浅析除险加固高压旋喷灌浆质量问题与对策

徐猛勇

(湖南水利水电职业技术学院,湖南长沙410131)

1 高压旋喷技术的特点

高压旋喷注浆方法是将带有特殊喷嘴的注浆管置入预定的处理深度,以20 MPa或更高压力的高压喷射流(或辅以0.7MPa压力的环绕气流和2MPa～5 MPa压力的固化浆液)强力冲击破坏土体,使部分土体被置换,同时部分土与固化剂搅拌混合,经过一定时间的凝结固化后,在土体中形成有一定强度的固结体。该固结体强度可达2MPa～12MPa,为加固前的几十到百倍。喷射注浆时,带喷嘴的注浆管在喷射的同时向上提升。若注浆管不旋转,称为定喷;若只摆动一定角度而不旋转则叫摆喷;若旋转则为旋喷。

高压旋喷注浆法用于加固软弱土层,其特点如下:适用范围广,解决静压注浆不能注入细颗粒土层的加固问题。可用于新建工程,也可用于工程修复。用于不停止生产的建筑物加固更为优越。旋喷施工可以不破坏原有的建筑物,只在地面钻一个直径为76 mm～200 mm的钻孔即可旋喷成0.4 m～4 m的固结体。固结体形状可以控制,强度高。固结体可灵活布置,可单桩或密集桩承载。噪音小,无污染。

由于旋喷固结体具有上述特点,因此,旋喷注浆在许多工程中得到广泛应用。该技术具体可应用在如下方面:提高地基承载力,预防、制止建筑物基础下沉,纠正建筑物基础不均匀下沉引起的偏斜,建筑物地基加固,混凝土灌注桩桩底沉渣加固。挡土围堰,保护邻近建筑物使其不致沉陷和倾斜。防渗帷幕,用于矿山防水帷幕地下连续墙及水库坝基防渗等。减少因设备振动引起建筑物下砂土液化等。河堤、水库、港口等建筑物基础加固,避免洪水冲垮堤岸和建筑物[1]。

2 高压旋喷技术要求及施工工艺

2.1 施工程序

按设计图放线→钻机就位平台→安装(校立轴垂直)→钻孔、护壁→钻到设计深度→验收孔深→高喷设备就位→管路安装→地表试喷检查→下喷浆管至设计深度→制浆送浆→开喷→提升→至设计止喷深度→结束。

高压旋喷孔分两序孔施工,先Ⅰ序孔,后Ⅱ序孔,28 d后进行检查孔施工和检查井开挖。根据该工程的水文地质和工程地质条件,常采用高喷灌浆双排孔平行布置摆喷折线连接菱形结构。一序孔与二序孔呈折线连接,摆喷折线有夹角。

2.2 施工参数

在开工前,选择与坝上地质条件相符合的场地进行单喷和围井试验,试验时采用多种技术参数,通过试验能够反映出高喷灌浆摆喷、半圆喷结构对该工程所起到的防渗效果。开挖可直观看到高喷防渗墙的连接形式、喷射长度、厚度、形状、强度等,通过试验结果确定坝上高喷灌浆施工技术参数,以确保各地层灌浆技术参数的可靠性。根据围井试验结果,对高喷灌浆施工技术参数进行修正[2]。

