高压喷射灌浆施工

赵小龙

（辽宁省营口水文局，辽宁营口115003）

高压喷射灌浆是利用射流切割技术进行原位土体加固的一种方法[1]，该方法具有可控性较好、地层适应性广泛、成本较低、施工方便等优点，在地质条件相对复杂，施工环境困难的堤防段，具有广阔的应用前景。按其喷射介质可将其分为单管法、两管法、三管法及多管法4 种[1]；根据喷嘴的运动轨迹和所形成的固体的形状，可分为旋转喷雾、摆锤喷雾和固定喷雾；根据喷嘴的结构，可分为重型管型和列管型。

1 高压喷射灌浆方法流程

单管法是使用单独的喷嘴喷泥的方法之一，切割土壤并与土壤混合以形成水泥混凝土结构[2-5]，由于泥浆喷射能量的迅速衰减，对土壤所造成的损害不大，并且形成的冷凝物相对很小，通常只有50～60 cm。该方法操作简单，至今仍被广泛使用。

两管法是基于单管法基础之上，通过空气射流的能量衰减比水相对要慢得多[6]，因此，通过在泥浆管外部添加1 根气管，压缩空气可以围绕泥浆喷射流的外围同轴喷射，从而提高了喷射流对土壤的切割能力。水泥土凝结通过两管法来形成，其特点是整体质量好，直径大，可以超过1.0 m[6]，但缺点是该方法需增加较重的一些机械设备，例如空气压缩机。

三管法是使用高压水切割和破坏土体，同时，周围的气流被用来保护水射流以增加其喷射距离[7]。低压泥浆被用于与土体原位混合，形成不透水，该方法所形成的水泥土凝结体其直径能够达到1.2 m，缺点是增加了较重的机械设备，如高压水泵和空气压缩机等，而喷洒的高压水在一定程度上会稀释泥浆，从而影响桩基质量。

多管法使用插入的多重管，使超高压水射流逐渐向下移动，以切割和破坏周围的土体[8]，并使用真空泵从多根管子中抽出泥浆，从而在地层中形成更大的空间。安装在喷嘴附近的超声波传感器可以及时测量空间的直径和形状，然后根据需要选用浆液、砂浆、砾石和其他材料填充[9]，以在地层中形成大直径柱状固结体。用这种方法在沙土中形成桩的最大直径可以达到4.0 m，但设备较复杂且笨重。

确定喷射介质后，最重要的是根据工程目的、工程地质特征和工艺水平确定施工技术参数[9]，包括提升速度、旋转速度、摆角、进浆的压力和流量及料浆水灰比等，两管法需要考虑气压和流量，三管法需要考虑水压和水量，这些参数对桩的质量和项目的单价都有很大的影响，必须通过实验确定它们的选择。

2 方法应用

2.1 工程实例概况

丁东水库自1997 年建成蓄水以来，部分坝段集水沟常年有较大渗漏积水。针对该工程实际，分别采用混凝土防渗薄墙、高压喷射灌浆防渗墙、水泥土截渗墙等技术进行经济技术比较，最终确定选用高压喷射灌浆防渗墙进行除险加固。加固处理后，堵塞了上部集中的渗水通道，渗流路径增大，出逸坡度减小，出逸点减少，不仅可以保证大坝的安全，而且可以有效地减小水库渗漏损失。

2.2 工程设计

该项工程加固范围确定为6+650～6+950和8+800～11+500坝段，防渗墙的轴线总长度为3 000 m，设计标高防渗体的最大高度为19.5 m（嵌入坝体2.0 m），防渗体的底部标高为4.5 m（埋入粘土层中1.5 m，终止于底部粉砂层的顶部），防渗墙的总面积为45 000 m2。防渗墙设计为单排平板墙，布置在大坝的轴线上[6]，高喷涂不透水壁的平均厚度不小于20 cm，壁渗透率小于1×10-6cm/s，壁抗压强度大于2 MPa。高压喷射灌浆以单排孔的形式布置，采用摆式喷雾多线连接，孔距为1.5 m，夹角为15°，摆式喷雾角为25°，采用三管法施工，水泥标号为425 普通硅酸盐水泥。

