透水性地层防渗处理施工工法

(厦门安能建设有限公司，福建 厦门 361004)

透水性地层是水利水电工程施工中经常遇到的地质条件，为使水工建筑物具备良好的施工条件，需要进行防渗处理。注浆是工程防渗处理的常用方法，注浆可以增加岩土体强度、降低渗透性并提高稳定性，但是透水性地层岩土体颗粒松散、孔隙率大、土体强度极低，注浆防渗处理存在着注浆容易串浆、冒浆，松散土体难起压等技术难题。本工法研发了控制性水泥灌浆新技术和一次成孔、分段高压注浆新工艺，成功解决了透水性地层防渗处理施工难题。该工法成功应用于福清核电站等多个国家和省部级重点工程，具有良好的经济、社会和生态效益，其关键技术达到国际先进水平。

1 工法特点

a.本工法改变了传统水泥灌浆浆液的运动机理，变水泥浆液的渗透扩散为橡皮泥状浆液的挤压滑移，能够置换出透水性地基中坚硬岩土体之间的空气和渗透水。

b.本工法应用了创新的水泥浆外加剂，能够使水泥浆变成具有较高强度和良好流变性的橡皮泥状浆液。

c.本工法设计了新型的灌浆装置，可以一次成孔，自上而下分段高压注浆。

d.本工法适用范围广，能够解决包含极强透水性地基、3MPa以上大压力渗漏水在内的各种透水性地基的防渗处理。

2 适用范围

本工法适用于水利水电工程、市政公用工程的强透水性地基防渗处理，也适用于公路、铁路、房屋建筑工程的基础防渗，其他行业工程的基坑防渗可以参考执行。

3 透水性地层防渗处理施工原理

3.1 透水性地层防渗处理施工

透水性地层防渗处理施工见图1。

图1 透水性地层防渗处理施工剖面

3.2 透水性地层防渗处理施工工艺原理

透水性地层防渗处理采用控制性水泥灌浆施工工艺，即在水泥浆中添加岩化剂(一种能够使水泥浆变成初凝时间小于10min且动力黏度不小于400mPa·s的胶泥状物质创新外加剂)，形成同时具有较高强度和良好流变性的胶泥状物质，采用高压灌注方式挤入透水性地层中，同时置换出软弱土和水，并迅速硬化，透水性地层中灌注的胶泥状物质具有胶凝性，与余留的岩土颗粒共同形成新的人工石，硬化后强度达到5MPa以上，从而达到防渗堵漏的目的。

3.3 膜袋式压浆的分段阻塞原理

将由专用长丝机织土工布制成的膜袋捆绑在分段的钢管下端，每段钢管下口采用由高强膜制成的分隔器临时封孔，将制作完成的灌浆钢管逐段装入孔内，根据分段灌浆顺序向膜袋内高压注入浆液，随着膜袋内浆液增多和膜袋体积的扩大，形成与孔径相当的膜袋阻塞体，将钻孔有效地分成若干段。

3.4 一次成孔、分段高压灌浆原理

在注浆施工时采用由高强膜制成的分隔器，不仅可以有效地将水泥浆液阻拦使其不向下流淌，而且可以在不被破坏的基础上承受防渗灌浆所需的最大的灌浆压力，从而保证灌浆有效分段进行。每完成一段灌浆后，用小钢管将本段灌浆管底端的分隔器刺破，继续进行下一段灌浆。

钢管隔阻器和孔内膜袋堵塞体配合使用，无须重复多次加深钻孔、重复扫孔、重复扫孔内水泥结石、重复安装孔口阻塞器和起拔孔内进浆管等施工程序，省去了很多辅助工作量，成倍地提高了施工速度，降低施工成本10%甚至20%以上，具有极大的经济效益。

4 工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

透水性地层防渗处理施工流程见图2。

图2 工艺流程

4.2 操作要点

4.2.1 施工准备

a.根据设计单位提出的防渗指标，结合现场踏勘并应用控制性水泥灌浆技术，采用隔孔分序、分段阻塞、自上而下灌浆的透水性地层防渗处理思路制定施工实施方案。

b.做好施工场地“三通一平”，清除地面和地下可移动材料障碍，合理安排灌浆施工等机械位置，防止施工机械失稳。

c.依据设计图纸要求做好基线、水准点、轴线桩位、设计孔位置的测量放样与复核。

d.布置好冒浆处理设施及集浆坑，落实废水、废浆处理与回用系统。

e.按照相关规定要求做好成品、半成品、构配件进场验收及复检。

f.按照施工组织设计要求配置相应的施工机械设备和必要的观测、检测设备。

g.妥善安排存放水泥、灌浆控制材料、土工布、管材等施工材料，避免材料受潮结块，做好防火措施。

h.布置好抬动观测点和观测装置。

4.2.2 浆液制备

a.灌浆材料由水泥、岩化剂溶液等组成，根据不同的工艺，选取满足设计要求的灌浆材料。

b.选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，采用机械搅拌方式，搅拌时间一般为1～2min(严禁用手电钻式搅拌器)。

