高壓旋噴灌漿技術(shù)在土石圍堰及灤河復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用

□韓榮生

高壓噴射灌漿技術(shù)70年代初期引進(jìn)我國，因該鄰域施工隊(duì)伍素質(zhì)差異及疏于管理等問題，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些失敗案例，尤其是在我國北方地區(qū)的水利防滲工程中，成功案例相對(duì)較少，在工程界褒貶不一。本文通過對(duì)高壓旋噴灌漿技術(shù)在高水位及復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用分析，有助于工程界對(duì)高壓旋噴灌漿技術(shù)的重新認(rèn)識(shí)，使高壓旋噴灌漿技術(shù)在水利工程中解決地基加固及基礎(chǔ)防滲問題方面充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提高社會(huì)效益。

1.工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

昌黎縣2019年度地下水超采綜合治理地表水灌溉工程，位于河北省秦皇島市昌黎縣朱各莊和靖安鎮(zhèn)境內(nèi)，場(chǎng)區(qū)位于山區(qū)，屬山前沖積平原。主要建設(shè)內(nèi)容包含：引灤干渠渠道清淤疏浚并襯砌、新建渠首泵站。其中新建渠首泵站須通過圍堰防滲截流后才能進(jìn)行施工建設(shè)。渠首泵站的臨時(shí)圍堰由山體破碎土體回填而成，必須通過防滲截流，阻斷地下水滲入，才能進(jìn)行基礎(chǔ)施工。

泵站軸線所在地面整體呈碗型,泵站兩端地面較高,高程23.33～26.20m,泵站中心位置地面較低,高程18.12m,高差較大,高差5.21～8.08m，在勘探深度范圍內(nèi),場(chǎng)區(qū)地層巖性由上而下有:人工堆積(Q4s)碎石,第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)圓礫、卵石,奧陶系馬家溝組(01～2m)灰?guī)r。

勘察期間,渠首泵站所毗鄰的灤河內(nèi)有地表水,地表水位高程20.40m,水深2.20m;鉆孔內(nèi)揭露地下水埋深3.10～5.10m,水位高程20.23～22.45m,地下水主要來源于基巖裂隙水和灤河水滲透補(bǔ)給。

1.2 工程圍堰概況

渠首泵站的臨時(shí)圍堰填筑本著就近取土原則，采用山皮土（內(nèi)含碎石、大石塊）水中填筑，填筑高度達(dá)6.0～9.0m不等，土層松散，透水性強(qiáng)，河道水位高，水壓力大；臨時(shí)圍堰下臥河床部分為砂卵石地層，由于采砂嚴(yán)重，存在深度不等的砂坑，砂卵石地層卵石含量高（內(nèi)含大塊卵石、孤石）；同時(shí)經(jīng)實(shí)際查勘發(fā)現(xiàn)：在圍堰填土與下部砂卵石間還夾雜著厚度0.3～1.50m不等的淤泥層；而砂卵石層下部基巖溶洞發(fā)育，溶洞多。形成了多種復(fù)雜地層疊加的地質(zhì)構(gòu)造，給圍堰截流施工造成很大困難。

2.施工問題

原圍堰防滲截流施工擬采用沖擊鉆結(jié)合液壓抓斗機(jī)械成槽，形成厚度為30cm厚的薄壁混凝土防滲墻，防滲墻軸線長185m。計(jì)劃工期：2019年12月11日—2020年1月20日。

2019年12月21日進(jìn)場(chǎng)ZZ-6A型沖擊鉆機(jī)2臺(tái)進(jìn)行圍堰施工，由于沖擊鉆成槽是在施工過程中將地層劈裂成槽，沖擊振動(dòng)大，對(duì)地層擾動(dòng)顯著，液壓抓斗施工是大面積開挖，其施工過程會(huì)導(dǎo)致地應(yīng)力的釋放，容易引起基礎(chǔ)的變形和坍塌，而且所澆筑的剛性砼防滲墻的穩(wěn)定性和變形的適應(yīng)性比較差；防滲墻施工過程中塌孔嚴(yán)重?zé)o法成槽；導(dǎo)致施工受阻。至2020年3月中旬，僅完成了10多幅（幅長1.5m）薄壁地下連續(xù)墻。嚴(yán)重滯后施工進(jìn)度計(jì)劃，無法保證工期要求?；訃呒跋虏亢哟餐杆畤?yán)重，發(fā)現(xiàn)2處涌水點(diǎn)。

因沖擊鉆成孔困難，無法保證施工工期，2020年3月15日進(jìn)場(chǎng)長臂鉤機(jī)進(jìn)行槽孔試開挖，因長壁鉤機(jī)施工抓斗來回往返槽孔，孔內(nèi)泥漿受到重復(fù)的擾動(dòng)，致使槽孔壁坍塌嚴(yán)重，依然無法成孔。

