高压旋喷成墙技术在复杂地基中应用介绍

张宝红

（中国水利水电第十一工程局，河南郑州，450001）

【摘要】高压喷射注浆技术是利用射流作用切割搅拌地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗止水的目的。因具有施工快，工艺简单，费用低等特点，目前已被广泛应用于工业民用建筑基础防渗和地基加固中。但在大、中型水利工程的基础处理中因为成孔困难、防渗效果不理想等而未被广泛采用。由中国水电第十一工程局施工的国外某一水电站基础处理工程中，创造性地提出并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；变化的灌浆参数以及有别于国内规范的钻孔及压水实验标准。最终解决了此项难题，工程质量达到合同要求。在此总结出来，以供同类工程参考。

【关键词】高压旋喷 复杂地基 应用

1 工程简介

尼泊尔上塔马克西水电站工程，为一混凝土重力坝工程，坝高27m，坝长约110m，总装机45万千瓦，为引水式水电站。大坝河床覆盖层全部为砂砾石层，有少量的洪积层和块石夹在其中，覆盖层较厚，最深处达100m，颗粒级配不良，大粒径卵石较多，局部有漂石分布，表面以下12～20m处夹杂有细砂层分布。地层渗透系数约为10-2～10-3 cm/s，为强透水层。为达到防渗目的，合同中明确要求采用高压喷浆法修建基础防渗墙，要求成墙后其抗压强度不低于5Mpa，渗透系数小于1×10-4cm/s（透水率大约10Lu以下），成墙厚度不小于750mm，防渗墙全长110m，深15m分布在高程EL1950-EL1965之间，成墙面积1650m2。考虑到砂砾石层中成墙困难，合同中也明确要求承包商应在场外做试验段以确定钻孔及灌浆参数。

2 高压旋喷三管法施工准备

2.1 工法介绍

根据工程地质情况，在充分咨询国内专家的基础上，拟采用高压旋喷三重管法进行施工。

高压旋喷三重管法施工技术是在高压旋喷单管法、二重管法的基础上发展起来的一种新方法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，具有三管同轴的特点。一般情况下，浆管在下，高压水管和气管在上，两处相距40cm，在以高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状旋喷桩，以达到加固地基或止水防渗的目的，其加固体直径可达2m，如图1所示。

2.2 工程中使用的主要设备

用于本工程中的主要机械设备见表1。

2.3 高压旋喷注浆实验段取得的主要参数

经过前期在场外做了三段实验段，总结出以下的钻孔及灌浆参数基本上可以满足合同的要求。

当地层为砂砾石层时，参数见表2。

当地层为细砂层时，参数见表3。

3 施工作业过程

3.1 钻孔及灌浆孔位布置

本工程中高压旋喷防渗墙全长110m，经计算从左岸到右岸共布置174个孔，孔距60cm，孔深从高程EL1950～EL1965计15m，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔间隔施工，这样可以有效防止串浆发生，成墙后面积1650m2（见图2）。

在防渗墙施工轴线一侧布置两个水泥平台及灌浆平台，按《基础防渗墙孔位平面布置图》在防渗墙轴线上定出高喷孔位，并做好标记。孔位定出后，即可进行钻机、高压旋喷机的就位和安装。防渗墙钻孔和灌浆按相同的三序孔顺序进行。

3.2 钻孔

针对砂砾石地层成孔难、易塌孔、钻进速度慢等技术难题，采用MD-80A风动液压钻机配偏心式冲击器冲击跟管钻进，跟管直径为140mm。钻孔达到设计深度后，将钻杆提出，在跟管内下设直径为110mm pVC套管，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。此法不用泥土护壁，不易塌孔，钻孔速度快，平均钻进速度为6m/h。

考虑到压水实验时，检查孔位置会不同于灌浆孔位置。因此保证防渗墙的垂直度就要从钻孔时开始控制，钻进时要严格控制孔斜度，只有孔斜度小于0.7%才能保证压水实验孔的位置位于墙内。因此在钻孔过程中分别在机头和机身上各安放一个水平尺进行随时检测，并且每钻进5m用测斜仪量一次，发现孔斜率超过规定随时纠正。做好钻孔记录，记录必须真实翔实，特殊情况要描述清楚。

在选择pVC套管时，我们充分注意了材质问题，质量过好的pVC套管因韧性大而难以切割成碎片不能采用，材质较脆厚度大于2mm的pVC套管较为适用。这是保证灌浆施工的一个关键细节。

3.3 灌浆

采用43号普通硅酸盐水泥，掺加1%的速凝剂。水泥必须采用新鲜且不结块水泥，为保证浆液不堵塞喷嘴，浆液必须经过3mm的筛孔过滤，且始终处于悬浮液状态。

根据钻孔记录，结合地质资料能大致判断出灌浆地层的土质情况，作为控制灌浆提升速度和水压的依据。施工过程中严格控制进浆比重，随时检查孔口翻浆比重。通过孔口翻浆比重，能大致判断出地层的情况，当翻浆比重较小，砂子含量较大时，说明此层为细砂层。当翻浆比重较大时，砂子含量较少，说明此层为砂砾石层或遇有孤石。

灌浆工作开始后，机械操作手应掌握好机器的提升速度和旋转速度，并控制高压旋喷机的水平状态。和造孔相同，仍然在机头和机尾各安放一个水平尺，适时监控旋喷机的水平状态，发现有倾斜及时调整。当班技术人员应经常检查进浆比重，出浆比重，并及时判断出地层情况，适时调整水压，风压和浆压。要告知操作手适时调整转机的提升速度和旋转速度，并且做好记录。

