袖阀管注浆在生态堤基础加固]处理施工中的应用

郭文超，罗 枭

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

袖阀管注浆作为国内外一种较成熟的注浆工艺，被广泛应用在工程基坑帷幕、地基加固处理及坝基础加固等工程中。其配套技术主要是利用钻孔设备(或顶管技术)将袖阀式注浆管置入地层，利用配套的注浆设备，采取洞内袖阀管注浆技术、地表垂直袖阀管注浆技术，将超细水泥水玻璃双液浆注入饱和、动态的含水砂层。通过注浆，较均匀地固结了砂层，从而实现了“加固砂层、注浆堵水”的目的。

1 工程概况

铁岗-石岩水库水质保障工程(四期)生态堤坝址位于原宝达石场的上游，大坝为黏土心墙堆渣坝，坝顶长度约236 m，坝顶高程49.80 m，坝顶宽20 m，坝顶上游设防浪墙，顶高程50.80 m，采用钢筋混凝土结构。最大坝高约26 m，上、下游坝坡坡比均1:3，上、下游坝坡在43.50 m，高程均设置4 m宽马道。上游坡采用预制混凝土六角块护坡，下游坡采用植草护坡，坡脚设置贴坡排水和排水棱，棱体顶高程32.32 m，顶宽2.2 m。

生态堤坝基设防渗齿槽，并在齿槽底部设置防渗帷幕。为防止齿槽与基岩接触面集中渗漏和接触冲刷，保证齿槽地基的帷幕灌浆效果，在齿槽底部地基表面浇筑1 m厚混凝土垫层。帷幕为单排，孔距2 m，帷幕上、下游各设1排固结灌浆，孔深5 m，孔、排距3 m。帷幕深入相对隔水层(q≤5 Lu)不小于5 m，坝肩帷幕向岸内延伸长度约30 m。生态堤灌浆平面布置如图1所示。

图1 生态堤施工布置图

2 生态堤基础工程地质

生态库堤坝址位于原宝达石场南侧约300 m，坝址区地形呈“U”型，较开阔，两岸坡度20°左右，沟底高程30～33 m，与坡顶高程差约20 m，坝址区主要地层包括第四系人工堆积层、冲洪积层、残坡积层和白垩系燕山四期侵入岩风化岩层。其中冲洪积层位于冲沟底部，主要土层包括粉质黏土、砾砂。

人工填土层厚度0.5～4.5 m，呈高压缩性、低强度，宜挖除；粉质黏土层厚1.0～2.9 m，呈可塑状，天然地基承载力120 kPa，可根据设计承载力要求确定是否进行地基处理；砾砂层厚度2.0～2.1 m，其承载力值较高，均质土坝可不处理，堆石坝对地基承载力要求稍高，可进行夯密处理，但该层渗透系数较大，须进行防渗处理。

坝肩两岸边坡坡度较缓，地层以残积土砾质黏性土层为主，其C、φ值较大，不良地质现象不发育，因此坝基稳定性好；因边坡地层为残坡积砾质黏性土，渗透系数小，为相对不透水层，因此不易发生绕坝渗漏问题。

经现场查勘，并结合勘探资料表明：生态堤坝址区基本处于冲积沟区域，主要地层包括堆积土层和白垩系燕山四期侵入岩风化岩层，飘石层(或砂层)2.5～5 m，地下水量丰富。

生态堤防渗齿槽开挖最大深度约8.5 m，由于齿槽基坑处于松散和裂隙分布的岩层中，孔隙潜水和基岩裂隙水分布在生态堤防渗基坑两岸堆积层中，基坑底部土质较差，地下水渗透量较大，基础灌浆处理的效果较差，不易达到灌浆处理的设计标准，对生态堤防渗深基坑的稳定极为不利。

3 方案优化

3.1 原设计方案

1)固结灌浆。自坝0+000～坝0+226.264在宽为6.0 m的压浆板布置2排固结灌浆孔，排距3.0 m，单孔灌浆深度5 m，平均钻孔深度6 m，固结灌浆孔均为垂直孔。灌浆孔平面布置图如图2所示。

2)帷幕灌浆。帷幕灌浆孔在坝0-035.000～坝0+271.264沿帷幕轴线单排布置，孔距为3.0 m，帷幕灌浆孔均为垂直孔。

图2 灌浆孔平面布置图

3)防渗帷幕底线。生态堤堤顶高程49.8 m，河床部位建基面高程24.25 m，河床部位防渗帷幕底线高程为13.71 m；左岸高程46.2 m以上，右岸高程42.76 m以上的岸坡段，只设帷幕灌浆孔。孔深一般为10～20 m，灌浆孔最大深度约26 m。

