高压旋喷灌浆加固超深富水砂层试验研究.pdf

收稿日期：基金项目：黄河水科学研究联合基金资助项目（）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（）作者简介：赵廷华（），男，河南商丘人，正高级工程师，硕士，研究方向为水工结构工程：【水利水电工程】高压旋喷灌浆加固超深富水砂层试验研究赵廷华，申 鲁，买巨喆，李雪艳（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州）摘 要：穿沁隧洞工程检修井位于强透水砂层中，该工程竖井防渗十分重要，竖井开挖前需要对井底和洞口进行高压旋喷灌浆加固。为了检验高压旋喷灌浆加固超深透水砂层的防渗效果，确定合适的施工工法、桩位布置和工艺参数，分别采用双高压三管法和 工法开展现场喷射试验研究。现场试验及检测结果显示，两种工法均可用于深度超过 透水砂层的防渗加固。采用双高压三管法时灌浆压力不宜小于 ，喷嘴的提升速度和转速宜分别为 、，成桩直径宜为 ，连续防渗体的桩间距宜控制在。采用 工法时灌浆压力不宜小于 ，喷嘴的提升速度和转速宜分别为 、，成桩直径可达到 ，连续防渗体的桩间距宜为 。二者相比，工法具有成桩直径大、施工效率高等优点，对于超深地层的高压旋喷灌浆加固可优先选用。关键词：超深砂层；高压旋喷灌浆；双高压三管法；工法；穿沁隧洞工程中图分类号：文献标志码：引用格式：赵廷华，申鲁，买巨喆，等高压旋喷灌浆加固超深富水砂层试验研究人民黄河，（）：，（，）：，：；高压旋喷灌浆是通过高压喷射流切割土体，使水泥浆液与土搅拌混合，形成水泥土加固体的施工方法。近年来，随着地下空间开发和深隧工程的实施，部分工程开始尝试采用高压旋喷灌浆加固超深地层。目前典型工程案例包括：西霞院反调节水库电站厂房基坑采用一排高压旋喷桩作为防渗墙，最大喷射深度 ，成墙面积 万，高喷孔间距 ，分三序施工，逐渐加密；南水北调中线穿黄工程采用双管法进行超深地层的高喷灌浆试验，次喷射施工后只成功喷射出一根 深的旋喷桩；天津地铁 号线凌宾路站采用 工法在软土地层中施工防渗止水帷幕，帷幕深度 ，为检验高喷工艺效果，在基坑中喷射了 根试验桩，后期开挖至 深度，检查发现成第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，桩直径大于 ，未对超深地层高压旋喷桩的成桩质量进行全面检测。总体而言，目前采用高压旋喷灌浆加固深度超过 地层的工程案例较少，在这方面还缺乏成熟可靠的经验。穿沁隧洞是河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程总干渠穿越沁河的建筑物，该工程拟采用高压旋喷灌浆对隧洞检修井洞口和底部的细砂层进行防渗加固，最大灌浆加固深度 。为了确保超深砂层高喷加固体的防渗效果，本文开展高喷工艺现场试验研究，通过试验确定施工工法、桩位布置和主要工艺参数等，以期指导后续工程施工，并为同类工程提供经验。工程概况穿沁隧洞工程始于河南省焦作市武陟县北郭乡方陵村北，终于嘉应观乡南贾村南，隧洞总长 。隧洞进口渠底高程、设计水位，出口渠底高程 、设计水位 ，总水头差 ，设计流量 。穿沁隧洞采用泥水平衡盾构法施工，盾构机自沁河西岸始发井出发，向东下穿方陵村、沁河右岸大堤、沁河主河道、沁河左岸大堤，至沁河东岸检修井接收。检修井（施工期间作为盾构接收井）位于隧洞出口，为竖井式，顶高程 ，底高程，井深 。检修井采用地连墙围护加满堂内衬结构，地连墙外径 ，内径 ，墙厚，墙深 ；内衬墙厚 ，自上而下采用逆作法施工，内衬底板厚 。根据穿沁隧洞地质勘查资料，检修井地表以下 为轻粉质壤土和粉质黏土地层，其下为深厚的细砂层，钻孔揭露砂层最大深度超过 ，检修井井身下部整体位于细砂层中。