土坝高压喷射灌浆技术的施工特点和质量控制

李保红

(湖北大禹建设股份有限公司，武汉 430061)

1 概 述

高压喷射灌浆起源于日本，我国于上世纪80年代起在水利工程推广运用近30多年，在土基处理方面发挥了重要的作用，其技术也有了新的发展和提高[1]。文章在总结完成的三个水库土坝高压喷射灌浆工程实例的基础上，结合有的工程存在的施工技术或工艺问题，进行讨论，试图使该项技术更趋规范化，发挥更好的技术经济效益和社会效益。

2 高压喷射灌浆的施工特点

2.1 灌浆试验

高压喷射灌浆正式施工前应进行灌浆试验，根据试验成果确定或调整高压喷射灌浆有关施工技术参数。高压喷射灌浆是利用钻机将带有喷嘴的注浆管带到预定深度，借助于高压水流或浆液冲击破坏地层结构，同时灌入浆液，使浆液与被灌地层颗粒相互掺混，凝固后形成凝结体，以达到加固地基和防渗的目的。凝结体的性能是由灌浆参数和灌浆段地层性能共同决定的，因此要达到某一性能要求的凝结体，必须在灌浆前通过试验就灌浆段地层状况下对灌浆方式、浆液性能、旋转和提升速度等灌浆参数进行试验，来取得合适的数据。例如福建省永春县五一水库均质土坝坝高50.5m，灌浆前，曾布置6个高压喷射灌浆试验孔。试验内容包括灌浆压力、孔距、浆液材料、喷射水压、浆液压力、风压及风量、灌浆量、摆喷速度、提升速度以及工艺措施等，为正式灌浆收集了宝贵的资料。又如福建省安溪县村内水库土坝高喷灌浆时，在施工前期选择坝肩段有代表性的孔，先进行生产试验性灌浆，重点对造孔、制浆和灌浆工艺进行现场试验，为全面高压喷射灌浆取得了合适的参数。

2.2 高压喷射灌浆法分类及施工方法

2.2.1 高压喷射灌浆法分类

高压喷射灌浆按照注浆管多少分单管法、双管法、三管法以及多管法。其中单管法借助于约20MPa以上灌浆压力的浆液重切充填搅拌地层形成凝结体，适用于较浅的地层主要作用是加固地层；双管法是借助于约30MPa灌浆压力的浆液和0.7-0.8MPa的风压两种介质共同作用冲切土体，形成凝结体宽度比单管法增加一倍；三管法是则是借助于30-60MPa压力的水流、0.7-0.8MPa的风压和0.1-2MPa灌浆压力的浆液三种介质共同作用，与土体颗粒搅拌重新排列，形成的凝结体宽度比双管法大；多管法属于用灌浆材料全部充填的全置换法，在防渗工程中应用不多。

高压喷射灌浆按照喷嘴转动角度状况分为旋喷(喷嘴360°旋转)形成圆柱形旋喷桩、摆喷(喷嘴15°左右摆动)形成扇形断面桩、定喷(喷嘴固定不懂)形成板状或壁状凝结体。

2.2.2 高压喷射灌浆施工方法

高压喷射灌浆施工方法为钻机就位、钻孔、下入喷射管、喷射灌浆及提升作业、冲洗管路、孔口回灌。在需要形成高压喷射墙体的多排孔施工中，先施工下游排，再施工上游排，后施工中间排。同一排内的高压喷射灌浆孔应分两序施工，先施工一序孔，后施工二序孔。

1)钻机就位：钻机按照设计图纸安放在孔位上，钻机立轴保持垂直，基座安放平稳保持水平，钻杆垂直度偏差≤5%。

2)钻孔：单管法一般自行旋转钻进成孔，双管法和三管法是用地质钻机回转钻进成孔，孔位偏差≤5cm。

3)下入喷射管：将喷射管下入到孔内预定深度。双管法和三管法在下入喷射管时，为了防止喷射嘴被泥沙堵塞，可采用塑料胶布将喷射嘴包裹一层，也可以边射水边下管，射水压力不能太高，以防止将孔壁射塌。

