影响高压喷射灌浆防渗体凝结的主要因素探析

孙威 孙源

（中翀建设有限公司 江苏 南京 211800）

影响高喷凝结体的因素很多，除不同喷射形式影响高喷凝结体的形状尺寸外，还有喷射流压力、提升速度、旋转（或摆动）速度、射流压缩空气流保护情况、喷嘴直径、喷嘴岀口静水压力（即地下水情况）和地质条件等，上述因素都会对高喷凝结体的尺寸和质量造成不同程度的影响。所以搞清各个因素在不同情况下对高喷凝结体的影响程度，对于做好高压喷射灌浆设计及选用合理的施工参数至关重要。它将直接关系到高喷灌浆工程质量的好坏。目前，高喷灌浆工程质量事故时有发生，经调查了解，均与事前没有搞清各种因素的影响，不能选用合理的施工参数有关。影响高喷灌浆凝结体的因素众多，现就一些主要因素分析如下：

1 喷射流压力的影响

通过多项高喷灌浆试验和开挖检査得知，高喷灌浆凝结体的尺寸大小与高压喷射流压力有关，见表1、表2。

表1 三管法不同水压量形成凝结体

从表1、表2可以看出，在相同地质条件下及除凝结体的喷射压力以外的相同高喷灌浆参数情况下，凝结体的尺寸大小与喷射压力成正比。尽管如此，一定要使喷射压力和喷射浆量相协调。如果只增加喷射压力，凝结体的尺寸虽然增大了，而灌入浆量没有相应增加，往往会造成凝结体的水泥含量减少，会降低凝结体的强度和防渗性能。所以在灌浆中常用注浆比来进行质量控制。也就是将喷射总浆量与加固凝结体的体积之比定义为注浆比，那么注浆比与凝结体的单轴抗压强度之间的关系如图1所示，从图1可以看出，凝结体的单轴抗压强度随注浆比的增加而提高。由此可见，在高压喷射灌浆过程中，除适当地增大喷射压力，获取较大尺寸的凝结体外，还应根据工程的需要，选用适当的注浆比，这也是非常重要的。

表2 单管旋喷桩直径与土质和喷射压力之间的关系

2 喷射流量的影响

图1 固结体强度与注浆比的关系

喷射流量和喷射压力一样同是一个切割岩土的重要参数。H·Yoshida（约希多）、SJimbo（吉姆伯）等人通过现场试验得出喷射流量Q、喷射压力P、喷射流到达的距离X和到达的时间t的关系如图2所示。从图2可以看出，当喷射压力P一定，喷射流量越大，到达某一距离的时间越短。如果给定的喷射时间为0.1s，P-QX和P-QPQ关系曲线如图3所示。从图3可以看出，射流到达的距离与喷射流能量（P·Q）成正比。在能量给定时，提高流量使喷射距离增大要比提高压力使喷射距离增大得更明显。所以在大颗粒地层进行二管法（JSG工法）和新三管法（RJP工法）高喷灌浆时适当地增加喷射浆液流量可以获得更好的高喷灌浆效果。

图2 射流到达的距离X和到达时间t的关系

图3 P-Q-X曲线X（cm）（P.Q/10）/（kPa.L/min）

图4 三重管旋喷试验的提升速度与固结体直径的关系

3 提升速度对高喷凝结体尺寸的影响

工程实践表明，喷射管提升速度的快慢不仅影响凝体尺寸的大小，而且还会影响高喷凝结体的质量。在不同地层选用相应的合理提升速度，是确保髙喷灌浆工程质量的重要前提。图4是髙压旋喷桩径与提升速度的关系曲线。从图4可以看出，当其他高喷灌浆参数固定后，旋喷桩直径与提升速度成反比，也就是说旋喷桩径与提升时间的长短有关。如果用t。表示提升最长的时间（即最慢的时间），将提升时间用t归一化，D-t/to的关系如图5所示，从图5中可以看出，提升时间越长，旋喷桩径越大。