造成沖擊鉆和液壓抓斗無法成孔和基坑內(nèi)涌水的主要原因是：導(dǎo)流圍堰采用進(jìn)占法施工，新填筑圍堰容易受擾動(dòng)導(dǎo)致松散；圍堰下部河床部分由于采砂嚴(yán)重，存在深度不等的砂坑，砂卵石地層卵石含量高（內(nèi)含大塊卵石、孤石），土層松散；圍堰透水性強(qiáng)，河道水位高，水壓力大。河道左岸涌水為山體基巖裂隙水匯聚形成。

3.解決方案

至2020年4月底圍堰防滲仍進(jìn)展緩慢，無法正常開展。鑒于復(fù)雜多變的地層情況，地下連續(xù)墻已無法繼續(xù)施工，當(dāng)時(shí)灤河水位較高，汛期即將來臨，渠首泵站圍堰和基坑防滲施工迫在眉睫，工期緊，任務(wù)重，必須采取切實(shí)可行的工藝方法對(duì)渠首泵站臨時(shí)圍堰截流防滲進(jìn)行搶工，以保證汛期來臨之前完成泵站基礎(chǔ)施工，確保安全度汛。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行方案比選，最終選用高壓旋噴防滲墻灌漿技術(shù)對(duì)基坑圍堰進(jìn)行防滲處理，施工速度快，防滲效果佳，為按期完成施工任務(wù)提供了保證。

4.高壓旋噴防滲墻施工

4.1 旋噴施工工序

兩管法高壓旋噴灌漿工藝基本原理是采用高壓水泥漿、壓縮空氣兩種介質(zhì)的高壓噴射灌漿法進(jìn)行切割、置換成墻的施工方法：即采用壓縮空氣保護(hù)的高壓水泥漿水平方向噴射切割破壞地層；通過沖切摻攪、升揚(yáng)置換、充填擠密、位移袱裹、滲透凝結(jié)等作用在地層中一定范圍內(nèi)形成連續(xù)的水泥固結(jié)體連接成墻，從而達(dá)到止水帷幕的防滲效果。見圖1。

圖1 高壓旋噴灌漿工藝流程圖

首先通過潛孔鉆機(jī)施鉆成孔，在鉆孔過程中詳細(xì)了解地層變化情況，做好記錄，為后序高噴灌漿創(chuàng)造條件；根據(jù)鉆孔記錄的地層情況，高噴灌漿時(shí)對(duì)高壓水泥漿壓力和提升速度等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到最佳的噴射效果。

4.2 旋噴布孔施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，結(jié)合以往類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，高壓旋噴樁樁徑800mm，

孔距：鉆孔中心間距600mm；孔深：深入卵石層下灰?guī)r50cm以上。鉆孔垂直度不大于1%L；并對(duì)下部基巖巖面位置進(jìn)行確認(rèn)。見圖2。

圖2 旋噴樁布孔示意圖

4.3 旋噴樁施工

高壓水泥漿：壓力33MPa，流量90L/min

壓縮空氣：壓力0.6～0.8MPa，流量3m3/h

水泥漿比重：1.60(水灰比：1∶1)

提升速度：15cm/min

旋轉(zhuǎn)速度：8～12r/min

4.4 造孔施工工藝

造孔采用全站儀結(jié)合卷尺測(cè)放孔位，偏差控制在10mm內(nèi)；鉆機(jī)就位，采用十字定點(diǎn)法確定孔位，偏差不大于5cm；設(shè)備就位后，鉆機(jī)調(diào)平，用水平尺從正、側(cè)面校正水平。

采用MDL-C200型多功能頂驅(qū)鉆機(jī)雙管鉆進(jìn)工藝，見表1。液動(dòng)錘跟管鉆進(jìn)，鉆孔時(shí)采用泥漿固壁；動(dòng)力頭帶有變頻頂驅(qū)振動(dòng)，鉆桿和鉆桿鉆頭、外管及外管鉆頭全部參與傳遞沖擊功，成孔質(zhì)量好，效率高?？讖讲恍∮?35mm，鉆孔到設(shè)計(jì)孔深，下放直徑90mmPVC護(hù)壁管，起拔套管移至下一孔位。

表1 MDL-C200型多功能頂驅(qū)鉆機(jī)技術(shù)指標(biāo)

鉆進(jìn)過程中,出現(xiàn)泥漿嚴(yán)重漏失,孔口不返漿時(shí),采取加大泥漿濃度,泥漿中摻砂或向孔內(nèi)填充堵漏材料等措施,直到孔口正常返漿后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

