高压旋喷防渗技术在砂砾石地层中的应用

杜会龙 张洁

前言：近年来，高压喷射注浆技术作为一个日趋成熟的地基基础处理方法，已被广泛的应用于砂、土质地层河的道、堤坝、工业民用建筑基础防渗和地基加固中。但在砂砾石地层的应用因其成孔困难、成墙效果不理想等原因，并未被广泛采用。九甸峡水电站厂房工程对高压旋喷防渗墙施工中对钻孔、注浆等技术进行改进，取得了比较理想的效果。

1、高压旋喷注浆技术简介

1.1术语

高压喷射注浆法（High Pressure Jet Grouting）在60年代后期，创始于日本，由高压水射流技术应用到灌浆技术中，逐步发展为新型的地基加固和防渗止水的施工方法。根据喷嘴的喷射范围，高压喷射注浆分为旋喷、摆喷和定喷，其形成凝结体形状分别为柱形、亚铃形和薄板形。

1.2适用范围

高压喷射注浆防渗和地基加固适用于处理淤泥、淤泥质土、流壁、软壁或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土等软弱土层。我国于75年开始用于土质地基防渗处理。

1.3加固机理

高压喷射注浆是利用钻机成孔后，由高压喷射注浆台车（简称高喷台车）把前端带有喷嘴的注浆管置入土层预定深度后，以30～40Mpa压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流切割破坏土层。剥离下来的颗粒与水泥浆按一定的比例和质量大小，有规律地重新排列，浆液凝固后，便在土层中形成一个固结体。

因从喷嘴中喷射出来的浆液或水能量很大，能够置换部分碎石土颗粒，使浆液进入碎石土中，从而起到加固地基和防渗的作用。

1.4高压喷射注浆方法

目前，高压喷射注浆施工方法有单管法、双管法、三管法三种。根据喷管断面。三管法分同轴三管法和并列三管法。

2、高压旋喷应用于砂砾石层中的意义

高压喷射灌浆防渗板墙是近几年来用于松散地层透水地基防渗处理的新技术，它与防渗混凝土墙、沉模板墙等垂直防渗构筑物相比，有着造价低，工艺简单，工期短的优点；而与常规的帷幕灌浆、固结灌浆等来比，又有着处理效果明显及彻底的优点。高压喷射灌浆防渗板墙在垂直防渗领域中占有相当重要的位置。

砂砾石层主要由细砂及砂卵石组成，其透水性较强，透水率较大，对于该土层防渗，一般采用帷幕灌浆处理，但帷幕灌浆施工速度慢，投资大，防渗效果并不十分明显。采用高压旋喷灌浆进行防渗处理可达到帷幕灌浆处理所达不到的效果。但高压喷射灌浆仍存在其不可回避的弊端，一是砂砾石地层成孔问题，二是孤石的有效被水泥浆包裹问题。甘肃省九甸峡水电站厂房基础沿河侧防渗，采用了下部高压旋喷防渗墙，上部粘土防渗墙处理方案。高压旋喷防渗墙施工采取了套管跟进、PVC管护壁钻孔，三管法高压喷射注浆工艺，基本上解决了以上问题。

3、高压旋喷技术在九甸峡水电站厂房围堰防渗工程上的应用

3.1工程概述

九甸峡水利枢纽位于甘肃省卓泥县境内，电站厂址位于洮河右岸桥道堡沟口南侧洪积扇上，为地面式厂房，总装机容量300MW。发电厂房工程临时围堰位于尾水区，长120m，与洮河紧紧相邻，其下部地层主要为冲积砂砾石层，渗透系数较高。为确保厂房基础施工安全，必须对下部地层采取防渗措施。经技术、经济分析评价采用高压旋喷防渗墙防渗措施，工艺采用“同轴三管法”。

3.2施工工艺3.2.1高压旋喷施工参数选择

围堰防渗墙施工前期，首先进行了试验孔施工，并进行了钻孔取芯、注水试验和开挖检查。其注水试验计算K值均≤n×10-6cm/s，芯体抗压强度平均R28为2.26Mpa，满足设计提出的技术指标要求。从开挖检查看，旋喷墙最小厚度0.8m，最大部位墙厚1.10m，墙体规则平整，成墙连续。

根据试验资料，施工时最终选择参数为：

孔距：1.0m

水压：≥40Mpa

气压：≥0.6Mpa

浆压：≥0.4～0.7Mpa

注 浆 率：≥70L/min

提升速度：6～8cm/min

旋转速度：8～10r/min

浆液密度：≥1.65g/cm3

浆液灰水比:0.8:1

3.2.2高压旋喷施工方法

高喷时分两序施工，采用同轴三管法高压旋喷灌浆方法施工。同轴三管法即以浆、气、水三种介质同时作用于地层，使浆液与地层颗粒成份混合、搅拌、置换、充填渗透形成固结体。高喷灌浆钻喷施工分二序进行，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，相邻孔施工间隔时间不少于24小时。

施工程序为：场地平整压实→造孔（套管跟进）→下PVC管护壁→拔套管→高喷台车就位→试喷→下喷具→喷灌→封孔→高喷台车移位。

(1)造孔：九甸峡水利枢纽发电厂房工程围堰高喷成孔共有2种方式。一是采用YGJ-80风动回转钻机配偏心式冲击器冲击跟管钻进；二是采用QLCN-120履带式多功能岩土钻机跟管钻进。钻孔直径均为φ140mm，造孔效率可达6.0m/h。钻机就位后，用水平尺校正机身，使钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置，孔位偏差不大于5cm。

