高压旋喷止水帷幕在填土地层的应用

余忠心

(1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050024； 2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050024)

高压旋喷注浆法是通过注浆管将浆液、气体以及水在一定的压力下输送到孔内，利用高压射流切割土体，将冲下来的土体置换或一同形成混合体以实现改良土体的目的。根据输送介质可以分为单管法、双管法以及三管法；根据喷射的方向可以分为定喷、摆喷和旋喷。主要适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土(流塑、软塑、可塑)、粉土以及砂土、黄土、素填土和碎石土等地基，当土中含有较多大粒径块石，大量植物根茎或较高有机质，以及地下水流速过大或已涌水的工程应根据现场试验结果确定其适用性[1]。

李洪厂等[2]采用三管法实施北京市某深基坑止水帷幕，在卵石地层加入水玻璃，能够达到比较好的胶结效果；贾俊峰[3]采用高压旋喷工艺作为基坑支护的止水帷幕，杂填土地层中选定3个水灰比进行试桩，对比了不同配合比下的试桩效果；朱德良等[4]在新近回填的深厚建筑垃圾杂填土场地，就高压旋喷桩的地基加固效果进行了分析，通过单桩和复合静载荷试验表明高压旋喷桩的加固能够满足设计要求；朱明诚等[5]通过试桩和筛分试验将卵砾石层特征对桩径大小的影响进行了分析研究，结果表明卵砾石含水层中成桩效果与卵砾石颗粒大小及含砂量有关，超高压旋喷注浆技术在含水卵砾石层中，可形成质量可靠、抗渗性能好的加固体。孙宪海[6]在风化岩层中进行高压旋喷试验，通过优化工艺参数使成桩效果达到了工程设计需求。

1 工程概况

该工程处于国内某矿区，工程所在地属于低山丘陵地貌，沟谷侵蚀切割严重，拟建场地为山前冲沟地貌，表现为“U”型谷，根据调查资料靠近东侧山前原为河塘，现已回填，紧邻场地的东、南及北侧为环山道路，由于矿山的建设，场地的地质环境发生了较大的变化。建设目的为尾矿库的防渗治理，场地的东侧直线距离约80 m为渗滤液收集池，由于矿区运行时间较长，废弃物的处理系统老旧，为防止泄露污染地下水和附近土壤，根据勘察及设计单位提供的建议，修建防渗帷幕进行加固防护，拟采用高压旋喷桩，旋喷，双管法，设计桩径800 mm(直径)，搭接宽度250 mm，渗透性达到10-6cm/s数量级，帷幕线长度39 m，平面位置图如图1所示。

2 地质条件

根据场地的地质勘察报告，场地地层分布如表1所示。勘察范围内主要揭露含水层为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，松散岩类孔隙水主要赋存于素填土、淤泥质土、全风化地层中，基岩裂隙水为强风化、中风化地层中。沟谷呈“C”状，西北向为垭口，其余方向山体环绕，受地形的影响，地下水向低洼处汇集，由西北向排泄，场地的局部范围内地下水的补给、排泄路径如图1虚线所示，勘察范围内地下水埋深为0.13 m～0.85 m。

3 试验方案

本工程拟采用双管法高压旋喷法对杂填土层进行防渗加固，按照以往的施工经验，当地层中夹杂较多块石时，成桩的效果较差。因此设计了试验方案来验证成桩效果，试验灌浆材料使用42.5级抗硫硅酸盐水泥和改性纳基膨润土。高压旋喷工艺的主要工艺参数浆液配比、喷浆压力、提升速度、浆液流量以及旋转速度，根据设计院要求以及施工经验，对试验参数进行选择，试验桩长为3 m，提升速度10 cm/min，旋转速度32 r/min，水灰比(质量比)1∶1，气压采用0.8 MPa，拟采用2种压力，3种配合比，共6个孔，孔间距0.55 m，进行试桩试验，具体试验参数见表2。部分钻孔的岩芯如图2所示，含有较多的碎石，多为中风化基岩，质地坚硬，岩芯较为松散，呈散体状。

