浅谈高压喷射灌浆技术的设计与施工

梁润华

（中国水利水电第五工程局有限公司 成都市 610066）

1 问题提出

我国自20世纪70年代引进高压喷射灌浆技术以来，就应用于软土地基处理，堤坝防渗加固及各种坝基防渗处理，通过几十年的施工生产应用，灌浆技术得到了迅速的发展。由于高喷灌浆技术的迅速发展，在我国堤坝防渗加固及坝基防渗方面做出了重要贡献，解决了一些其他技术难以解决的技术难题。

但是，在一些病险水库的高喷灌浆防渗中，由于对高压灌浆工艺理解和应用不当，产生了工程事故，给国家造成了不应有的经济损失。下面通过高喷灌浆工程事故案例的分析，总结出现上述问题的原因主要有两个方面：

一是有些工程技术设计或施工人员，对于高喷灌浆技术看得过于简单，认为只要是一般的工程技术人员就能设计，一般的施工队就可以施工等等。其实不然，高压喷射灌浆技术是一项非常复杂的技术，没有一定的专业知识和丰富的实践经验是设计不好的。同样没有专业知识和高喷灌浆实践经验的队伍也是保证不了工程施工质量的。

二是并没有讲明高喷灌浆的哪些工法 （或哪种喷射形式）不适应哪些地层，只是讲高压喷射灌浆适应于粘性土层，淤泥地层、砂层、砾卵石层等。其实有些工法对于某些地层是不适宜的。

广西长洲水利枢纽位于广西西江干流浔江下游河段，坝址下游距梧州12 km，是一座以发电为主、兼有航运、灌溉和养殖等综合利用的大型水利工程。坝顶高程34.8 m、最大坝高49.3 m，坝长 3 350 m；总装机 630 MW。其围堰及土坝高喷防渗工程量达5万m，高喷防渗墙穿过的地层有人工填筑碎石层、粉细砂层、砂卵石层、全风化基岩。为了确保高喷防渗工程的施工质量，我们针对不同的地层进行了不同的高喷试验，先后采用了单管法、双管法、三管法和二次切割法（新三管法）。通过试验，我们得出，一是在一定的参数情况下，成墙质量从好到坏依次为二次切割法、双管法、三管法、单管法；成桩半径从大到小依次为二次切割法、三管法、双管法、单管法。二是在同一种工艺下，高喷半径从大到小依次为定喷、摆喷、旋喷；墙体厚度从薄到厚依次为定喷、摆喷、旋喷。

在张掖大孤山水电站枢纽基础防渗施工中，所采用的喷灌方法为三管法定向喷射成墙施工。防冲隔墙长为68 m，该工程地层为砂砾土，采用凝结体的结构布置形式为柱摆式，成墙深度为30 m，墙厚平均为80 cm。孔距2 m，喷射中心有直径（20～30）cm的圆柱体。首先用水管、气管、浆管同轴布设组成喷射杆，杆底部设置有喷嘴，气、水喷嘴在上，浆液喷嘴在下，高喷时，随着喷射杆的旋转和提升，采用高压水和气的射流冲击扰动地层土体，呈翻滚松散状态，随后以低压注入浓浆掺混搅拌，硬化后形成凝结体。此方法高喷质量可满足设计要求，工效高、造价低，能充分利用原地土体，就地取材，机械化程度高，其工艺参数为：