细砂层富含地下水，勘查期间测得地下水水位为 ，高于检修井底板 。地下水和沁河河水水力联系密切，水量很大。细砂层渗透系数为 ，具中强透水性。为了确保竖井开挖以及盾构出洞过程中不出现涌水、涌砂等意外情况，必须先对检修井底部及盾构接收洞口进行高压喷射灌浆加固，使之形成具有一定强度和防渗能力的连续固结体。盾构接收洞口高喷加固范围长 ，宽 ，深度约 ；检修井底部高喷加固范围为底板以下 。检修井高喷加固范围示意见图。试验研究总体思路本次研究主要目的是通过现场试验确定施工工法、桩位布置和主要工艺参数，保证高喷灌浆区域形成连续图 穿沁隧洞检修井结构及高喷加固布置的块状固结体、不留缝隙，有效隔断地下水和基坑的水力联系。高喷施工以及固结体质量应满足下列要求：钻孔位置偏差，钻孔倾斜度，固结体抗压强度，固结体渗透系数，允许渗透坡降。参考目前国内高喷灌浆设备、施工工艺和工程案例，选择双高压三管法和 法两种工法进行现场试验。两种工法灌浆完成后，采用钻孔取芯、注水试验等方法对成桩直径，固结体的连续性、强度、渗透性进行检测。根据检测结果，若只有一种工法满足要求，则采用该工法进行现场施工；若两种工法均满足要求，则对两种工法的成桩效果、水泥耗量、施工效率等进行综合比选，选出最优施工方案。双高压三管法试验根据高喷桩桩位布置方式的不同，现场进行两次双高压三管法试验。直线形布桩试验 试验方案双高压三管法第一次试验布置在检修井外。试桩共分 组，每组 根，共计 根高喷桩。每组 根试桩采用直线形排列，分两序施工，第一序先喷射两侧桩，第二序喷射中间桩。经现场测量，试验区地面高程为 ，试桩桩底高程为 ，最大桩深，高喷灌浆高程范围为 ，上部 为空桩，下部 为实桩。为了更好地检验双高压三管法在超深地层的成桩人 民 黄 河 年第 期效果，拟定两组喷射参数、桩径和桩间距进行试验。第一组为常规喷射参数，初拟桩径 ，桩间距 ，桩间搭接 ；第二组在常规喷射参数的基础上，提高灌浆压力，减小喷嘴的提升速度和转速，增加灌浆量，初拟桩径 ，桩间距 ，桩间搭接 。第一组参数用于喷射第、组试桩，第二组参数用于喷射第、组试桩。试验桩位布置见图，两组试验参数见表。图 高喷试验桩位布置表 双高压三管法第一次喷射试验参数介质参数第一组试验参数第二组试验参数水压力 流量（）喷嘴直径 喷嘴数量 个浆液提升速度（）转速（）流量（）压力 水灰比喷嘴直径 喷嘴数量 个空气压力 风量（）喷嘴环状间隙 喷嘴数量 个 取芯检查情况 组试桩全部喷射完成后，首先对第、组试桩开展钻孔取芯检查。第 组试桩取芯 个，个芯位于桩中心，个芯距桩中心，取芯深度。第 组试桩取芯 个，个芯位于桩中心，个芯距桩中心 ，取芯深度 。取芯发现，第、组试桩仅有一个钻孔在深度 内取得芯样，其余钻孔深度小于 时可取得较完整芯样。原因是取芯时钻孔存在偏斜，随着深度增加，钻孔偏出桩体，无法取得芯样。结合取芯时测得的钻孔偏斜量，深度超过 后，第、组试桩实际成桩直径为 左右，未达到预先拟定的 ，且随着深度增加，高喷桩存在比较明显的缩径现象。综上，双高压三管法第一次试验未达到预期效果，主要原因如下：一是桩位直线形布置造成取芯时钻孔偏出桩体，无法判断 深度以下的成桩情况；二是随着深度增加，高喷桩存在比较明显的缩径现象，实际桩径小于理论计算值。结合本次试验经验，现场通过调整试验方案又开展了双高压三管法第二次试验。环形布桩试验 试验方案双高压三管法第二次试验布置在检修井内。试验区为以检修井中心为圆心、半径为 的圆形区域。本次试验共计 根高喷桩，自外向内隔排分序施工。试验区地面高程，试桩桩底高程，最大桩深 ，高喷灌浆深度 ，上部 为空桩，下部 为实桩。为了优化施工参数，将试验区等分成 个扇形区域，其中区为基准区，、区在区基础上对桩间距、灌浆压力、提升速度和转速等参数进行微调，对比其施工效果。试验区布置见图，个区域试验参数见表。