高压喷射灌浆法在南水北调中线穿黄工程北岸竖井施工中的应用及效果分析

崔文光，崔春林，刘 健

（中国水电基础局有限公司，天津 301700）

1 工程概况及地质条件

南水北调中线一期穿黄工程由南、北岸渠道、进口建筑物、穿黄隧洞、出口建筑物等组成。穿黄隧洞总长4 250 m。根据盾构施工要求，于隧洞段南、北两端各设有南岸竖井和北岸竖井。

北岸竖井内径为16.4 m，外径为21 m；竖井顶高程为105.6 m，底板底标高为57.5 m，井深为48.1 m。井壁围护结构为钢筋混凝土地下连续墙，竖井外围设计灰浆墙挡水以降低竖井荷载。主要施工项目包括：圆形钢筋混凝土地连墙，内圈直径18 m，墙厚1.5 m，墙深77 m；竖井外围挡水灰浆墙厚0.8 m，深71.6 m；墙下帷幕灌浆（至粘土岩）。高压喷射灌浆技术应用在地连墙槽段间止水、竖井封底、盾构始发段近洞口和背洞口侧井外地基加固、竖井内衬等。

各地层自上而下分别为：

（1）素填土，以黄褐色粉土为主，稍密—中密，为近期人工堆填碾压而成，厚度为2.70～3.10 m。

（2）砂壤土，黄褐色，湿—很湿，稍密，层底埋深为8.30～9.00 m，厚度为5.30～6.10 m。

（3）粉砂，黄褐色—浅灰色，饱和，稍密，层底埋深为27.10～28.00 m，厚度为8.60～9.90 m。

（4）中砂，灰色，饱和，密实，层底埋深为36.40～38.00 m，厚度为9.20～10.05 m。

（5）细砂，灰色，饱和密实，层底埋深为48.30～ 49.90 m，厚度为10.30～13.50 m。

（6）壤土，灰色，软塑，干强度中等，层底埋深为51.50～52.70 m，厚度为2.30～3.20 m。

（7）细砂，灰色，饱和，密实，层底埋深为61.30～64.80 m，厚度为9.50～12.80 m。

（8）壤土，浅棕色，硬塑，干强度高，层底埋深为70.20～70.80 m，厚度为7.90～9.50 m。

（9）壤土，浅棕色，硬塑，干强度中等，该层未揭穿，最大揭穿厚度为9.8 m。

北岸竖井地层上部为砂壤土、粉砂、细砂，松散—稍密状，强度较低；竖井中部、底部为中砂和细砂、中砂，中密—密实，强度较高；下部位于粉质壤土层中。从地层成分看，较适合高喷灌浆施工。北岸竖井结构和各层地质条件，如图1所示。

2 高压旋喷灌浆设计要求和完成工程量

北岸竖井土体高喷加固包括盾构始发段近洞口侧井外土体加固、背洞口侧井外土体加固、竖井底部土体加固（封底）和地连墙槽段间旋喷止水四部分。其中，盾构始发段近洞口侧井外土体加固高程为81.15～55.50 m；背洞口侧井外土体加固高程为75.5～55.5 m，旋喷孔深度50.1 m；竖井底部土体加固高程为55.5～45.5 m，分别在高程105.6和63.5 m平台高度分A区和B区对竖井底部土体旋喷加固，旋喷施工深度为60.1和18 m；地连墙槽段间旋喷封水加固深度为60～64 m。高喷孔平面布置为：始发端近洞口靠近地连墙旋喷桩加密区三排孔距0.6 m，排距0.52 m；其余部位按孔距0.8 m，排距0.69 m布置。

施工后要求单桩直径不宜小于1.0 m，桩间应完全搭接，不留空隙，搭接长度不小于20 cm。旋喷凝结体要求满足：抗压强度（R28）≥3.0 MPa；抗折强度（T28）≥0.8 MPa；初始切线模量（E0）＝500～800 MPa。竖井内地基加固体同时满足：渗透系数 （K）≤1×10－5cm/s；允许渗透坡降（J）＞50；抗剪强度：粘聚力（C）≥750 kPa，内摩擦角≥40°。

