浅谈高压喷射灌浆的机理及施工工艺

郭海龙

(山西省晋中市水利建筑工程总公司，山西 晋中 030600)

高压喷射灌浆技术是我国在70 年代初引进，该技术在我国发展至今已经有50 年的历史，开始主要用于地基基础加固，经过该技术的迅速发展，现在也大量用于基础防渗，高压喷射灌浆具有施工速度快、成墙效果好、适用范围广、可控性高及造价低等独特的优点。

1 高压喷射灌浆机理

高压喷射灌浆主要适用于砂土、粉土、淤泥质粘土、卵石、砾石、碎石等松散透水地基基础及对大坝等填筑体进行防渗处理。

高压喷射灌浆在施工时通过高压水及气同时喷射，对土体产生切割破坏作用，被切割破坏下来的土粒与水、气搅拌成为泥浆，同时自下而上灌入纯水泥浆或者水泥砂浆，将混合的泥浆置换，形成渗透系数小并且具有一定强度的凝结体，起到防渗效果及提高基础承载力的作用。

高压喷射灌浆有单管法、双管法及三管法三种方法。单管法通过单根管路喷射高压水泥浆液，喷射冲切破坏土体，具有施工快和成本低等优点，但由于冲切破坏能力较弱导致成墙厚度较薄;双管法是在单管法的基础上增加空气的喷射，在气体和高压浆液的共同作用下，破坏土体的能力增加;三管法是将高压水、空气及浆液通过三重管道同时灌入孔内，高压水及空气向两侧喷射，浆液向下流出，注入到被冲切破坏的基础中，形成较大的搭接效果好的凝结体。

高压喷射灌浆又分为三种形式旋喷、定喷和摆喷。旋喷适用地层较广，但是造价较高;定喷适用于粉土和砂土;摆喷适用于卵石、砾石及碎石地层。

1.1 冲切掺搅机理

高压喷射灌浆使用水压力高达20 MPa～40 MPa 的强大射流对土体产生冲切破坏作用，土体在射流连续的高压喷射下受到射流的动压力及水力的劈裂力，致使土体发生结构的破坏，在已破坏的空间内置换水泥浆液形成连续的凝结体。

1.2 置换机理

高压喷射灌浆时，进入孔内的空气在高压水流周围形成气幕，保护高压水流，减少摩擦阻力，使高压水流的能量不过早的衰减，增加破坏切割土体的长度。在高压水流喷射切割过程中被切割下来的土体颗粒与灌入孔内的气体混合成大量的气泡混合液，在气体上浮的过程中流出孔口，同时灌入水泥浆液进行置换，改变地层组成成份，达到防渗及提高承载力的效果。

2 施工工艺

2.1 工程概况

某地中型水库，建设主要用于防洪、灌溉，水库总库容1600 万m3，最大坝高25 m，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级。但受早期修建技艺水平影响，其主坝坝体基础并未进行防渗处理，造成现今蓄水时，河床段坝基础频繁发生渗水现象，已危及水库的稳定运作。测得其坝体与坝基的渗流量已高达117.36 万m3/a。经过对此工程的地质钻研分析，考虑到河床段坝基上层由2.5 m～3.3 m 厚中粗砂层构成，下层由4.5 m～6.0 m 厚含黏质土粉细砂构成，而少数河床下游坝基除中层为中粗砂外，上下层均为含黏质土细砂，对坝基的防渗加固采用高压旋喷喷浆方式处理。

图1 高喷灌浆剖面图

2.2 施工程序

高喷施工分序进行，其施工程序见图2。

图2 施工程序图

2.3 工艺流程

高压喷射灌浆主要有钻孔及喷孔两大工序，其工艺流程主要为:布孔，钻孔，下喷射装置，制浆，喷射，定向、摆动，提升，成板墙，冲洗，静压灌浆，移机等，见图3。

图3 高压喷射灌浆施工工艺流程

2.4 工艺流程说明

(1)放线定孔位。高喷一般采用单排布控，分序施工，我们每隔一定数量的孔放置一个固定控制桩，以便于在分序施工中准确地找到孔位及施工完成后进行围井试验能快速定位。

(2)钻孔。钻机就位后，必须使用水平尺确认钻机的平整度及垂直度，确保立轴与地面水平线完全垂直，施工中所有孔位均需按照施工顺序进行编号，并注明施工次序，按顺序钻孔。钻头采用φ108 mm 复合片和金刚石钻头，在开钻前，技术人员必须向钻机操作人员提供参考地质剖面图及钻孔孔深要求，要及时核对地层变化情况，地层发生重大的变化要及时通知技术人员。钻进过程中要及时使用水平尺等工具检查钻机的水平度及垂直度，确保钻孔孔斜率不大于1.0%。钻孔完成后，技术人员核对孔深，孔深核对完成后，移至下一孔位进行钻孔。