3.2 优化调整后的设计方案

施工前选取生态堤防渗齿槽坝0+040～坝0+020为试验段，按常规钻孔灌浆的方式进行固结灌浆试验。灌浆试验完成后，对固结灌浆试验孔进行压水试验，试验结果透水率大于等于15Lu，不满足设计要求。

通过对地质勘察资料结合现场实际灌注情况分析，由于加固范围内土体结构为人工填土、粉质黏土、砾砂二元或三元结构。由于加固土体岩性的不同，决定了土体中空隙裂缝发育的各向异性，同时也决定了在注浆过程中浆液的扩散半径往往各向差异很大。根据生态堤基底土层加固体，须采用定深、分层、分段及不同压力的施工工艺，因此建议选用袖阀管注浆法对生态堤防渗齿槽基础进行土体加固灌浆后，再按原设计方案进行坝基固结、帷幕灌浆。袖阀管法的主要优点是可根据需要灌注任何一个灌浆段，还可进行重复灌浆，同时可使用较高的灌浆压力。袖阀管注浆工艺特点如下。

1)袖阀管结构主要由中108 mm PVC外管、6分镀锌注浆内管、橡皮套、密封圈等组成。

2)袖阀管是一种只能向管外出浆，不能向管内返浆的单向闭合装置。注浆时，压力将小孔外的橡皮套冲开，浆液进入地层，如管外压力大于管内时，小孔外的橡皮套自动闭合。

3)每个注浆长度固定为60 cm，还可以根据地层情况调整注浆长度，实现定量定尺可控注浆。

4)可根据需要灌注任何一个注浆段，还可重复注浆。

5)使用较高的注浆压力，注浆时冒浆和串浆的可能性较小。

6)钻孔和注浆分开，提高了钻孔、注浆设备的利用率。

7)可在一个孔内灌注多种浆液材料。

8)由于在被加固的地层中进行了多点、定量、均衡的注浆，注浆体在地层中均匀分布、均匀连接，因此大大提高了被加固地层段的整体稳定性。超细水泥+水玻璃压力注浆加固地基，是将具有一定压力的超细水泥+水玻璃浆液，通过土层颗粒间的孔隙强行注入土层中，起到挤密和充填作用，迫使土层孔隙内的部分或大部分水和空气排去，从而加快土层的固结稳定，阻止或控制生态堤坝基不均匀沉陷。

3.3 生态堤基础袖阀管注浆加固设计参数的确定

1)注浆半径的确定 。袖阀管注浆时浆液在基岩裂隙中作紊流运动，浆液的扩散半径 r按照式(1)计算：

(1)

式中：t—灌浆时间，s；k—砂土的渗透系数，cm/s；v—浆液的粘滞系数，cm/s；h1—灌浆压力，MPa；r0—灌浆管半径，cm；de—被灌土体的有效粒径，cm；n—砂土的孔隙率。

2)浆液配合比的确定。根据现场生态堤防渗齿槽基坑的地质特性 ，袖阀管注浆采用Po42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为2：1～1：1，外加水玻璃2%。

3)注浆压力。袖阀管的注浆压力与生态堤防渗基坑覆盖层的盖重、浆液黏度、注浆速度等因素相关 ，注浆过程中压力会不断发生变化。袖阀管注浆取初始压力0.3～0.5 MPa，正常注浆压力0.5～1.0 MPa，最大压力1.2 MPa。

4)注浆孔布置。袖阀管注浆孔间距为1.6 m，梅花形布置，共计布置50个袖阀管注浆孔，注浆扩散半径为0.8 m。

5)注浆量。注浆量按照式(2)推算：

Q=1 000×V×n×β×α

(2)

式中：Q—浆液总用量，I；V—土的体积，m3；n—土的孔隙率；β—浆液填充系数；α—浆液损耗系数，一般取1.15～1.3。

3.4 生态堤基础袖阀管注浆加固设计布置

袖阀管注浆范围：桩号坝0+040～坝0+200，长度160 m。袖阀管注浆宽度：坝轴中心线两侧各1.6 m。袖阀管平面布置：1.6 m×1.6 m梅花形布置。袖阀管注浆加固深度：8 m。优化后的袖阀管注浆主要施工参数如表1所示。

表1 袖阀管注浆加固参数表

4 生态堤基础袖阀管注浆加固施工

4.1 主要施工机械设备配置

1)钻孔配套施工设备。采用杭钻300型工程地质钻机2台，套管护壁，并采用GXY-2型跟管钻机开孔。

2)注浆站设备。双液注浆泵组1台、注浆泵机组1台、灌注记录仪1台、JD090灌浆流量传感器2台等，配备高压注浆管路系统和制浆设备注浆。

4.2 施工程序

测量放线—钻机成孔—注套壳料—插入袖阀管(底部接封堵器，上部接管盖)—待凝—清洗袖阀管腔插入注浆管芯—配制水泥浆—分点注浆—清洗袖阀管腔—待凝结。袖阀管注浆施工工艺流程如图3所示。