c.水泥浆的水灰比根据地基的渗透性按表1进行选择。

表1 岩化法水泥浆水灰比推荐

d.岩化剂溶液的掺用量和时机根据孔内压力变化情况和进浆量变化而定，根据地基的渗透性按照表2选定掺量。

表2 岩化法岩化剂溶液掺量

e.水泥浆掺加岩化剂溶液后，混合浆液主要技术指标见表3。

表3 混合浆液主要技术指标

f.阻塞膜袋灌浆施工在满足堵塞强度的情况下可适当调整水灰比提高流动度，以保证膜袋扩张要求。

4.2.3 钻孔施工

a.钻机选择。根据地质条件及孔径选择不同钻机。地质条件较易成孔且钻孔孔径小于150mm选择便携式电动回转钻机，地质条件较难成孔且钻孔孔径大于150mm(含)时，选用地质钻机作业。

b.钻孔操作平台应稳定、坚固，钻孔安装及钻进过程中必须确保倾斜度控制在1%以内。

c.钻孔作业。在钻孔过程中，用清水循环返水。钻孔按Ⅰ、Ⅱ序施工隔孔跳打。钻孔完成后冲洗孔底沉渣，并确保成孔完整，无塌方掉块，钻孔深度按深入不透水层不小于1.0m或满足设计要求控制。透水性地层防渗处理钻孔布置见图3。

图3 透水性地层防渗处理施工平面布置

4.2.4 孔内装置制作与安装

4.2.4.1 灌浆钢管制作与安装

a.根据钻孔深度，钢管按照4～6m均匀分段或根据设计要求分段，每段距管底约80cm处沿管周均匀打三个φ10注浆孔，与膜袋相通；管中部距管底200cm处沿管周均匀打三个φ10注浆孔，向周围岩层注浆。

b.在每段钢管孔底安装分隔器，每段钢管距底部50cm处绑上50cm长的阻隔膜袋。

c.吊装灌浆装置时，确保钢管的定位管中心线与轴线位置吻合，下管应保持与轴线相垂直。

d.钢管的安装：安装时用三脚架或人工将捆绑好膜袋的钢管按底部钢管到孔口钢管的顺序依次插入孔内，下一段钢管下放时预留0.5～1m左右露出孔口，用抱箍或人工固定，再将上一段钢管吊起，将上段钢管与下段钢管丝扣对接好，继续将钢管下放至0.5～1m左右露出孔口，重复下一段钢管的安装直至完成整个孔内钢管的安装，钢管上端露出地面30cm。

4.2.4.2 膜袋与分隔器制作安装

a.膜袋制作与安装。膜袋选用双层高强聚合物化纤合成材料按照钢管管径及钻孔孔径要求加工成环形。膜袋安装时从每段钢管底部人工轻轻套入，将膜袋上下端头捆绑在钢管外壁上。钢管下放过程中要避免膜袋刮破。

b.分隔器制作安装。分隔器选用双层高强聚合物化纤合成材料按照钢管孔径要求加工而成，施工时安装在钢管底端。

c.膜袋绑扎及分隔器安装由专人负责，严格按照作业要求绑扎及下管、接管。

d.制作完成的灌浆钢管见图4。

图4 制作完成的灌浆管

4.2.5 膜袋注浆施工

4.2.5.1 膜袋灌浆顺序和灌浆方式

每灌浆段注浆首先进行膜袋注浆，膜袋达到一定饱和程度填充灌浆孔后，在满足阻隔要求的条件下，更换灌浆压力再进行本灌浆段内的周围岩层防渗灌浆。

4.2.5.2 灌浆压力设定及结束标准

膜袋注浆施工采用压力和注浆量双控的方式进行。注浆量达到设计用量(充盈系数1.3)或者灌浆压力达到设计压力后停止注浆，膜袋注浆设定压力为0.2～0.5MPa。

膜袋注浆压力或注浆量达到设计压力或设计用量后停止注浆，压浆时注意对进浆量和压力上升速度的控制，注浆速度应控制在30～50L/min。开始注浆时，可以进行较大流量注浆，在压力提升过程中逐渐减小注浆速度，确保膜袋达到一定饱和程度后更换专用液压灌浆泵进行补灌，补灌速度控制在10～15L/min。