（1）喷嘴直径：（2～2.30）mm；

（2）高压水：10 MPa，流量 40 L/min；

（3）气压：0.70 MPa，气量 6 m3/min；

（4）浆压：0.30 MPa，流量 80 m3/min；

（5）提升速度：15 cm/min；

（6）三重管回转：7 r/min。

施工完成后采用挖深坑数米，用电子填土密实度检测仪对周围土体进行现场质量测试。检测结果为土体密实度和承载力均大于原土体。

高压喷射灌浆工法，分为单管法（CCP工法），二重管法（JSG工法）、三重管法（CJP工法）和多重管法（SSS—MAN工法）。各工法的能量发生装置和能量介质是不同的。单管法和二重管法，它们的能量发生装置是高压泥浆泵.能量介质是浆液。是利用高压浆液射流切割破碎土体，并与地层中的土、砂颗粒掺搅混合后而形成凝结体。三重管法和多重管法的能量发生装置是高压水泵.能量介质是水，利用高速水射流切割破坏土体。三重管法（CJP工法）的低压浆液是靠高速水、气流的卷吸作用带入切割范围地层内.并与升扬置换后剩余的土、砂颗粒掺搅混合后而形成凝结体。正是这些差异,使三重管法（CJP工法）的适应范围受到了限制。工程实践表明，该工法就不适宜流塑状态的淤泥地层。在这种地层就不易形成凝结体。由于淤泥和淤泥质土含有较多的极细颗粒——胶体颗粒，并且含水量高于液限。呈流塑状态，所以灵敏性很高。当它静置一定时间，就成为凝胶体，具有一定的承载能力。如果受到外力搅动，就会液化，失去胶粘力，承载能力很低，甚至就像水一样没有承载能力，这种现象称为触变。大家都知道，水是斩不断，切不开的，同样高速水射流对于灵敏性很高的淤泥地层也是切割不出沟槽来的，所以浆液也就不会被高速水气流卷吸到被切割的地层中去。四川汶川古城电站厂房尾水部位就出现过在液化细砂层中进行高压喷射灌浆后，地基承载力并没有得到提高这一现象。三重管法还容易使灌入地层中的浆液被高压水稀释，在大颗粒地层动水条件下，会使浆液流失。而在粘土地层很容易使凝结体干容重变轻，强度降低。但也有它的优势，由于该工法的切削能力和升扬置换能力较强，在某些地层 （如砂层、粉土等）形成的高喷凝固体尺寸较大。

在粘土或黄土地层进行高压喷射灌浆时，由于粘土或黄土都具有较强的粘聚力，而高速喷射流切割土层都是瞬时发生的，所以不可能在短时间内将粘性土体进行全部粉碎，致使在这些地层中所形成的高喷凝结体中常夹有大小不等的粘土块。如果在这些地层中采用定喷或摆喷灌浆形式进行防渗，由于形成的防渗板墙很薄，有些部位只有十几厘米，如果在这些部位夹有较大土块，就很容易形成薄弱环节，很有可能成为上下游贯通的漏水通道。所以作为一个工程技术设计人员或高喷灌浆工程技术施工人员，搞清高压喷射灌浆机理，弄清影响高喷准浆质量的影响因素至关重要，也是确保高压喷射灌浆工程质量的重要前提。高压喷射灌浆的设计和施工都必须充分了解掌握具体工程的具体地质情况，因地制宜的进行设计和施工。

2 高压喷射灌浆设计

在进行高喷灌浆防渗工程设计时，部分设计人员是根据现场高喷灌浆试验及开挖后所形成凝结体尺寸的大小，然后再乘以安全系数，来确定高喷灌浆的孔距及其他施工参数。其实光这样做是不够的，因为高喷灌浆凝结体的形成是一个非常复杂的过程，常受多种因素的影响。而坝的施工条件，如施工深度、地下水情况及地基应力情况等，往往与现场试验条件相差甚远。正是这些差异，往往会使形成的高喷灌浆凝结体的形状、尺寸与现场试验的凝结体形状和尺寸有较大出人。设计人员如果对这些影响估计不足，就会做出错误的设计。甚至造成高喷灌浆工程的失败。现将影响高喷灌浆凝结体尺寸大小和质量的几个主要因素介绍如下。

2.1 不同地质情况对高喷灌浆凝结体的影响

大量高喷灌浆工程实践表明，当高压喷射灌浆参数一定时，所形成的高喷凝结体尺寸与地层土质的物理力学性质密切有关。经单管法高喷灌浆试验统计结果如表1。

表1 单管旋喷压力与固结体直径关系

从表1可以看出，在高压旋喷灌浆参数一定的情况下，在粉砂土及粉质砂土中形成的旋喷桩直径大，而在粉质粘土中形成的旋喷桩直径小。而且土质粘聚力越大形成的桩径越小。

另外，从汶川古城电站厂房尾水基础进行的三管法高喷灌浆试验及开挖检查中得知，在粘土层中，一般旋喷桩径最大为115 cm。高喷孔经过复喷 （即第一次光喷水气，第二次为水、气、浆），形成的桩径最大为145 cm，比一次旋喷成桩直径增加30 cm。而摆喷孔形成的板墙长度为210 cm，板墙中间厚为13 cm，摆喷板墙末端厚为55 cm。在凝结体中均夹有土块。又在砂卵石层中，所形成的旋喷桩直径为（150～160）cm，摆喷形成的板墙长度为2.70 cm，板墙中间薄处为39 cm，板墙末端厚度为63 cm。