图5 固结体直径与提升时间关系

图6 转速与切削长度的关系

4 旋转（或摆动）速度对高喷凝结体尺寸的影响

通过高压喷射灌浆试验表明，提高喷射管的旋转速度，会使切削距离变短。旋转速度在10r/min以内，这种变化比较明显，转速超过10r/min亦无明显变化，如图6所示。另外，通过现场旋喷试验得知，如果其他高喷灌浆参数一定时，旋转速度有一个最佳值，当旋转速度大于或小于这个最佳值都会使旋喷桩直径变小，只有选择最佳旋转速度时，才会使旋喷桩直径达到最大值，如图7所示。

图7 三重管旋喷转速与桩径的关系（1-N=10的砂土；2-N=3的黏土）

5 喷嘴直径对凝结体尺寸的影响

由试验得知，当高压喷射灌浆参数一定时，高喷灌浆凝结体的尺寸与喷射嘴的质量和直径密切有关，相同质量的喷嘴直径越大，喷射出的流量越大，产生的能量也大，切割土体的范围大，所形成的凝结的尺寸也大；否则相反。1981年山东省水利科学研究院和铁道部科学研究院合作，在白流浪河水库通过现场高压喷射灌浆试验得知，旋喷桩直径与喷嘴直径的关系见表3。由表3可以看出，在其他参数不变的情况适当地加大喷嘴直径，旋喷桩径增加明显。

表3 三管法高压旋喷桩直径与喷嘴直径的关系

另外，在进行的三管法高压定向喷射灌浆试验中，所形成的凝结体板厚与喷嘴直径的关系成正比，见表4。

表4 喷嘴直径与定喷板厚的关系

喷嘴直径大小对摆动喷射形成的哑铃状凝聚体形状影响不大，但喷嘴出口段10～20cm范围出现细径现象，细径大小仍然与喷嘴直径直接有关。

6 气压和气量的影响

压缩空气形成的气幕，可保护射流束能量不过早扩散，增加喷射切割长度和升扬置换作用，在三管法高喷灌浆中，会形成低压区促使浆液沿喷射方向跟进掺混，改变地层的颗粒级配。因此，气压和气量的选择，也会影响高喷凝结体的材料组成和有效长度一般空气压缩机的压力宜保持在0.7～0.8MPa，并要连续输气，输气量可在0.4～0.8m3/min之间选择。如地层粗颗粒成份较多、孔较深，输气量宜采用大值，以增强升扬置换作用。

7 土质对高喷灌浆凝结体尺寸的影响

工程实践表明，地层土质与高压喷射灌浆所形成的凝结体的尺寸密切有关，见表2、表5，从表2、表5可以看出，在高喷灌浆参数相同条件下，在粉砂土和粗砂层所形成的高压旋喷桩直径最大，在黏聚力较大的密实黏土中形成的桩径最小，砾卵石层次之。如前所述，高喷灌浆凝结体的尺寸大小还与土体强度有关。土体抗压强度越高，高喷灌浆形成凝结体的尺寸越小；反之则大。

另外，通过在三峡工程二期围堰进行的新三管法（即RJP工法）高压喷射灌浆防渗试验成果表2-6-5中得知，在相同地层进行高压旋喷灌浆，所形成的桩径与该地层的密实情况有关，如图8所示。从图8中可以看出，在同一地层中，标贯击数越大，形成的旋喷桩径越小。而且在相同标贯击数条件下，在黏土地层中形成的桩径小在非黏性土中形成的桩径大。

总之，影响高喷凝结体的因素众多，除这些影响因素外，还有地下水深、地下水流速、地基应力、施工深度等因素的影响，我们在从事高压喷射灌浆防渗设计与施工的时候，组织一些有经验的专家和工程技术人员进行方案设计和评审，只有经过反复的科学技术论证，充份考虑到了多种因素的不利影响，采取了正确的高压喷射灌浆工艺，才能确保高压喷射灌浆防渗技术取得令人满意的效果。

表5 长江三峡二期围堰左接头段新三管法高压旋喷灌浆单桩试验成果

图8 旋喷桩与标贯击数的关系