4.2.6 防渗注浆施工

4.2.6.1 施工工艺

防渗注浆采取控制性水泥灌浆工艺，该工艺最大的特点是能够控制水泥浆液的凝结时间，解决了水泥浆在软基甚至动水条件下的扩散范围问题。水泥浆液在岩化剂溶液的作用下，迅速脱水胶结形成低流动性的橡皮泥状胶体，很好地解决了串浆冒浆等技术难题。控制性注浆工艺既能大幅提高注浆加固效果，又能减少浪费、降低成本。

4.2.6.2 施工顺序和施工方式

a.膜袋注浆结束形成阻塞体之后，需要对注浆管进行重新扫孔和清孔操作，然后进行防渗注浆施工。

b.防渗注浆采用控制性水泥灌浆工艺，采用水灰比为0.8 ∶1的水泥浆液和岩化剂溶液，灌浆方式同双液注浆工艺，设备选用3SNS灌浆泵和专用液压灌浆泵。3SNS灌浆泵灌入水泥浆液的同时，利用专用液压灌浆泵送入设计比例的岩化剂溶液，水泥浆在岩化剂溶液的作用下迅速胶结并被挤压到出浆孔四周地层中，从而形成防渗体。

4.2.6.3 防渗注浆范围确定

根据地基透水率的不同，通过控制注浆压力控制浆液扩散范围，在满足施工范围内地基防渗要求的前提下，达到经济高效的目的。浆液扩散半径按照设计要求合理确定，若无设计要求，可按照表4确定。

表4 不同透水率地层浆液扩散半径经验值推荐

4.2.6.4 注浆压力选择

透水性地基防渗处理中的注浆采用高压注浆，注浆压力根据注浆分段采用经验法确定，具体的注浆压力和分段数可根据表5选择。

表5 透水性地基防渗处理经验法压力值 单位：MPa

4.2.6.5 注浆结束标准

注浆结束标准采用注浆量和压力双控的方式判断：注浆量达到设计用量值时防渗注浆结束，注浆量可按式(1)计算。在确保地表不抬动条件下的进浆压力达到最大时，进浆率下降到2L/min后稳定5min可结束注浆,实际施工中水泥用量依据地质密实情况调节。另外，如果周边发生抬动超过1cm，并且注浆压力急剧增大，证明孔段周围地质条件良好，同样可以结束注浆。

(1)

式中Q——注浆量，m3；

e——土体孔隙比；

R——浆液扩散半径，m；

h——注浆段的长度，m；

α——有效注浆系数，可取0.85～1.0；

β——损失系数，可取0.1～0.3，极强透水性地层取大值，中透水性地层取小值。

4.2.6.6 注浆要求

a.每完成一段注浆后，应及时对注浆管内的水泥浆进行清理。

b.使用机械或者高压水等方式破坏分隔器后，再进行下一段注浆直至注浆结束。

c.因故中断，间断时间应小于浆液的初凝时间。若间断时间已经大于浆液的初凝时间，要进行补钻孔和注浆。

4.2.7 分隔器破除

结束上一孔段灌浆后，从灌浆管中人工插入φ15中空钢管(端部制成尖头)将分隔器的高强膜刺破，然后在钢管中注入高压水将阻塞器冲开贯通，而后进行下一孔段注浆施工。

4.2.8 效果检查

a.透水性地层岩化法防渗处理应采用压水试验法进行注浆效果检查，并结合实际效果综合评价防渗处理效果。

b.压水试验检验点应选择在下述部位：ⓐ钻孔和注浆过程中出现异常情况的部位；ⓑ地基情况复杂，可能对注浆质量产生影响的部位；ⓒ根据施工过程，需要进行补强施工的部位。

c.压水试验检验点的数量要满足地基防渗处理设计要求。当设计无具体要求时，检验点的数量为施工钻孔数的10%，且不宜少于6点。

d.压水试验质量检验在新形成的防渗体强度达75%以上或注浆结束7天后进行。

e.注浆结束后，对注浆的薄弱区域重新钻孔进行补充注浆，直至所有检查结果满足设计要求的防渗等级。

f.在注浆结束后将渗漏水集中引流至集水坑后进行渗水量测试，不满足渗水量要求的在渗水量较大的部位补充钻孔进行注浆，直至渗水量符合要求。

5 质量控制标准

工程质量控制与验收参考执行以下标准：《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)、《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)、《建筑工程水泥/水玻璃双液注浆技术规程》(JGJT 211—2010)。