(3)下喷管。高喷台车就位后，先进行低压喷水试验防止高压喷咀堵塞，然后缓慢下放喷射管，如遇到喷射管无法下放至设计深度则应及时扫空，保证喷射管放入的深度符合设计要求。

(4)高喷作业。喷管下放至设计深度后，应当立即开启高压泵，气泵及水泥浆液输送泵，开始高喷灌浆，等待回流浆液呈水泥色，同时检测回流浆液比重，待回流浆液比重>1.3 g/cm3时开始按照规定要求提升喷管，喷管提升至设计墙顶高程时，继续提升0.5 m 再停止提升，以确保高喷墙有效墙体能够达到设计高程。在高压喷射灌浆过程中，现场技术人员应当按照设计要求随时掌握并记录好喷射过程中的各项参数指标。高压喷射灌浆过程中如出现故障停止灌浆，要及时进行处理，并记录出现故障的原因和时间，如果处理过程超过20 分钟，要将喷管下降0.5 m，以保证防渗墙体的质量。

(5)冲洗。高压喷射灌浆结束后，要及时对使用的设备进行冲水清理，防止水泥浆液凝固，从而影响到下一喷孔的正常施工。

(6)静压灌浆。高压喷射灌浆结束后，先使用纯水泥浆静压灌注一段时间，再利用下一个灌浆孔的回浆及时向已灌浆完成的孔内注入浆液，以防止浆液沉淀完成后形成空洞塌孔，直至灌浆孔回填饱满，不再下沉为止。

3 质量控制

高压喷射灌浆的质量控制一般分为过程中控制和成果检验两部分，过程控制主要是在施工过程中严格按照技术规范及施工参数的要求进行施工，及时记录和检查各项参数。成果检验一般通过围井进行注水试验来计算渗透系数，注水试验在围井中心处钻孔，注水孔钻孔深入相对隔水层0.5 m 左右。围井检查应在围井高喷灌浆结束7 d 后进行，见图2。注水孔钻孔完成后，首先连续向注水孔内注水直至围井范围内的土体达到水饱和状态，然后进行注水试验，使用量筒或者量杯对孔内进行注水保证孔内水位保持稳定水位，注水过程应当5 min记录一次注水量，连续记录20 min后结束注水试验，注水结束后进行稳定流量的计算，以最后一次注水量为最终注水量并计算稳定流量Q。

高喷墙的渗透系数K按下面公式进行计算，按照规范要求渗透系数K应不大于i×10-6cm/s(i=1-9)。

式中:K为渗透系数，cm/s;Q为稳定流量，mL/s;H为围井内试验水位至井底的深度，cm;t为高喷防渗墙平均厚度，cm;h0为地下水位至井底的深度，cm;L为围井周边高喷防渗墙轴线长度，cm。

4 工程质量检验成果

工程共计完成高压旋喷桩510 孔，灌浆延米5000 m，为确保工序的有效性，在完工后，将交由相关地质勘探公司进行开挖检验，开挖深度达2 m，检测范围包括旋喷桩喷射直径、加固体胶结、搭接及成墙厚度。

经开挖检验(见图4)有如下成果:旋喷桩径为0.6 m左右。桩与桩搭接处密实，搭接处厚度为30 cm，用水钻水平钻进取芯，岩芯长度为25 cm，岩芯为水泥与土的混合体，表面颜色呈蓝灰色，岩芯密实。旋喷桩整体呈圆柱状，充填密实。

图4 围井注水试验示意图

图5 工程质量检验开挖图

5 结语

高压喷射灌浆具有可靠性强，施工效率高、成本低、固结体强度大等优势，是先进的防渗技术，该项技术对经济社会发展及保障人民生命安全起到了重要作用，因其在很大程度上减轻了防洪胀力，同时加强了水工建筑的防渗抗灾能力，因此值得不断地研究，以提升该工艺技术的水平与质量。