2.3 高喷施工工艺过程

2.3.1 施工前准备

做好施工前的准备工作,施工前组织管理、技术人员和施工人员对施工机械设备检测仪器进行检测和维修。对进入施工现场的材料进行检验。确保机械设备仪器的完好率。对受潮、结块和过期的材料一律不许用于防渗墙施工。水泥类型为P.O42.5普通硅酸盐水泥。同一灌浆段必须使用同一种水泥。水泥的细度要求通过80 μ m方孔筛余量不宜大于5%。灌浆用水泥必须符合质量标准,保持新鲜;受潮结块的水泥不得使用。水泥到库后,妥善保管。现场水泥应经常抽查,不符合要求的水泥不得在灌浆中使用。在水泥的运输、库存、现场堆放、拆包、搅浆、输浆等各个环节均应仔细处理,保证水泥和水泥浆不因种种原因变粗、变质、污染。同时,水泥等固相材料采用重量称量法,并按设计要求误差小于5%和相应的技术规范,经监理人员指示或批准在水泥中掺入砂、黏性土、粉煤灰和水玻璃等掺合料和掺入速凝剂、稳定剂以及监理人员指示或批准的其它外加剂等,水灰比采用2∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1,0.5∶1五个比级。各种外加剂的质量符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-94规定,其最优掺入量应通过室内试验和现场灌浆试验确定,试验成果应报送监理人员。

由于旋喷桩初期强度低,为防止施工时邻近桩体的破坏,在施工顺序上要采取跳打施工的方法,后期施工的旋喷桩可添加速凝剂。

2.3.2 钻孔

(1)钻孔采用泥浆护壁,终孔孔径φ 110 mm。(2)钻孔孔位偏差控制在5 cm以内。

(3)钻孔按两序孔施工,先施工Ⅰ序孔,后施工Ⅱ序孔。

(4)钻进时,经常测量孔斜,防止钻孔偏斜,保证全孔偏斜率不超过1%。

(5)钻进时应详细作好记录,发现地层变化、漏浆、掉钻等特殊情况,及时记录并采取相应措施进行处理。通过移孔和补孔来保证高喷防渗墙体的有效连接。

2.3.3 浆液

(1)浆液材料采用425#普通硅酸盐水泥,施工过程中定期抽检,不使用过期的和受潮结块的水泥。

(2)高喷灌浆用水为库水,水质良好,符合混凝土拌合用要求。

(3)制浆采用重量计量法,其误差不大于5%,水灰比按2∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1,0.5∶1级配制,搅拌时间不小于30 s,备用浆液至用完时间不超过4 h。

(4)浆液搅拌后必须过筛使用,比重密度定时测量。

2.3.4 高压旋喷灌浆

(1)钻孔验收后,进行高喷施工,高喷分两序孔施工。

(2)下喷浆管前,进行地面试喷。下入或拆卸喷射管时,应采取防护措施,防止喷嘴堵塞。

(3)当喷头下至设计深度,先按规定参数原位喷射,待浆液返出孔口后再提升喷射。

(4)高喷原则上保持全孔连续作业,遇中途拆卸射管,多喷搭接长度0.2m～0.5 m。高喷结束,利用水泥浆回灌,直至孔口浆液不下降为止。

(5)施工过程中,要按实际情况详细记录高喷灌浆的各种参数。

(6)高喷施工过程中,采取有效措施保证孔内浆液上返畅通,避免造成坝体劈裂。

3 结合工程实例进行分析说明

3.1 工程概况

湖南岳阳一水库位于东洞庭湖的新墙河支流沙港河中游的峡谷口。灌区是湖南省重要的商品粮基地和洞庭湖粮食主产区之一。

枢纽工程包括大坝、溢洪道、导流兼放空隧洞、副坝、小湄连通隧洞、南北干渠引水隧洞及渠首水电站等建筑物组成。大坝为粘土斜墙砂石混合坝,坝高44.5 m,坝顶长211 m,顶宽8 m,坝顶高程96 m。水库工程于1977年动工兴建,1982年基本建成并投入运行,水源主要靠天然降雨蓄水,水库集雨面积493 km2,总库容6.35×108m3,正常蓄水位92.2 m,相应库容5.46×108m3,系多年调节水库。大坝兴建时由于技术条件有限,加之整个工程地质勘探工作也没有按要求去做,施工质量差,导致大坝各项技术指标达不到设计要求。