表 双高压三管法第二次喷射试验参数介质参数区试验参数区试验参数区试验参数区试验参数水压力 流量（）喷嘴直径 喷嘴数量 个浆液提升速度（）转速（）流量（）压力 水灰比喷嘴直径 喷嘴数量 个空气压力 风量（）喷嘴环状间隙 喷嘴数量 个 取芯检查情况高喷灌浆完成后，在试验区内任意选择 个点钻孔取芯，若均能取得连续完整芯样，则证明高喷灌浆区域形成连续的块状固结体。对取得芯样进行抗压、抗渗试验，另外利用取芯钻孔进行注水试验，检验固结体强度、渗透性是否满足要求。钻孔取芯率及芯样强度见表。个钻孔的取芯率最小为，最大为，平均为；芯样平均强度 ，均大于 。人 民 黄 河 年第 期表 双高压三管法钻孔取芯率及芯样强度取芯点位最大取芯深度 取芯率 芯样强度 芯样平均强度、根据芯样室内渗透试验，区、区、区、区芯样渗透系数分别为、，平均值为 。根据钻孔现场注水试验，区、区、区、区芯样渗透系数分别为、，平均值为 。综合抗渗试验成果，高喷固结体渗透系数。综上，双高压三管法第二次试验对桩位布置和高喷施工参数进行了适当调整，通过芯样抗压、抗渗、钻孔注水试验检测，地面以下 深度的高喷加固体连续性、抗压强度、渗透系数均满足要求。工法试验 工法是近年来从日本引进的一种高压喷射灌浆工艺，与传统高喷工艺相比，具有成桩直径大、桩身质量好、对周边环境影响小、泥浆污染少等优点。目前，工法在水利工程中还未见应用，为了验证其在超深砂质地层中的适用性，在进行双高压三管法第二次试验的同时，在现场又开展了 工法灌浆试验。试验方案 工法试验布置在检修井外，安排两组试桩，每组 根，共 根高喷桩。试桩采用三角形布置，初拟桩径，桩间距 ，桩间搭接 。试验区地面高程，试桩桩底高程，最大桩深，高喷灌浆深度，上部 为空桩，下部 为实桩。试验桩位布置见图，试验参数见表。表 工法喷射试验参数介质参数数值水压力 流量（）喷嘴直径 喷嘴数量 个浆液提升速度（）转速（）流量（）压力 水灰比喷嘴直径 喷嘴数量 个空气压力 风量（）喷嘴环状间隙 喷嘴数量 个 取芯检查情况每组试桩取 点，共 点进行钻孔取芯，检验高喷固结体的连续性、强度和渗透性。号点取芯率分别为、和，平均值为。号点取芯率为，由于取芯与喷射时间间隔较短，下部桩体未完全固结，取出未凝结的水泥块，因此取芯率偏低。个点芯样的平均强度分别为、，均大于 。根据芯样室内渗透试验，平均渗透系数为 ；根据钻孔注水试验，平均渗透系数为 。综合抗渗试验成果，高喷固结体渗透系数。综上，两组 工法试桩检测成果显示，地面以下 深度范围内，工法的成桩直径可达到，高喷固结体的连续性、抗压强度、渗透系数均满足要求。相比而言，工法的单桩直径更大，桩体强度离散性更低，成桩质量更加稳定。结论）通过双高压三管法和 两种工法进行现场喷射试验、取芯检查、固结体强度和渗透性检测，验证采用这两种工法加固超深强透水砂层均是可行的。）喷射深度超过 后，双高压三管法高喷桩缩径现象明显，成桩直径小于理论计算值。桩径减小的主要原因是随着深度增加，地层压力加大，返浆量增加，浆液损耗增多。根据现场试验，加固地层深度为 时，双高压三管法灌浆压力不宜小于，提升速度和转速宜分别为 、，成桩直径为 左右，连续防渗体的桩间距宜控制在 。）工法设备具有地层压力感知、强制排浆等功能，可根据地层压力适当调整喷射参数，成桩质量更加稳定。喷射深度超过 后，灌浆压力不宜小于 ，提升速度和转速宜分别为 、，成桩直径可达到 ，连续防渗体的桩间距宜控制在 。）以检修井高喷封底为例，对比两种工法加固超深地层的施工效率。采用 工法施工桩间距为，在试验桩的基础上需要再喷射 根桩，施工周期 ；采用双高压三管法桩间距为 ，需要再喷射 根桩，施工周期为 。二者相比，工法的效率明显高于双高压三管法的。