高喷灌浆形成的凝结体尺寸(或切割深度)还与地层的应力条件和软硬程度有关。图1为水气同轴喷射时，不同应力条件下的地层，在不同喷射压力情况下与切割深度的关系。从图1可以看出，在相同喷射压力情况下岩土无侧限抗压强度σc越低，切割深度越深，否则相反。

图1 喷射流压力与切削速度关系

图2为单管法高压旋喷所形成的桩径与地层标贯击数的关系。从图2可以看出，当高喷灌浆参数一定时，地层标贯击数越大所形成的桩径越小，否则相反。

图2 单管法桩径

2.2 地下水深度对高压喷射流切削岩土深度的影响

作用在高喷杆喷嘴出口处的静水压力，对于高速喷射流的切削深度有明显的影响。当水气同轴喷射流压力一定时，喷嘴出口处的静水压力与切削岩土深度(或高喷凝结体尺寸)的关系如图3。从图3可以看出，当静水压为0.05 kg/cm2时的切削深度与静水压力为2.0 kg/cm2时相比，后者的切削深度比前者要减少一半左右。

图3 切削深度和静水压力关系（同轴喷射空气喷流的场合）

在四川省木里俄公堡电站厂房一期围堰进行的旋喷试验表明，在相同地层(均为砂砾石层)和相同高喷灌浆参数情况下，在有无地下水情况下，所形成的旋喷桩直径相差明显，见表2。

2.3 高喷孔深度对高喷防渗凝结体整体质量的影响

目前我国一般施工队的施工水平，钻孔精度孔斜率约在1%～5%，按这个精度计算，钻50 m深的孔，到下部就有可能偏斜（50～25）cm。如果相邻两孔向相反方向偏斜，到下部两孔之间的距离就更大。作高喷灌浆设计时，如果不把这一因素考虑进去，高喷防渗板墙就不会进行有效的连接。钻孔深度增加后，往往要穿过几个不同的地层，由前述可知，在不同地层，如果采用相同的高压喷射灌浆施工参数，往往会形成不同的高喷凝结体直径。在这种情况下，就应考虑是否适当缩小高喷灌浆孔距，还是增加灌浆孔的排数，这都要经过技术和经济的比较论证后才能确定。

四川木里沙湾电站厂房尾水防渗高喷施工完成后，在基坑排水开挖时发现，围堰中有几处集中渗水，开挖后发现，渗水处两高喷孔之间的间距为3.5 m，两孔各自向相反方向偏斜，使得该处成为集中渗水点，经补孔处理后才得到解决。所以，在进行高喷灌浆设计时必须充分考虑到钻孔的偏斜问题，在难以保证钻孔垂直的情况下，尽可能采用双排钻孔设计，以保证高喷防渗的质量。

孔深对高压喷射灌浆质量的影响还表现在随着孔深度的增加，地层压力在增加，地下水压力在增加，喷杆长度增加，随之带来的是高压气、水、浆液压力的损失增加，气、水、浆液返流阻力增大，这些问题都会直接影响高压喷射灌浆质量。

2.4 水泥含量对高喷凝结体强度的影响

从高喷灌浆试验开挖出来的大量高喷灌浆凝结体的化验中得知，采用纯水泥浆进行高喷灌浆形成的凝结体水泥含量一般在30%～50%；而采用水泥含量50%的水泥粘土浆进行高喷灌浆形成的凝结体水泥含量一般为20%～30%。由于凝结体的水泥含量不同，所以物理力学性能也不一样，结石水泥含量越低，结石干密度越小，抗压强度越低。同时在水下形成的凝结体的强度比在水上形成的凝结体强度要低。所以在进行高压喷射灌浆工程设计时，应根据工程的具体要求和所承受的水头来选用合适的浆液，以满足工程的要求。同时，在进行高压喷射灌浆时，往往一个高喷孔要穿越几个不同性质的地层和受到不同静水压力的影响。高喷灌浆施工时如果各个施工参数不变，在不同的地层或不同静水压力情况下形成的高喷凝结体的尺寸也不同。不同尺寸的凝结体的单位体积内的水泥含量也不一样。从而导致凝结体的物理力学性能也不同。如果把喷射的浆量与所形成的凝结体的体积之比定义为注浆比。则注浆比与凝结体的无侧限抗压强度之间的关系如图4。从图4可以看出，高喷凝结体的无侧限抗压强度与高喷灌浆注浆比值成正比。