3.2 工程地质

大坝主要以中厚层石英砂岩夹薄层板岩和炭质页岩,所见砂页岩节理裂隙较发育,岩体完整性较差,但板岩则因风化深度大,节理已充填向深部闭合,坝基岩体虽不十分完整,但防渗性较好。从坝后渗漏情况看,筑填土层与岩石接触面密实度差,未开凿防渗齿墙,构成了渗漏的主要途径。大坝地下水为第四系孔隙水和基岩裂隙水,以节理裂隙为径流通道,大气降水补给。降水主要集中在4～6月份,占全年的50%以上。孔隙水广泛以潜水形式存在于人工填土、残坡积层孔隙中,向基岩裂隙和地表低洼点排泄,地下水排泄条件较好。大坝填筑土质量不均,从上至下其颗粒为碎石土—砾质粘土,含少量砾的粘土,并含淤泥质、植物根系,不符合心墙土质量标准,特别是填筑土的防渗标准低,通过现场注水试验测定渗透系数的平均值Kcp=1.089×10-4cm/s,大大低于K≤1×10-5cm/s的标准。另外心墙底未设防渗齿墙,也未对底层填土进行强夯实等特殊处理,留下渗流隐患。近年,湖南省组织有关单位和专家对水库进行了大坝安全评价,提出了除险加固工程方案。本工程按照设计图纸完成高喷灌浆24 301 m防渗效果良好,达到设计要求质量控制标准,即旋喷深度达基岩面以下1.0 m,渗透系数K＜1.0×10-6cm/s。

3.3 施工过程质量控制

高压喷射灌浆加固地基或防渗止水属于隐蔽工程,施工全过程必须严格管理才能保证高喷凝结体的质量[3]。

本项目高喷墙轴线与A区帷幕轴线一致。孔距1 m,按两序孔布置施工,初拟高压水压力35 MPa,输水量75 L/min;气压0.8 MPa,气量80 m3/h;灌浆压力0.20 MPa～1.00MPa,进浆量70 L/min,喷射管提升速度6 cm/min～10 cm/min,旋喷速度0.8次/min～1.0次/min(单程为一次)。施工工艺技术参数通过高喷灌浆现场试验确定。高喷灌浆施工技术参数见表1。

在整个施工过程中,实行技术工程师现场值班制度和监理工程师现场监督检查,发现问题及时纠正解决,同时钻孔深度、孔位、孔斜、注水试验、高喷、灌浆班报实行验收签证制度,确保施工质量。高压施喷参数严格按照技术要求进行操作,重点对水压、水量、气量、浆液密度、进浆量提升速度、回浆密度进行控制[4]。

表1 高喷灌浆施工技术参数

水压、水量是切割土体的能量来源,高压水压控制40 MPa以上,水量控制在75 L/min～85 L/min,均达到了有效切割土层的目的。

气压、气量是保持进入孔底高压水不过早衰减,保证有效切割半径和扬升置换被切割的细小残留物的同时,将浆液与可胶结物进行充分拌合,使之达到高喷墙体均一。施工过程中气压采用0.75 MPa～0.8 MPa,气量1.6 m3/min,满足设计要求。

浆液部位渗墙的主要原料,水泥与土体、砂粒的充分凝结,是形成有效防渗墙体的关键。施工过程中,浆液密度均控制在1.65 g/cm3～1.68 g/cm3之间,浆量控制在72 L/min～75L/min以上。保证了形成高喷墙材料的有效供给。

提升速度是保证防渗墙均匀连续的有效手段。施工过程中,土层控制在5.5 cm/min～6.0 cm/min,全风化层控制在5.5 cm/min～6.5 cm/min,残坡积层控制在7 cm/min～8 cm/min以内。有部分Ⅱ序孔按8.5 cm/min控制,各钻孔均能满足设计要求。

回浆密度是反映高喷施工时水泥与土体拌合程度,土体是否被有效切割的综合反映。因此在高喷灌浆施工时,孔口返浆后,进行比重检测。回浆浓度均＞1.1 g/cm3,Ⅱ序孔一般返浆密度达到1.3 g/cm3以上,均满足设计要求。