参考文献：张利新，肖强西霞院反调节水库高压旋喷防渗墙的施工研究人民黄河，（）：（下转第 页）人 民 黄 河 年第 期 刘成栋，袁辉，向衍，等西溪水库大坝 号坝段坝基扬压力异常成因解析西北水电，（增刊）：，赵静葠窝水库坝基扬压力异常分析及处理方案探究农业与技术，（）：，薛建峰，蒋裕丰古田溪一级大坝坝基扬压力异常成因解析三峡大学学报（自然科学版）：，（）：胡子俊响洪甸水库坝基扬压力异常原因及处理方法的探讨大坝与安全，（）：赵凤英，陶金宇太平湾大坝坝基扬压力系数的分析确定吉林水利，（）：，包腾飞，顾冲时，吴中如李家峡大坝 号坝段坝基扬压力异常成因综合分析岩土工程学报，（）：孙昌利，张挺，朱信华某水库大坝扬压力异常原因分析广东水利水电，（）：，唐劲松，刘观标嶂山闸扬压力异常原因分析水电自动化与大坝监测，（）：，罗力谦，朱信华乐昌峡水利枢纽 号坝段扬压力异常分析及处理方案探讨广东水利电力职业技术学院学报，（）：中华人民共和国水利部混凝土重力坝设计规范：北京：中国水利水电出版社，：中华人民共和国水利部水闸设计规范：北京：中国水利水电出版社，：蔡明，张冀大朝山水电站坝基扬压力监测资料分析云南水力发电，（）：朱岳明，龚道勇，张建斌百色水利枢纽重力坝 号坝段基础渗流场分析红水河，（）：谭立，杨源洞坪水电站大坝坝基扬压力监测资料分析水电与新能源，（）：中华人民共和国水利部混凝土坝安全监测技术规范：北京：中国水利水电出版社，：施巍松，孙辉，曹杰，等边缘计算：万物互联时代新型计算模型计算机研究与发展，（）：李鹏飞边缘计算在水利信息化项目中的应用思考中国信息化，（）：王伟，沈振中基于改进粒子群算法的坝基扬压力预报方法人民黄河，（）：周仁练，苏怀智，韩彰，等混凝土坝变形的长期预测模型与应用水力发电学报，（）：苏燕，付家源，林川，等基于时间注意力机制的大坝动态变形预测模型水力发电学报，（）：【责任编辑 张华岩】（上接第 页）王美慧，唐德善，尚静改进模糊综合评价模型在长江三角洲地区农业用水效率评价中的应用水电能源科学，（）：中华人民共和国水利部灌溉与排水施工质量评定规程：北 京：中 国 水 利 水 电 出 版 社，：中华人民共和国水利部灌区改造技术标准：北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，：宋培争，汪嘉杨，刘伟，等基于 优化逻辑斯蒂曲线的水资源安全评价模型自然资源学报，（）：张礼兵，喻海関，金菊良，等基于联系数的大型灌区水资源空间均衡评价与优化调控水利学报，（）：，：，（）：，（）：【责任编辑 简 群】（上接第 页）郝继锋，梁单禹穿黄工程深厚覆盖地层下高压旋喷土体加固施工工艺比选中国水利，（）：蒋清国 工法在超深基坑止水帷幕中的应用与总结科技创新与应用，（）：赵廷华，唐献富，闫汝华，等河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程初步设计报告郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，：来光，陈全礼，王世锋，等河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程初步设计阶段工程地质勘察报告郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，：赵廷华，唐献富，张文峰，等河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程穿沁隧洞工程盾构始发井、检修井施工技术要求郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，：国家能源局水电水利工程高压喷射灌浆技术规范：北京：中国电力出版社，：张帆二种先进的高压喷射注浆工艺岩土工程学报，（增刊）：【责任编辑 栗 铭】人 民 黄 河 年第 期