4)喷射灌浆及提升作业：喷射管下到预定孔深后，根据预先确定的参数自下而上开始喷射作业，随时检查记录浆液比重、浆液流量、风水浆压力、旋转提升速度、孔口回浆情况等。

5)冲洗管路：喷射作业完成后，用清水将喷射管、喷射嘴以及输送浆液的管路及设备冲洗干净。

6)孔口回灌：喷射结束后，浆液收缩会出现浆面下降，用与灌浆同样的浆液或更浓的浆液进行回灌，确保顶部密实。

2.3 灌浆材料及制浆

1)高压喷射灌浆浆液主要材料宜采用新鲜水泥，其品种和强度根据工程需要确定，制浆所用的水应符合混凝土拌和用水的要求。有特殊要求时，可加入膨润土、黏土、粉煤灰等掺合料，还可根据需要在浆液中加入速凝剂、减水剂等外加剂，掺合料和外加剂的种类及掺入量应通过试验确定。各种材料的称量误差≤5%。

2)高压喷射灌浆浆液制浆一般采用高速搅拌机或普通搅拌机均可。制好的浆液温度应保持在5℃-40℃，高温季节施工应采取防晒降温措施，低温季节应采取防寒保温工作。浆液的比重应达到1.4g/cm3以上，由于喷嘴口直径很小，制好的浆液需通过过滤剔除超过喷射嘴孔的颗粒，以改善和提高浆液的质量。

2.4 分序

一般来说对于高喷墙灌浆孔排内采用分二序施工，这与类似于普通水泥灌浆，其主要目的是加密作用。而对于孔深<25m，标准贯入击数<40的软弱土层，可采用振孔高喷法，该种方法施工不需要分序，相邻孔间可连续施工。

2.5 观测

为保证土坝坝体安全和灌浆质量，以及检验灌浆效果，在灌浆期间应进行观测。重点观测灌浆孔孔口翻浆情况，以及巡回检查坝体变形位移(水平位移与竖向位移)以及坝前后漏浆情况等。村内水库高压喷射灌浆时的观测资料显示，其竖向沉降较大，最大达到130mm，但是横向位移很小，最大只有15mm。较大的竖向位移是由于坝体土在浆液作用下密实沉降而引起的，因此认为灌浆期间大坝是安全稳定的。

3 高压喷射灌浆的质量控制

3.1 墙体搭接控制

在土坝坝体中采用高压喷射灌浆的方法主要是处理坝体的渗漏问题，因此单桩之间的搭接成墙效果决定着整个工程的成败。一般来说通过灌浆试验来确定单桩有效直径或喷射范围大小，而后根据群孔高压喷射试验确定适用的孔排距、墙体防渗性能以及其他施工参数。这其中对孔斜的要求比较严格，如相邻两个孔底部孔斜沿着灌浆轴线完全相背，会造成墙体底部出现“裤衩式”状况，形成集中渗流通道，对土坝的安全而言是一大隐患，是绝不允许的。一般情况下对钻孔应进行测斜，孔深<30m时的钻孔偏斜率≤1%。

3.2 浆液性能控制

高压喷射灌浆所使用水泥浆液性能的好坏是决定凝结体的质量好坏的关键因素之一，喷射浆液应采取“经济合理，多浓不稀”的方法。五一水库高压喷射灌浆时，根据现场灌浆试验资料，配制浆液使用的是新鲜合格的水泥，配制成水灰比为1∶1的水泥浆，实测比重在1.5g/cm3左右。当然一般来说水泥浆液的比重越大形成的凝结体强度越高，较小的水灰比形成的凝结体强度也较低，但是过分的追求凝结体的高强度，又是不经济的。因此综合我单位的经验，一般高压喷射灌浆浆液水灰比控制在1∶1左右，浆液比重控制在1.5g/cm3左右是比较合理的。

3.3 提升速度和旋转(摆动)速度的控制

高压喷射灌浆提升速度和旋转(摆动)速度是关系到凝结体质量的另一个因素，一般来说二者是相辅相成的关系，一味的追求其中之一都达不到预计的质量目标。提升速度过快，会形成“夹层饼”状的凝结体，水泥浆分布不均匀，相反旋转(摆动)速度过大，又会造成成本较高不经济，因此必须找出二者合适的匹配，才能达到预想效果。规范给出理论参考值“旋转(摆动)速度=(0.8-1.0)*提升速度”。湖北省英山县张家嘴水库土坝地层为含少量砂砾石的粉质黏土，根据试验资料确定高压喷射灌浆旋喷墙施工时的提升速度控制在15-18cm/min，旋转速度控制在14-18r/min。施工结束后的检查认为选取这个提升速度和旋转速度是合适的，也与规范的理论参考相吻合[2]。