图4 固结体强度与注浆比的关系

3 高压喷射灌浆施工

一个成熟的高喷灌浆专业施工队伍，应懂得为完成设计任务首先要准备好能够确保施工质量的机械设备，如钻机。高压泵、高喷台车等。钻机要能确保钻孔的精度，欲善其事，先利其器，高喷灌浆也是一样，优良的高喷灌浆设备，是确保高喷灌浆质量的第一步。在难以成孔的细砂层、淤泥地层及地下空隙较大地层，采用钻喷一体机将会取得较好的高喷效果。

另外要选用合理的高喷灌浆施工参数。因为不同的高喷灌浆施工参数，它将直接影响高喷凝结体的尺寸和质量。所以，根据具体地层进行高压喷射灌浆实验，取得合理的参数是搞好灌浆的关键第一步。

3.1 喷射压力对凝结体尺寸(或切割深度)的影响

从大量高喷灌浆实践和试验中得知，高压喷射流压力和所形成凝结体的尺寸密切相关，表1是单管法高压旋喷灌浆在不同地层中，在其他高喷灌浆参数一定的情况下，不同喷射压力与所形成旋喷桩直径的关系。从表1可以清楚地看出，在同一地层中旋喷射桩直径与喷射压力成正比。

另外从图1还可以看出，在同一地层（即相同应力条件下）中，水气同轴喷射压力与切削深度成正比。

3.2 灌浆管旋转与提升速度及凝结体尺寸的关系

一般来说，旋转与提升速度减慢，凝结体尺寸会增加，但减慢到某一范围时，凝结体尺寸增加甚微。当提升速度一定时，旋转速度有一最佳值，当低于此最佳值时，凝结体的尺寸反而会减少。

图5是三重管旋喷提升速度为4 cm／min时，在两种土层中旋转速度与凝结体直径关系的试验结果。其他技术参数是：喷射压力40 MPa，喷射泵量70 L／min，压缩空气压力 0.7 MPa，气量 3 m3／min，水泥浆量 200 L／min。水泥浆泵压3.5 MPa。

图5 三重旋喷试验的旋转速度

图6为相同试验条件下，旋转速度为5 r／min时，提升速度与凝结体关系的试验结果。

旋转速度和提升要合理配合，才能取得较好的破坏土体的效果。一般应通过高喷灌浆现场试验来确定合理的旋转速度和提升速度。

图6 三重管旋喷试验的提升速度

在进行俄公堡电站闸首一期围堰高喷防渗施工时，我们根据不同孔深、不同的地下水情况及不同的地质情况采用了不同的提升速度；在高喷灌浆开始阶段，由于地下漂石较多，存在有较大的渗流通道，出现了孔口无返浆现象，对此，我们采用了只旋转不提杆并加沙的办法，待孔口返浆后再提杆，提杆速度为5 cm/min。返浆正常后，调整提杆速度为10 cm/min。在二序孔施工时，孔底5 m部位提杆速度为10 cm/min，以后调整为12 cm/min，有效地保证了施工质量，确保了工期要求。经围井压水检查，渗透系数为 i×10-5。

3.3 喷嘴直径的影响

如果其他喷射条件不变，而仅仅改变喷嘴直径，切削深度和定喷板厚度均随着喷嘴直径的增加而增加。依喷嘴的形状，内壁加工精细程度的不同，切削深度也不同。但随着喷嘴直径的增加，单位注入浆量亦随之增加，在增加喷嘴直径的同时还要考虑到经济的合理性。

4 结语

（1）影响高压喷射灌浆质量的因素很多，对每个因素的忽视都可能造成工程质量事故，所以高喷灌浆设计和施工，应由具备专业知识和丰富工程实践经验的工程技术人员和施工队来承担。

（2）高压喷射灌浆不同的工法和喷射形式，适应的条件并不完全相同，应根据不同情况选用合理的高喷灌浆工法和喷射形式。

（3）高喷灌浆所形成的凝结体，当采用纯水泥浆时，凝结体的水泥含量一般为30%～50%，当采用水泥含量为50%的水泥粘土浆时，凝结体水泥含量一般为20%～30%。而且凝结体的抗压强度和抗渗坡降等力学性指示，均随凝结体水泥含量的减少而降低。所以在进行高喷灌浆设计时，一定要根据工程的具体要求选用合理的浆液，以确保工程的质量。

（4）在颗粒较大的砂砾层地层进行高压喷射灌浆时，由于颗粒大，地层中空隙较大，如果直接进行浆液注射，会有大量浆液损耗，这时，需先进行纯砂、不提旋喷杆喷射，待注入一定量砂后再开启灌浆泵进行灌浆，这样能取得既节约浆量又保证质量的效果。