图3 袖阀管注浆施工工艺流程图

4.3 施工方法

1)钻孔。注浆孔钻机安装稳固可靠，使用经纬仪校正钻机的安装位置。钻孔护壁采用膨润土和水泥配置的泥浆护壁，当生态堤基础砂砾石层较厚容易塌孔时，袖阀管外采用φ 108 mm PVC套管护孔，待孔内注入封闭材料并插入袖阀管后将φ 108 mm套管提出孔外。

2)安装袖阀管、浇筑封闭材料及固灌止水。袖阀管壁与钻孔孔壁之间存在的环状空隙要采用泥浆封闭措施(也叫“套壳料”)处理，防止在注浆操作时发生串浆问题。泥浆是由膨润土粉与膨胀水泥等掺合性材料联合制备，在膨胀橡胶套料和混凝土上下料双向封闭塞料的配合作用下，使得混凝土浆液可在混凝土灌浆段范围内有效突破封闭塞材料而进入孔壁周围土体，施工时要注意避免封闭材料进入袖阀管中。

钻机造孔并灌入封闭泥浆，插入单向封闭的袖阀管。封闭泥浆凝固后将双向密封的芯管插入镀锌袖阀花管至注浆孔底部，在孔口上部2 m孔段压入固灌止水材料，保证生态堤基础的基岩裂隙达到止水效果，直至孔口返回浓浆。

3)注浆。冲开孔壁封闭环：注浆开始使用稀浆加压冲开孔壁环形封闭材料，加压过程中出现注浆压力突降或进浆量剧增时，表示注浆孔的孔壁环形封闭材料已经被冲开，随后即可正式注浆。

注浆管材及分段：按照袖阀管的工艺参数特征，从花孔底起自下而上分别进行隔段分序次注浆，以每个袖阀管或每两排花孔为其中一个注浆段，每组注浆的分段间隔长度至少为50 cm。

注浆材料：采用“Po42.5普通硅酸盐水泥+35Be′水玻璃”浆液，水泥浆液的配比采用2:1～1:1，水玻璃浆比1:1，掺量为2%。浆液配比开始采用2:1，再由稀释变浓逐步调整浆液的水灰比。开灌压力为0.2～0.5 MPa，正常注浆压力为0.5～1.0 MPa，最大注浆压力控制小于等于1.5 MPa。

注浆施工顺序：基坑底部注浆加固顺序要求由外向内跳孔施工，以防止注浆孔发生窜浆现象。

注浆结束标准：注浆压力大于等于0.5 MPa，分段注浆量大于等于0.35 m3。

安全监测：注浆过程中需要监测生态堤防渗齿槽基坑底部的沉降和隆起情况，如果发现基坑底部有抬动变形、底部隆起、窜孔或注浆量猛增等不正常现象时必须立即停止注浆，分析原因再进行下一步工作。

4.4 施工注意事项

1)注浆顺序采用间隔法和先外排、后内侧的注浆方式。当生态堤防渗齿槽地下水流动性较大时，必须从地下水位较高的位置开始注浆。

2)注浆管采用φ 108 mm PVC袖阀管注浆，通过现场试验取得单管注浆量和注浆扩散参数，注浆材料采用“水泥+水玻璃”双液，注浆压力的选用须根据防渗齿槽的地质特性及其埋深确定，对于非砂土等土质基础，注浆压力采用0.5～1.0 MPa，水泥用量不低于设计要求。

3)注浆期间若发现生态堤防渗齿槽基坑发生抬动变形时应停止注浆，处理完毕再继续注浆。

4.5 注浆效果及评价

本次生态堤防渗齿槽袖阀管注浆加固共耗用水泥240 t，水玻璃 4.8 t，注浆加固结束后再进行固结灌浆和帷幕灌浆，最终生态堤防渗齿槽的基础灌浆压水试验达到设计标准为5Lu，满足设计要求。

5 结语

生态堤基础土体结构复杂，常规灌浆手段难以满足设计防渗标准，优化调整采用袖阀管注浆对生态堤防渗齿槽土地加固的施工工艺，充分利用袖阀管能够多点、均匀、连续注浆的特点，大幅提高了被加固基础的整体强度。工程实践证明，在有裂隙存在且渗水量较大的基岩先进行袖阀管注浆加固的施工方法可行，为类似工程的基础处理提供了借鉴，具有推广应用的价值。