表1 场地地层分布

表2 试验参数

4 质量保证措施

1)测量放点，钻机就位，保证钻杆的垂直度，应与桩位一致，偏差应在10 mm以内，钻孔垂直度误差小于0.1%，钻孔偏斜率不大于设计孔深的1%。

2)引孔至设计深度后，拔出岩芯管，并换上喷射灌浆管插入预定深度。在下管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，要边喷水边下管，水压不得超过1 MPa，以免压力过高，将孔壁射穿，高压水喷嘴要用塑料布包裹，以防泥土进入管内。

3)下喷射管至设计深度，接通泥浆泵、气泵，然后由下向上旋喷，在原位置旋转10 s左右，待孔口冒浆正常后再正常旋喷，以保证桩底部的质量。

4)在旋喷桩施工过程中，时刻检测浆液比重和孔口冒浆情况，当遇到孔口不返浆时，地层中可能遇到了大的裂隙和导水通道，可采取下列措施[7]:a.降低提升速度；b.降低喷射压力、流量，进行原位灌浆；c.加大浆液密度或灌注水泥砂浆、水泥黏土浆；d.向孔内填入砂、土、速凝剂等堵漏材料。

5 试桩效果检查

施工完成以后，分别对6根试验桩的成桩效果进行检查，按照DL/T 5200—2019水电水利工程高压喷射灌浆技术规范的要求，灌浆结束28 d先后进行钻孔取芯、开挖检查成桩直径以及注水试验。

1)钻孔取芯。采用地质钻机进行桩体取芯，部分桩体的取芯照片如图3所示，岩芯呈土柱状，与地层的胶结较好；右图1.9 m处岩芯断裂，该位置处见约40 mm的碎石，胶结差，在钻探取样过程中由于钻机的扰动，岩芯不完整；右图1.25 m处砾石含量较高，胶结性较好，但是受扰动后容易开裂。当地层中含有大粒径的碎石时，浆液与地层的胶结性较差；含有较多砾石，胶结性影响较小。

2)检查成桩直径。沿桩身的两侧开挖至深度2 m～2.5 m，检查桩身直径及搭接效果。桩身如图4所示，6根试验桩成桩直径范围为600 mm～1 000 mm，并且由上而下桩径表现为不均匀性，主要是因为填土地层成分的不均匀，局部含有较多大粒径的块石，多为中风化的基岩(如图5所示)，质地坚硬，高压浆液未能切穿，影响了成桩直径。如图6所示为桩间的搭接，搭接范围200 mm～300 mm，主要是受到桩径大小的影响。

3)现场注水试验。采用简易钻孔降水头注水试验，孔内不下套管，试验段裸露，孔壁和孔底同时进水，来测定各孔的渗透系数，如图7所示为试验孔与渗透系数对应的折线图，按照GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范[8]，SY01，SY02，SY04渗透系数为10-6数量级，满足设计要求；SY03，SY06为10-5数量级，不满足设计要求；SY05为10-4数量级，不满足设计要求，在试验的过程中，SY05孔口以下0.5 m的开挖面处，土体与石块间有漏水现象，说明该位置处浆液与地层的胶结性差，沿着薄弱部位泄露。

6 结语

根据旋喷桩桩体的测试结果，可得由于填土地层的不均匀性，导致了桩径在空间分布的差异性，有的位置桩径可以达到设计要求，有的位置桩径较小；当地层某处含大粒径、质地坚硬的块石时，高压浆液射流路径会受到影响，进而影响成桩的直径，影响了桩间的搭接效果；渗透性主要取决于浆液与原地层胶结的好坏，对于多块石地层浆液与石块的胶结对渗透性有重要的影响。可以根据影响高压旋喷桩效果的因素对原设计进行优化。

1)原方案采用水平向的旋喷，当遇到坚硬的块石时，射流的路径受阻，影响了成桩直径，如图8左图黑色区域为高压浆液射流盲区；如调整喷嘴的射流方向，改为倾斜方向的旋喷，如图8右图所示，在喷射过程中，或许可越过块石，从而提高桩体的直径，还需要施工中的试桩验证。

2)在含有较多块石的填土地层中，渗透性很大程度上取决于浆液与石块的胶结，根据以往的调查研究，可以在浆液中添加水玻璃，增强与块石的胶结性。