3.4 切割被灌地层介质压力控制

切割被灌地层介质压力的大小关系到灌浆质量，一般由设计单位提供预估设计压力，而后进行现场试验，将试验取得的达到设计目标而在试验中所使用的实际压力而综合确定。五一水库土坝高压喷射灌浆采用三管法，设计单位提供的试验设计压力为≥35MPa。根据试验资料，试验切割地层水压力分别为35MPa、37MPa和40MPa三种。试验结束后通过检查发现三种压力下都可达到设计目标。通过综合分析既要确保施工质量又要经济合理，在大面积施工时切割地层水压力采用37MPa。

3.5 土坝沉降控制

根据经验，一般对土体密实度不好的土坝高压喷射灌浆一段时间后(3-5d)，或多或少会出现坝顶沉降，只是较密实土坝沉降较小，相对松散的土坝沉降较大，只要这些沉降只要控制在一定的范围内，会对坝体结实有很好的作用。高压喷射灌浆引起的土坝顶沉降时，应加强观测坝体上下游坝坡的水平位移，当沉降位移与水平水平位移之比≥坝体坡比，则可认为坝体是稳定的。村内水库土坝高压喷射灌浆时，坝体出现较大的沉降，最大达到30cm，通过对坝体上游坡面上的观测桩观测得到此时的水平位移量为0cm。经分析论证，这些沉降主要是由于灌浆浆液进入坝体后湿陷作用引起的，坝体是安全稳定的。

4 质量检查方法

4.1 隐蔽工程检查

高压喷射灌浆属隐蔽工程，其质量检查分为灌浆过程的中间检查和灌浆结束后的最终检查，其最终质量应在分析施工资料和检查测试成果的基础上综合评定。灌浆过程的中间检查主要是布孔、灌浆材料、浆液和每道工序情况的检查。最终检查主要包括坝体内部质量和坝后渗流改善情况等。检查方法为分析资料，进行观测，开完探坑、钻孔和围井等。

4.2 资料分析

高压喷射灌浆结束后，应对灌浆过程资料进行综合分析，从布设孔位开始，经过钻孔到灌浆结束的每一步过程，每一项工艺参数把控和对工艺措施的控制，逐条逐点的检查，尤其是曾出现窜浆、孔口翻浆异常、灌浆曾有中断的孔进行仔细核查，并将该类孔作为现场检查的重点部位。

4.3 钻孔检查

对厚度较大的和深度较浅的高压喷射灌浆凝结体可采用钻孔法检查。张家嘴水库坝体高压喷射灌浆28d之后，在高压喷射灌浆孔之间布置了4个检查孔进行钻孔检查，通过钻孔取样看出凝结体比较密实，没有任何气孔残留痕迹，芯样光滑，断口新鲜没有明显的夹砂等问题。现场进行了静水头注水试验，渗透系数K=1.84×10-6cm/s-4.38×10-6cm/s，平均为3.11×10-6cm/s。

4.4 开挖探坑取样检查

对深度较浅和墙体较薄的高喷凝结体可用开挖探坑作为辅助检查。五一水库坝体高压喷射灌浆结束14d后，在高压喷射灌浆选取2个部位进行了探坑开挖，以检查高喷凝结体的实际效果，通过开挖揭示凝结体侧面平顺没有明显的夹砂夹泥，凝结体比较密实，相邻桩体间形成的板墙连接较好。同时取样两块凝结体送实验室对其强度进行检测，实测强度分别为5.12MPa、5.04MPa。

4.5 围井检查

各种高喷凝结体都可以用围井法对其质量进行检查。村内水库坝体设计高压喷射灌浆结束后，选取坝体河床段部位施工围井高压喷射灌浆，在围井施工结束7天后，在围井内钻1孔至高喷墙底部的相对隔水岩层，现场进行了静水头注水试验，渗透系数K=7.84×10-6cm/s。

4.6 观测资料

通过高压喷射灌浆前后观测和对比测压管上下游水位差的变化或坝体下游安设的量水堰渗水量的变化情况，来分析防渗效果。村内水库高压喷射灌浆结束后约1个月后，原安设子下游坝脚的量水堰测得的渗水量由灌浆前的320L/h，下降为40L/h。

5 结 语

1)高压喷射灌浆具有机理明确，防渗效果好，施工简单且速度快等优点，而且使用的机械较简单，喷灌浆液的材料料源广，形成的工程实体耐久性好，已在诸多工程取得很好的效益，成为土坝防渗加固的常用方法之一。

2)在近几年国家对中小型土堤坝加固整治的大好形势下，总结、推广运用高压喷射灌浆技术具有一定的现实意义。