4.5 兩管法高壓旋噴灌漿

設(shè)備選用：高噴臺(tái)車GS-400A：高度18～20m；

高壓泥漿泵：XP-90高壓泥漿泵；

空氣壓縮機(jī)：流量3m3以上，壓力0.6～0.8MPa；

4.6 施工材料

水泥選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥；

水選用灤河水，水質(zhì)滿足要求。

4.7 高壓旋噴樁灌漿施工

高噴臺(tái)車就位必須水平，高噴灌漿管須安放在鉆孔中心；下放噴射管位置必須到設(shè)計(jì)深度位置；噴射管下放到預(yù)定位置后，送符合設(shè)計(jì)要求的高壓水泥漿和壓縮空氣，待孔口返出水泥漿液后方可旋轉(zhuǎn)提升；在灌漿管提升過程中，隨時(shí)調(diào)整灌漿壓力和提升速度，尤其在變層部位要嚴(yán)格控制；高壓旋噴灌漿完成后，必須采用高配比水泥漿或好的回漿進(jìn)行多次回灌，直至密實(shí)充填至孔口；高噴灌漿全孔連續(xù)作業(yè)。

4.8 高壓旋噴樁施工

水泥漿液應(yīng)隨配隨用，并應(yīng)在高壓噴射注漿作業(yè)過程中連續(xù)不停的攪拌。經(jīng)常測(cè)試水泥漿液的進(jìn)漿和回漿比重。

在高壓噴射注漿作業(yè)過程中，重新進(jìn)行高壓噴射灌漿作業(yè)的搭接長度不應(yīng)小于0.5m。

高壓注漿過程中，出現(xiàn)壓力突降或驟增，孔口回漿濃度和回漿量異常，甚至不返漿等情況時(shí)，應(yīng)查明原因，及時(shí)處理。

圍堰防滲完成后，進(jìn)行基坑排水，發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)應(yīng)針對(duì)性增加旋噴樁進(jìn)行加密補(bǔ)噴，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的防滲效果。

4.9 施工中遇到的問題

由于本工程特殊的地質(zhì)條件，因此在施工過程中，出現(xiàn)的問題較多，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

跑冒現(xiàn)象嚴(yán)重：由于地層結(jié)構(gòu)主要以砂卵石為主，下部基巖巖溶發(fā)育，在鉆孔灌漿過程中，漏漿冒氣現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，串孔串氣最長距離多達(dá)40～50m，尤其是Ⅰ序孔，河道及圍堰內(nèi)多處水面冒氣，孔間串氣最遠(yuǎn)距離15m以上，鉆孔過程基本無返渣，灌漿過程中液面僅停留在孔口，Ⅱ序孔僅局部漏漿冒氣，大部分孔串氣現(xiàn)象消失，孔口返漿返渣情況良好，局部見水泥結(jié)塊。雖然采取潛孔錘跟管鉆進(jìn)，并置換PVC管護(hù)壁，但由于串孔現(xiàn)象嚴(yán)重，塌孔嚴(yán)重造成PVC管局部變形，下管困難。灌漿過程中，漏漿現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是Ⅰ序孔。

針對(duì)本工程出現(xiàn)的問題，高壓旋噴灌漿施工過程中，采取的以下主要施工措施：一是鉆孔采用潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝，但動(dòng)力采用液壓驅(qū)動(dòng)并結(jié)合水動(dòng)沖擊，避免了鉆孔采用壓縮空氣對(duì)筑壩填土及砂卵石層中細(xì)顆粒物的擾動(dòng)，造成空隙加大，容易造成灌漿時(shí)漿液流失嚴(yán)重。二是高壓旋噴灌漿過程中，對(duì)于漏漿嚴(yán)重，甚至于不返漿部位，采取灌漿時(shí)孔口回填細(xì)砂，降低提速以及降低氣壓等措施，直至孔口返漿后繼續(xù)提升。三是鑒于本工程地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，鉆孔時(shí)針對(duì)每一個(gè)鉆孔地層分界點(diǎn)明確標(biāo)記，高壓旋噴灌漿時(shí)針對(duì)溶洞充填物、砂卵石層、淤泥及筑壩填土等，分別采用了不同的施工參數(shù)。四是對(duì)于漏漿嚴(yán)重的個(gè)別孔段，采取了背水側(cè)補(bǔ)噴措施，確保局部地段不滲漏。五是Ⅰ序孔灌漿時(shí)，局部串氣現(xiàn)象嚴(yán)重地段，高壓噴射灌漿調(diào)整為單管旋噴工藝進(jìn)行施工。以減少漿液流失。六是為增加漿氣射流的摻攪作用，將方量為3m3空氣壓縮機(jī)調(diào)整到6m3空壓機(jī)，壓縮空氣壓力不做改變。

5.結(jié)語

采用高壓旋噴灌漿技術(shù)處理基坑圍堰的防滲問題，噪音小，污染少，成本低，進(jìn)度快，防滲效果佳，是理想的方案選擇。

高壓旋噴樁技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下處理地基防滲問題的成功應(yīng)用，將會(huì)給水利工程施工中的地基處理提供更多的選擇，大力推廣這一技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用，不僅可以降低成本，節(jié)約投資，還會(huì)取得巨大的社會(huì)效益。