2.3 施工组织设计

2.3.1 施工程序

施工准备→设备及人员、调试设备→现场试验→正式施工→工程质量检查→竣工资料整理。

2.3.2 施工设备选型

高喷施工时为确保钻孔垂直度，钻孔宜采用较大型地质钻机，高喷台车宜采用第五代以上配置台车。

2.3.3 施工方法和控制要点

1）高喷孔定位：根据设计要求在施工轴上进行放线定位，每个孔都进行统一编号。

2）打孔：地质钻机上的所钻孔径不少于127 mm ，应使用泥浆循环护壁以确保垂直度，并且偏斜不得大于孔深度的1.5%。

3）降低喷管：首先检查喷嘴所有部分并妥善保护，然后将喷管降低到设计深度，调整井口摆动装置，并在喷涂前做好准备。

4）制浆：该项目使用的水泥为325 号普通硅酸盐水泥，要求通过4 900 孔/cm2标准筛，其水泥细度小于5%；注浆水泥必须根据规格和样品检查，分批收集；灌浆水应满足水工混凝土搅拌的要求；制浆材料的称量误差必须小于5%；水泥浆的搅拌时间不少于3 min，使用前将其过筛，从制备到用尽的时间少于2 h。

5）灌浆：启动高压水泵、空气压缩机、混合器、泥浆泵和其他辅助设备，根据设计要求调整各种工艺参数，然后开始喷射，将孔口返回浆液后，速度将根据设计要求开始增加，从底部向上形成高压喷射灌浆拦截渗帷幕墙[9]，在灌浆过程中，应随时检查泥浆的比重，并注意孔口处的泥浆渗漏现象，以确保防渗墙的连续性。

6）重新注水：在喷水管提到设计高度后，喷射灌浆结束，然后用满足质量要求的水泥浆连续填充，直到浆不再沉降为止，不满的上部填充采用粘土回填以夯实密封孔。

7）废浆排放：要将废浆排放到指定位置。

2.4 质量检测

高喷防渗墙的渗透系数，主要通过围井方法检查，还可以做井内注水或抽水试验[6]。高喷灌浆结束后，在指定的位置进行钻孔取芯检查。钻孔取芯宜在高喷完成28 d 后进行。

在指定位置墙的一侧开挖检查，观察桩完整性、连续性、成墙质量，检查墙体搭接和墙体倾斜情况[10]，测量两桩之间搭接值，同时选择有代表性区域采集墙体样品做抗压及渗透室内试验。

3 高压喷射灌浆法新技术

3.1 工艺技术

3.1.1 振孔旋喷技术

使用大功率高频振动锤，在转弯时将特殊的高压喷射灌浆管打入地面一定深度，并在抬起灌浆管的同时进行旋转喷射灌浆，从而分两步打孔和灌浆，施工和灌浆一次完成并解决。该施工方法不仅提高了施工速度，降低了工程造价，而且减少了泥墙的防护过程，从而提高了工程进度和工程质量[10]。

3.1.2 水浆同轴双管施工技术

开发水浆同轴双管施工技术，以满足项目现场的要求，它的喷射介质不同于一般的两管旋转喷涂工艺。 它使用高压水射流直接切割土壤，并使用低压浆料被填充，因此该方法可以看作是三管法的简化[11]。在地面渗漏严重的情况下，也可以及时将水泥双管施工工艺改为双液灌浆工艺，以确保桩和墙的质量，此特征是单管工艺和双管浆料工艺所不具备的。

3.1.3 三管法的工艺改进

在三管施工过程中，浇注的高浓度水泥浆将被高压水射流稀释并带出地面，这会影响桩的形成质量并增加水泥消耗[11]。人们设计了一种新型的三管喷嘴，可以有效减少水射流对水泥浆的稀释作用，该喷嘴用于拉开高压水喷嘴与气体喷嘴和注浆喷嘴之间的较大距离（1 500～1 600 mm）。试验结果表明，新工艺的水泥消耗显著降低，而旋转强度相应增加了约30%。

3.2 新材料、新设备

该方法的主要材料是水泥，水泥的量决定了项目的成本，因此在不降低防渗墙的抗渗性能的前提下降低水泥用量非常关键[12，13]。主要掺和料包括粉煤灰、粘土等。

4 结语

高压喷射灌浆法的工艺参数主要结合实践经验，并针对特定工程进行现场试验确定。完善的理论研究将对提高成桩质量、降低工程造价起到积极作用，特别是高压喷射流有效范围、固结体的直径与射流压力和土体结构的关系、高压喷射灌浆法的浆液材料配比与固结体的力学性能指标及抗渗性能指标的关系等。传统的检查方法包括开挖检查，物理和机械测试以及渗透性测试[14]，从一管法、二管法到三管法，新的工艺技术都是伴随着经济发展的需要而发展起来的。堤防地质条件复杂，某一种工法不能满足工程的要求，因此针对工程特点，研究新的工艺技术，对高压喷射灌浆法的应用具有重要的意义[15，16]。