该水库高压旋喷灌浆过程中出现孔口不返浆、返浆量小、机械设备故障、供电中断而造成中途间断施工等问题。这些原因引起间断施工,若处理不当,将会引起高喷防渗墙的形成与连续性。因此,该工程施工过程中,采取相应处理措施。

出现孔口不返浆,返浆量小均系坝体填土松散,残坡积或全风化土层中的细小颗粒被地下水带走而形成空洞、槽沟所致,均为坝体地质条件相关。施工采用原位喷射,减小水量,增强浆密度,增加浓度,掺入添加剂(如土粉、砂粒等)等措施进行处理。

各种设备故障、供电中断、管路堵塞、喷嘴堵塞等间断灌浆施工,查明原因,尽快恢复,置换相关配件,恢复灌浆前,必须将喷浆管下入事故停喷前0.5 m以下。再按要求进行施工,防止间断,确保防渗墙整体形成。

灌浆过程中,经常出现漏浆,采用浓浆、低压、间歇灌浆的方法处理。如A区Ⅰ-8孔号,连续间歇3次,最长间歇时间达2 h。

串浆发生时,可以对串浆孔同时灌浆。不具备灌浆条件时,先堵塞被串浆孔,待串浆灌浆完毕,再扫孔补灌浆。如11孔、12孔的串浆采用同时灌浆处理,效果较好。

灌浆工作不能连续进行,因故中断时,采取了冲洗钻孔,恢复灌浆或扫孔后恢复灌浆。恢复灌浆液采用开灌浆液比级或采用中断比级。如注入率比中断前减少较多,则浆液逐级加浓进行灌注。

灌浆注入量大,难于结束时,采取低压、浓浆、限量、间歇灌浆或加入添加剂措施处理。

3.4 质量检测

3.4.1 检查孔取芯效果分析

为了检验高喷墙施工形成后的强度,分别在大坝不同深度部位取芯采样,分别对其中有代表性的10组岩样进行试验,钻孔取芯检测结果见表2。试验成果表明:高喷墙体随深度加深其强度增大,深度越大,自重压力越大,墙体越密实。上部填土相对而言,粘土含量较下部全风化层要多,故凝结体强度相应较低,下部砂砾较多,与水泥凝结后,其强度较上部要大得多,这与土体本身特性有关。岩心采取率填土层为65%,强风化层、残坡积层为90.5%。高喷墙体完整性和强度达到设计要求。

表2 高喷防渗墙钻孔取芯检测结果

根据不同地层中的抗压强度设计要求,通过对比其值均符合设计要求。

3.4.2 检查井开挖成果分析

按设计要求,分别在大坝桩号K0+50m和K0+100m几个部位进行检查井开挖,开挖观察表明:防渗墙体上、下连续、无间断,左右搭接无缝隙,搭接部位厚度0.7 m。墙体有效厚度0.7m～1.2 m,下部密实明显高于上部填土。填土区偶尔见到有包裹状土块(强风化粉砂岩块)和5 mm～10 mm左右的气孔,符合高喷灌浆的正常规律。

3.4.3 检查孔注水试验成果分析

大坝高压旋喷防渗墙内按设计、规范要求,在其代表部位按5%进行了取芯检查,并分段进行了注水试验。检查孔注水试验成果见表3。

大坝施工检查孔12个,共做注水试验25段。其中K＜1×10-6cm/s者7段,K＜1×10-5者10段,全部满足设计防渗要求Lu≤5。表3看出渗透系数Lu在2.6～4.96,符合设计要求。

4 常见问题及其处理对策

4.1 冒 浆

在喷射过程中,往往有一定数量的上颗粒,随着一部分浆液沿着灌浆管管壁冒出地而。一方而及时排运出冒浆,保持现场干净,或加以回收后再潜入;另一方而通过对冒浆的观察,可以及时了解地层状况、判断喷射的大致效果和核定喷射参数的合理性等[5]。根据经验,冒浆(内有上粒、水及浆液)量小于灌浆量20%者为正常现象,超过20%或完全小冒浆时,应查明原因及时采取相应措施。

