高喷施工结束后近1年来，xx堤在2000年6～8月洪水期堤外水位较高的情况下，堤内侧未见以往的喷砂、冒水等现象，说明高喷防渗板墙是有效的。

(2)高压摆喷灌浆与静压灌浆相比，其作用原理有着根本区别。静压灌浆借助压力，使浆液沿孔隙或裂隙进入被灌地层，在含泥的砂层、砂砾卵石层中具有不可控、不可灌等特点，往往导致灌浆的失败。高压摆喷灌浆则是借助于35～40 MPa的高压射流冲击破坏被灌地层结构，切削搅动地层，使水泥浆液与被灌地层颗粒掺混，形成水泥凝结体，同时，水、气、浆与地层中的细颗粒掺混，形成夹气混合液，沿孔壁与喷管之间间隙排出地表，具有升扬置换作用。因此，高喷灌浆在含泥的砂层、砂卵石层中具有较好的可控性及可灌性。
(3)高喷灌浆系隐蔽工程，对施工参数必须严格控制才能保证施工质量。其中，高喷管的提升速度、高压水的压力、水泥浆液的比重、回浆量等是高喷施工控制的关键。
(4)在有大颗粒(粒径150～200 mm)的卵石层中，通过开挖验证水泥浆液可以很好地包围粒径较大的卵石，分析其原因主要是，高喷摆动角度较大(30°)，能有效破坏卵石左右侧的充填物，另外其下部支撑物被先破坏并充满水泥浆液，在进行其中上部喷射时，卵石受高压射流冲击失去支撑，松动掉入水泥浆液中，从而被水泥浆包围凝结。
(5)控制好高喷管的提升速度及充分利用回浆是节约水泥消耗量的关键，在砂层、粉土层、软～可塑状粘土层中可以提升快些，为0.1～0.15 m/s，在砾石层、卵石层中，由于地层的渗透性强，高喷管的提升速度不能太快，一般为0.06～0.1 m/s，在没有回浆的地段要停止提升直到有回浆出现。高喷过程中产生大量的回浆，其中含有较多
的水泥成分，可以抽回搅浆机中加入适量的水泥后重新利用，这样可以降低水泥的消耗量。
(6)高喷机自重达6～7 t，4条腿支撑宽度约4 m，使用钢轨进行移动，故要求场地相对平整，宽度至少要有4 m，以方便高喷机前后移动。高喷机动力耗电较大，工地要有稳定的150～200 kW的三相电源(否则需自备发电机组)，以保证高喷施工的连续性。高压水泵需要耗费大量的清水，水量必须保证。
(7)灌浆钻孔施工是影响高喷施工进度的关键，尤其是在砂卵石层中钻孔，进尺较慢，钻孔护壁难度较大，容易出现塌孔。可考虑使用冲击回转钻进方法提高造孔速度，采用泥粉或纯粘土浓浆进行钻孔护壁。
(8)大量的工程实践证明高压喷射灌浆是处理砂卵石层渗漏的最有效方法，施工速度较快，具有较好的可灌性、可控性，施工质量可靠，比较经济，值得在砂卵石层防渗工程中大力推广。