5.1 通用技术要求

a.透水性地基采用本工法施工前，必须收集完整的工程地质勘察资料及工程附近管线、建筑物、构筑物和其他公共设施的构造情况，当地下水流动速度较快时，应进行专项水文地质勘察。

b.施工过程中出现异常情况时，应立即停止施工，由有关单位共同分析，解决问题，消除质量隐患，形成文件资料后方可继续施工。

c.正式施工前应进行灌浆现场试验，以确定适宜的施工参数。

5.2 允许偏差项目

防渗施工的允许偏差项目、偏差值及检验方法见表6。

表6 防渗施工的允许偏差和检验方法

6 效益分析

6.1 经济效益分析

以处置100mⅤ类围岩的水利堤防渗漏水为例，对比分析采用传统的水泥搅拌桩和本工法防渗的成本。

6.1.1 采用水泥搅拌桩防渗

采用水泥搅拌桩防渗，为达到防渗止水效果，需设置3排水泥搅拌桩，桩径设定为600mm，桩距为500mm，平均孔深16m，水泥搅拌桩的数量为600根共9600m,成本分析见表7。

表7 水泥搅拌桩成本汇总

6.1.2 采用本工法防渗

采用本工法防渗，只需钻灌浆孔1排，钻孔直径为100mm，孔间距1.0m，平均孔深16m，100m基坑围护需钻孔100个计1600m，其施工成本分析见表8。

表8 本工法防渗成本汇总

6.1.3 经济效益分析

对比表7和表8可以看出，采用本工法防渗施工比传统的水泥搅拌桩防渗每100m节约造价698984.9-609632.47=89352.43元=8.935万元，节约率为(69.9-60.97)/69.9=12.78%。

6.2 社会效益

a.本工法施工机械轻便，采用地质钻机造孔，效率高，可适用于各种复杂地层地质条件，无不良施工噪声，施工场地要求简单，施工占地少，对市民正常生产生活影响小，可确保社会和谐。

b.该技术突破了透水性地基突水治理瓶颈，灌注的浆液可以在动水中顶水行进，施工速度快，对水利工程的除险加固有重要意义。

c.本工法使用的材料均为无机材料，环保无毒，可确保作业健康安全，不会对环境造成不良影响。

d.采用该技术进行防渗施工无不良施工泥浆对环境造成的污染，绿色环保，可以有效保障水资源和生态环境安全。

e.本工法施工可以有效避免串浆冒浆问题，大幅减少水泥的浪费，有利于节约资源。

f.本工法可以有效解决各类透水性地基渗漏处理施工难题，为各类重大民生工程保驾护航，具有重要的社会意义。

7 应用实例

福清核电站5号、6号机组的CC跌落井、排水暗渠、GO2沟基坑的基础为抛填块石全透水性基础，基坑开挖过程中渗水严重(渗水量达到1.2m3/s)，导致基坑开挖无法正常进行，需要进行止水处理。施工单位采用施打钢板桩、混凝土搅拌桩等防渗止水措施均无法止水，公司应建设单位邀请，采用控制性水泥灌浆技术，一次成孔、分段高压水泥灌浆的防渗处理技术，在大渗漏量的条件下有效地实现了截水防渗，处理后基坑渗水量小于0.001m3/s。福清核电站5号、6号机组基坑防渗处理前与处理后渗水情况对比见图5。

图5 防渗处理前后渗水情况对比

渗漏处理施工工期15天，与采用水泥搅拌桩施工相比，缩短工期10天，减少管理成本10.0万元，减少施工成本22.0万元。

8 结 论

采用本工法进行工程防渗处理，有以下优点：ⓐ施工速度快，工艺操作简单，可以快速有效地进行渗漏水处理，与水泥搅拌桩相比较，工期平均缩短20%～30%；ⓑ施工成本低，比采用传统的水泥搅拌桩防渗节约成本8%～15%；ⓒ防渗处理效果好，处理后渗水量均小于0.001m3/s；ⓓ施工中无不良施工泥浆对环境造成的污染，绿色环保，对保障水文和生态环境安全有重要意义，可为国内外透水性地层防渗处理提供借鉴和参考。