(2)护壁：造孔结束，将钻杆提出，下设底端透水无纺布包扎φ120PVC护壁管，进行成孔护壁，护壁套管接头用塑料密封带连接。护壁套管下至孔底后，采用YGB液压拔管机将套管分节拔出。

(3)喷具组装及检查：喷具由水、气、浆三管并列组成,采用专用螺栓连接,自下而上由喷头、喷管、旋喷三叉管组成,连接处用尼龙垫密封。喷具组装后试运行水、气、浆

管的畅通和承压情况,当水压达到设计压力的1.5倍时,管路无泄漏后再试喷15min后结束检查。

(4)试喷检查结束后,使喷嘴喷射方向与高喷轴线一致,并设置好旋喷转速下入喷具至设计孔深。为防止在下喷具过程中因意外而堵塞喷嘴,可送入低压水、气、浆并开始喷浆。在初始喷浆时只喷转不提,静喷3～5min,待孔口返浆浓度接近1.3g/cm3时,按参数要求的提升速度和旋转速度自下而上喷射灌浆到设计高程。喷射浆液为灰水比0.8∶1的纯水泥浆。

4、特殊情况处理

4.1漏浆处理

九甸峡厂房围堰高喷灌浆防渗墙的施工中，有部分孔发生了漏浆现象，说明围堰基础存在一定的集中渗流区，对厂房基坑的施工安全十分不利。因此发生漏浆时，视严重程度采取了停止提升或放慢提升速度的办法，让漏浆地层充分灌满水泥浆，从而达到充分固结的目的。

4.2孤石处理

九甸峡厂房围堰基础以砂砾石为主，存在有个别大的孤石。高喷过程中，根据钻孔记录，在喷至孤石深度时，采取上、下50cm加大旋转速度、放慢提升速度的办法，充分将孤石用水泥浆包住，从而达到柱体充分连接的目的。

4.3 事故停喷

在高喷过程中发生停电、停喷事故，均采取重新扫孔、复喷的办法，扫孔底至停喷段以下1.2m，解决因停喷造成的柱体连续性问题。

5、成果分析

九甸峡水电站厂房工程围堰高压旋喷防渗墙施工段长120m，成墙3500m2。注入浆量1.99×106L，耗用水泥1462t，平均耗浆量570L/m，单项工程投资228万元。在围堰高压旋喷防渗墙施工过程中，针对砂砾石地层选择合理的造孔护壁方式，加快了施工进度，缩短了工期。高压旋喷注浆施工确定合理的孔距和高喷参数为保证施工质量、减少工程投资提供了有效保证。本工程作为一次尝试，为以后在同类地层的防渗处理积累了一些可靠经验。根据本工程高压旋喷处理完成后基坑开挖渗水量判断，高喷防渗效果较好，达到了预期的目的。

砂砾石层主要由细砂及砂卵石等粗颗粒组成，其透水性较强，透水率较大，对于该类型地层防渗，一般采用帷幕灌浆处理，但帷幕灌浆施工速度慢，投资大，防渗效果并不十分明显。采用高压旋喷灌浆进行防渗处理可达到帷幕灌浆处理所达不到的效果。但高压喷射灌浆存在其不可回避的弊端，一是砂砾石地层成孔问题，二是孤石的有效被水泥浆包裹问题。

对甘肃省九甸峡水电站厂房基础沿河侧围堰下部地层主要为分布不均匀的砂砾石层，含有漂石、孤石，需防渗处理深度为30m。为了保证防渗效果，控制设计投资及进度，项目部进行了帷幕灌浆、现浇混凝土防渗墙、高压旋喷防渗墙等技术方案的经济、技术评价，最终确定采取高压旋喷防渗墙防渗方案。

为了解决高压旋喷防渗墙处理方案在砂砾石层中的可施工性，达到理想的防渗效果，项目部在常规施工方法的基础上采取了有效改进措施。

针对砂砾石地层成孔难、易塌孔、钻进速度慢等技术难题，采取了大扭矩风动回转式冲钻进，护壁套管钻杆跟进。成孔后将钻杆提出，护壁套管内下设PVC管进行护壁。PVC护壁管下至孔底后，用液压拔管器分节拔出钢质护壁套管，这样一个造孔循环。套管跟进PVC管护壁钻孔与传统泥浆护壁钻孔相比，具有成孔快、不塌孔、工艺简单的优点，缺点是成孔不易过深。

针对孤石的有效被水泥浆包裹及水泥浆与砂砾石充分搅拌问题，在注浆施工方法上选用三管法，在参数选择大水压，加大高压水对地层冲击、切割力度。在喷至孤石深度时，采取上、下50cm加大喷嘴旋转速度、放慢提升速度的办法，充分将孤石用水泥浆包住，从而使柱体达到充分连接的目的。

高压喷射注浆法在1968年创始于日本。70年代初我国铁路、煤炭、水电等系统相继引进并开始研究这项技术。80年代以来，其他国家也开始大规模采用这项技术。我国水利系统于1980年首先将此技术应用于山东白浪河土坝工程。

高压喷射注浆法防渗和加固技术主要适用于砂类土、黏性土、黄土、和淤泥等到软弱土层。对粒径过大颗粒含量较多的砾卵石地层防渗处理一般采用混凝土防渗墙及帷幕灌浆技术，但这两种技术施工工期长、造价高。高压喷射注浆技术在砂砾石地层中的应用，因其很难达到预期效果，目前仍处于研究探索阶段。

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