为直观检查高喷桩的成桩质量，第二阶段施工前在竖井中心布置了3根试验桩，呈正三角形布置，旋喷深度为48.1 m，旋喷施工参数与竖井封底旋喷桩施工参数相同（见本文3.2），待以后井内开挖时挖出桩体以测量成桩直径、连续性等参数。

高喷施工自2006年4月开始，2007年4月10日完成全部施工任务。共完成主要工程量：槽段间止水：旋喷桩14根，钻孔879 m，高喷757 m；近洞口侧井外土体加固：旋喷桩657根，钻孔32 915.7 m，高喷16 852.1 m；竖井A区封底：旋喷桩98根，钻孔5 889.8 m，高喷1 091.5 m。

3 施工程序和主要参数

3.1 施工程序

竖井封底、槽段接缝止水和盾构始发段土体加固，均采用新三管法旋喷工艺。其主要施工程序为：桩位放样→钻机就位→钻孔→高喷台车就位→试喷→喷管下至孔底→自下而上旋喷至设计顶高→冲洗喷管→高喷台车移位→回灌。

3.1.1 钻孔

选用XY－4和XY－2型地质钻机，采用泥浆护壁钻孔，护壁泥浆密度一般不小于1.1g/cm3；钻孔孔径比旋喷管外径至少大40 mm，以保证高喷管顺利下入和旋喷过程中返浆通道畅通。旋喷管直径108 mm的，选用钻孔孔径150 mm；旋喷管直径89 mm的，选用钻孔孔径130～150 mm。

钻孔要求孔位中心允许误差不大于5 cm，孔斜不大于0.5%。为避免在旋喷工程中卡埋喷管形成事故，竖井A区和始发段不进行旋喷的上部孔段下设PVC护壁管。

3.1.2 高压旋喷灌浆

钻孔验收合格后，高喷台车就位，进行调平、支撑点垫实垫稳；全面检查喷浆设备是否完好，再进行孔口试喷，检查各种管路是否畅通；下管时将喷头进行密封，以防浆、气、水管道堵塞；下到设计深度后，按浆、水、气顺序依次送入，各种参数达到设计要求和孔口返浆正常后再按要求进行正常提升喷射。喷射作业完成后，通过送浆管路及时向喷射孔内补充地层漏失的浆液，进行静压补浆（回灌），直至孔内浆液面稳定和不再下沉为止；回灌可用新浆，亦可用砂层喷射作业时浆液。

旋喷灌浆应连续进行，喷射提升需要卸管时，复喷段不小于30 cm；因水、电或机械故障等意外原因造成喷射注浆中断时间过长，恢复喷浆时，应将喷头下放原喷顶高程以下不小于0.5 m进行复喷，采取重复搭接，以保证上下桩体的连续性；在喷射注浆过程中，如出现返浆异常（返浆量过小、不返浆、断续返浆），根据实际情况可采取降低提速、静喷、增大浆液密度、孔口填入细砂等办法进行处理，待孔口返浆正常后恢复喷射。

旋喷灌浆分序施工，相邻孔施工间隔时间一般不少于24 h。

3.2 主要施工参数

（1）地连墙槽段间封水旋喷桩施工参数：提升速度上部20 m为10～12 cm／min，底部为6～8 cm/min；转速8～10 r/min；浆压32 MPa；浆量65～75 L/min；水压36 MPa；水量75～80 L/min；风压0.9～1 MPa；浆液密度1.52～1.55 g/cm3。

（2）竖井封底旋喷桩施工参数：提升速度 10 cm/min；转速10 r/min；浆压33 MPa；浆量80 L/min；水压37 MPa；水量80 L/min；风压1 MPa；浆液密度1.5 g/cm3。

（3）盾构始发段土体加固旋喷桩施工参数：提升速度10 cm/min；转速10 r/min；浆压33～35 MPa；浆量80 L/min；水压36 MPa；水量80 L/min；风压0.8～1 MPa；浆液密度1.5～1.55 g/cm3。