流量不变而压力突然下降时,应检查各部位的泄漏情况,必要时拔出灌浆管,检查封密性能。

表3 注水试验成果表

出现小冒浆或断续冒浆时,若系上质松软则视为正常现象,可适当进行复喷:若系附一近有空洞、通道,则应小提升灌浆继续灌浆直到冒浆为止,或拔出灌浆管待浆液凝固后重新灌浆直至冒浆为止,或采用速凝浆液,使浆液在灌浆管附近凝固。

减少冒浆的措施。冒浆量过大的主要原因,一般是有效喷射范围与灌浆量不相适应,灌浆量大大超过固结所需的浆量所致。

减少冒浆量的措施有三种,一是提高喷射的压力(喷浆量小变);二是适当缩小喷嘴孔径(喷射压力小变);三是加快提升和旋转速度。

4.2 孔内严重漏浆

可采用以下措施进行处理,降低提升速度或停止提升;降低喷射压力、减少流量进行原位灌浆;低压浆液掺入水玻璃、氯化钙或三乙醇胺等速凝剂;停止喷射灌浆,灌注水泥砂浆或水泥粘上浆。

4.3 固结体顶部出现凹穴

为防止因浆液凝固收缩产生凹穴,使已加固地基与建筑基础出现不密贴或脱空等现象,可采取超高喷射(喷射处理地基的顶而超过建筑基础底而,其超高量大于收缩高度),回灌冒浆捣实或在浆液凝固前进行第二次灌浆等措施。

4.4 固结体不垂直

固结体不垂直主要由钻孔不垂直引起。固结体不垂直会导致其承载力降低,更为严重的是使防渗堵水失败,实际施工时,钻机就位应准确、稳固、垂直,引孔前,采用水平尺校正钻机垂直度,确保垂直度偏差小于1/1000。

4.5 固结体强度不均

高喷凝结体强度受上层特性影响很大,砂类上中固结体强度较高,在含有机质上层喷射时,固结体硬化受到阻碍从而造成强度偏低。高喷过程中,应根据不同上层深度和厚度及时调整喷射参数,必要时进行复喷。

4.6 喷射流压力变化

压力稍有下降时,可能系灌浆管被击穿或有孔洞,使喷射能力降低,此时应拔出灌浆管进行检查:流量变小而压力突然下降时,应检查各部位的泄漏情况,必要时拔出灌浆管,检查密封性能:压力陡增超过最高限值、流量为零、停机后压力仍小变动时,则可能系喷嘴堵塞,应拔管疏通喷嘴[6]。

5 结论与建议

为确保工程质量,高压旋喷参数应严格按照技术要求进行操作,应重点对水压、水量、气量、浆液密度、进浆量、提升速度、回浆密度进行控制。应建立健全质量保证体系,实行全方位目标管理,落实岗位责任制,全面跟踪与质量记录,认真处理施工过程中存在的问题,保证质量体系的有效运行。结果表明:通过对高压喷射注浆质量的有效控制,高喷灌浆对坝体防渗堵漏效果是可靠的,安全性强,耐久性好,施工简便,对类似的坝体防渗加固工程具有借鉴作用。

[1]中国水利水电基础工程局.DL/T5200-2004.水电水利工程高压喷射灌浆技术规范[S].北京:中国电力出版社,2004:10-25.

[2]夏可风.水利水电工程施工手册[M].北京:中国电力出版社,2004:30-45.

[3]叶 斌,李学武.高压喷射灌浆施工技术[J].西部探矿工程,2004,16(10):17-18.

[4]刘发顺,龚云龙.高压喷射灌浆防渗墙施工质量控制[J].江苏水利,2006,(4):14-15.

[5]马志坚.中卫市照壁山水库坝基处理灌浆试验[J].水利与建筑工程学报,2009,7(2):58-60.

[6]杨铁英,李 俊,佟 敏.高压喷射灌浆在二道河子水库除险加固工程中的应用[J].水利规划与设计,2003,(4):49-50,61.