3.4 几种特殊情况的处理

3.4.1 卡钻

卡钻是灌浆工作中处理最频繁也是最危险的工作，如果处理不好，不仅灌浆工作前功尽弃，而且极容易造成钻杆断到孔内，造成损失，必须给予高度重视。在本工程中的施工，就因卡转而使5根转杆断到孔内，一个孔报废。因此做好下列几点工作是极其重要的：

（1）卡钻大多发生在细砂层中。在保持旋转速度不变的情况下，提升速度必须大于15cm/min，另外水压必须大于40Mpa。在接近换钻杆时还要格外注意，首先要把高压水关停，并迅速提升钻杆离开喷浆层一定距离，以极快的速度换掉钻杆，然后将高压水打开，将钻杆下放到刚才灌浆区域，与下部桩头搭接至少30cm继续施工。

（2）当在砂砾石层施工时，有时也会卡钻，多数情况下是因为塌孔而抱死钻杆造成的。处理塌孔非常棘手，一切都要重新开始。选择材质脆且厚度大的pVC套管可以有效防止此类塌孔的发生。

3.4.2 孤石处理

针对注浆过程中的孤石能否有效被水泥浆包裹的问题。施工实践证明，灌浆施工时，采取在孤石上、下大约1m处加大喷嘴旋转速度、放慢提升速度并适当调小水压力，充分用水泥浆将孤石裹住，从而使固结后的墙体达到连续的目的。因此做好钻孔记录，清楚标明孤石大概位置是至关重要的。

3.4.3 中断喷浆

在喷浆过程中发生停电、停喷事故也常有发生。除了现场备用一台专用发电机外，还需要采取重新喷浆的办法，加大水压并使搭接长度大于1m，解决此类问题。

3.4.4 临孔串浆的处理

临孔串浆多发生在河床上部大粒径地层中，因粒径大孔隙大而使浆液串孔。因此在灌浆安排时，必须选用三序孔位施工法拉大孔距，另外一旦发生串孔，应立即降低水压至30Mpa，可有效解决此类问题发生。

3.4.5 PVC套管

在钻孔及灌浆工作中，pVC套管起着至关的作用，因此在选择此类pVC套管时也要加以留意，不能选择韧性较好的产品，也不宜选择过薄的产品。

3.4.6 桩头的处理

本工程中防渗墙的桩头有两处需要格外引起重视，一处是在高程EL1960处防渗墙与钢板桩的底部接头，另一处是在高程EL1965处防渗墙与大坝混凝土的接头处。在高程EL1960时，采用的措施是放慢提升速度，让浆液充分与钢板桩相渗透。在高程EL1965桩头处，应及时将高压水关停，仅保留浆压和气压，放慢提升速度，以使浆液自由沉淀充分形成桩头。

4 质量检查

高压旋喷桩施工结束后，根据监理的指示我们共抽查了9根桩钻孔做压水实验检查渗透性，并切割岩芯检查其抗压强度，抽样检查率为5%。每一检查点均位于两根桩的中间搭接处。在每一孔的上中下三处作压水实验。

在钻取检查孔时，为了保证钻孔位于桩的正中心，必须采取可靠的措施保证钻机水平，在机头和机尾分别安装两根水平尺，随时观察钻机是否处于水平状态，发生偏差立即纠正。考虑到防渗墙的强度偏低，为了不使钻机破坏其整体性，在钻速上必须加以控制，平均钻速为0.7m/h。事后证明，慢速钻孔保证了岩芯的整体性，也对压水实验起到了很好的作用。在压水实验的水压力选择上，在与监理协商一致后认为采用美国陆军工程兵协会标准中关于最大水头的概念比较适合此工程。此工程的实际坝高27m，防渗墙最深度17m，总水头为44m，因此采取三压力五阶段法分别为0.2-0.4-0.6时，最大水压力为0.6Mpa折算成水头为60m，此水头能满足最大坝高的要求，能较接近地模拟工程实际运行情况。这样就避免了使用国内规范中最大水压力为1Mpa的规定。实验结果表明，9个孔的透水率为2.4～6.7Lu。岩芯取成率为80%，岩芯无侧限抗压强度为8～26Mpa，平均抗压强度18Mpa。挖开后检查成墙厚度为最大值1.2m，最小值0.9m，平均值1.12m，均能符合设计要求。

5 结语

在砂砾石地基中进行防渗墙施工，因其透水性较强，在我们国家的水利工程中一般采用混凝土灌注桩或帷幕灌浆处理，但这两工法存在施工工期长，投资大，工艺复杂，稍有不慎易造成断桩等缺点。而采用高压旋喷灌浆进行防渗处理在投资上和施工速度上有明显优势，因而现在越来越多地被采用。但未完全普及的主要原因是砂卵石地基成墙困难，抗渗性无法保证。从长远来看，用高压喷射注浆法取代混凝土灌注桩和帷幕灌浆是水利工程地基处理的趋势，本文在此方面取得的一些经验可供类似工程参考。

参考文献

[1]地基处理手册编委会．地基处理手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998.

[2]沈安正，陆声鸿，钱应德．黄河小浪底水利枢纽工程围堰旋喷灌浆防渗墙的施工技术和质量控制[J]．岩土工程技术，1998,（4）.

【作者简介】

张宝红（1972— ），男，工程师，河南安阳人，主要从事水利水电工程施工工作。