（4）浆液材料：喷浆材料主要为河南省济源市生产的32.5级普通硅酸盐水泥，浆液中掺加5%的优质膨润土，水胶比1∶1。

4 施工质量检查与应用

4.1 近洞口侧高喷土体加固质量检查

近洞口侧土体加固质量检查以钻孔取芯为主，同时按5m段长、每孔进行4段压水试验测试旋喷加固体透水率。检查孔数按高喷孔数的1%选取。

7个取芯孔，岩芯为砂土和水泥浆液的混合体，固结强度较高，局部均质性较差；岩芯均较完整，呈柱状；一些部位可明显见到旋喷桩体相互胶结，胶结面两侧固结体强度差异较大，强度较低一侧多为浆液渗透固结。在一些桩与桩之间留有缝隙并夹带砂土。

抽取4个检查孔的芯样（每个孔分别从上、中、下不同部位取样，组成一组），检测旋喷固结体物理力学性能。其抗压强度分别为19.8、25.5、16.7和28.3 MPa；抗折强度分别为4.8、1.0、7.1和5.3 MPa；初始切线模量分别为20×103、14.1×103、24.9×103和16.1×103MPa。

为检查旋喷桩体渗透性能，采用静水头压水方法对每个取芯孔按5 m段长进行压水检查。每个取芯孔作4段压水，共计作28段，检查结果透水率均小于0.1 Lu。

4.2 试验桩开挖检查

竖井外层地连墙施工完成后，井内采用逆作法进行竖井钢筋混凝土内衬，自上而下每3 m一层，分层挖除井内土体，分层浇筑混凝土。在土体开挖以后，试验高喷桩体完全暴露出来。从挖出的高喷桩看，桩体连续、完整，成桩质量整体较好，但桩径不均匀。30 m以上部分桩径能达到1.0 m以上，最大直径1.2 m；30 m以下部分桩径只能达到0.6～1.0 m，特别是40m以下部分桩径只有0.6～0.8 m。

4.3 高喷灌浆结构应用情况

在北岸竖井Ⅱ－B先行完成全部混凝土结构及高喷加固施工以后，开始盾构机向竖井外开挖，但是当破除竖井壁混凝土后，高喷加固体发生严重渗漏和管涌，部分土体垮塌，地面塌陷2 m多，最终导致外围自凝灰浆防渗墙失去支撑而失稳，部分自凝灰浆防渗墙发生破坏，两墙间地下水无法降到设计要求的高程，Ⅱ－A盾构机向竖井外开挖施工也无法进行。

为此，必须寻求对失稳土体再次加固的方法。经比较论证，确定采用冷冻法施工，以保证下步施工的安全。

5 施工效果分析

总的说来，本工程中高喷灌浆没有达到预期效果。

（1）盾构始发段近洞口侧井外土体、背洞口侧井外土体、竖井底部土体和地连墙槽段间旋喷止水4个部位高喷加固中，只有盾构始发段近洞口侧井外土体加固是必须单独和直接经受荷载的，它在使用时发生渗漏和塌陷。

（2）试验桩在30 m以下桩径明显缩小，没有达到设计要求。

（3）其他施工部位对土体的加固要求都是间接的、补充性的，单凭检查孔检查结果看不出好坏。

高喷灌浆没有达到预期效果的原因可能有二：①加固深度太大。盾构始发段近洞口土体加固高程为81.15～55.50 m；背洞口土体加固高程为75.5～55.5 m，旋喷孔深度为50.1 m；竖井底部土体加固高程为55.5～45.5 m，旋喷施工深度为60.1和18 m；地连墙槽段间旋喷封水加固深度为60～64 m。其高喷深度大都大于50 m，由试验桩情况看，桩和桩之间不能可靠地搭接。如果再考虑钻孔偏斜的情况，效果还要差。②随着深度的增加，地层的密实度加大。在这样密实的地层里，高压喷射灌浆影响范围肯定要变小。

鉴于高喷灌浆法在本工程实施效果不令人满意的情况，今后类似工程如需采用高喷灌浆方案时应当慎重考虑。