大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法研究

刘达 谢为江 胡松涛 姚池

摘要：

传统的高喷防渗墙施工工艺受限于早期的钻孔设备，其钻孔孔径大多较小，存在钻孔切割地层、喷浆提升效率不高等问题。通过设备改进，采用大孔径螺旋钻机械辅助高喷防渗墙钻孔，并在钻具嵌入高压流体喷射装置（管路和喷嘴），可实现钻喷一体施工。依托江西省万安县遂川江罗塘乡防洪工程，开展大孔径螺旋钻孔高喷防渗墙施工试验，并采用数值计算分析、室内试验及现场检测相结合的方法验证防渗墙成墙效果。结果表明：在相同的地层参数、孔距、孔深以及喷浆压力条件下，采用更大的钻孔直径和长螺旋钻钻孔可获得更好的破岩效率与地层适应性；从墙体开挖检测、钻孔取芯渗透试验以及高密度电法探测试验结果来看，采用大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法可以获得良好的墙体质量。

关 键 词：

防渗墙； 螺旋钻； 高喷法； 大孔径； 钻喷一体化

中图法分类号： TV641.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.027

0 引 言

高喷法是一种采用高压水或高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩、柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力的施工技术［1-3］。由于高喷法中高压流体的发生装置（高压浆泵和空压机）可远程发力（即通过管路将流体远距离输送到喷头，将切割地层的能量传递到孔内，且能量衰减较小），极大减轻了作业面上主台车的负荷，且设备体型相对其他工艺较小，可适应于较狭窄的作业场地，因此，高喷法施工技术被广泛应用于水利工程防渗墙施工［4-5］。

常用的高喷防渗墙施工工艺有引孔式高喷技术和钻喷一体化高喷技术［6-7］，引孔式高喷工艺采用地质钻机引孔，泥浆护壁返渣，由于泥浆仅能携带细颗粒渣料返出，遇砾石和卵石则需要磨碎后返出（或部分挤入孔壁），进尺缓慢，若采用顶驱跟管钻进工艺，须将卵石击碎后返出，且钻孔孔径较小，效率较低［8-10］。钻喷一体式高喷是将渣料强行挤压到孔壁，钻进速度慢，钻进过程中会将孔壁挤压密实，直接影响并降低后续喷浆切割效率，且一旦遇到漂石地层，难以成孔，即使成孔，也容易被挡住喷嘴，造成局部漏喷的质量缺陷，难以成墙或墙体连续完整性无法保证，墙体厚度亦难以保证，直接影响高喷防渗墙施工质量［11-13］。无论哪种高喷技术，其钻孔孔径大多较小，通常小于200 mm，每孔需要切割的地层范围依然很大，因此，在实际施工过程中，高喷法存在钻孔效率偏低的问题。

对此，众多学者从机械改良、工艺改进和灌浆材料创新的角度进行了不少探索，以提高高喷防渗墙施工工效和地层适应性。毛建平［14］、曾鹏九等［15］在传统的钻喷一体式工艺基础上，引入振孔机进行钻孔，以振动为主，辅以低速回转的钻孔原理成孔，提高了高喷钻孔效率，但是该方法存在喷浆过程返浆较严重的问题，且受限于设备和振孔机理，钻孔深度有限；Yuan等［16］提出了一种高效的水平喷射灌浆设备，以消除在高喷射压力下注入大量水和/或灌浆对周围环境的影响；徐晨［17］、杨大明等［18］采用高喷与其他多种灌浆方式相组合的方法，以解决地层的防渗和开挖塌坍的问题；郭成超［19-20］、王复明等［21］研究了聚氨酯灌浆在堤坝防渗材料中应用的可行性，以更好适应地层土体，获得更好的防渗效果。尽管学者们取得了众多研究成果，但目前仍缺少一种可以同时大幅提升高喷防渗墙施工效率和地层适应性的机械和施工方法。

本文通过设备改造和研发，将大直径螺旋钻与高喷喷浆系统相集成，实现了一体式高喷防渗墙施工。设备的大直径钻孔有利于提高钻孔之間地层的切割效率，螺旋翼片返渣可以将地层中的卵石和块石返渣排除，拥有更好的地层适应性。最后结合万安县遂川江罗塘乡防洪工程中高喷防渗墙施工试验，采用开挖检查、钻孔取芯和高密度电法探测进行墙身及芯样的检测试验分析。

1 大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法

1.1 设备功能特点

受限于早年的钻孔机械设备能力，传统高喷法多采用小直径钻孔，钻孔直径通常为10 cm，钻孔和成墙的效率都较低，更多适用于淤泥质土、粉质黏土、砂土等松散透水性地基，对于含有漂石或者块石的地层，钻孔难以成孔、且耗费的时间较长。事实上，目前大直径钻孔设备已经非常成熟。

为了提高高喷防渗墙的钻孔效率和地层适应性，通过设备改造和研发，将大直径螺旋钻钻孔设备与喷浆系统相集成，高喷孔径可达20～100 cm，如图1所示。螺旋翼片返渣可以将地层中的卵石和块石返渣排出，拥有更好的地层适应性，在设计孔距一定时，大大缩减单孔喷射范围。相比小钻孔，加大钻孔有利于提高两个钻孔之间地层的切割效率，由于两孔之间的地层已被螺旋钻机提前钻至松散，其在墙轴线方向的应力已被大幅度释放，同时还提前释放出一定的预变形空间，有利于土体被切割时产生破碎变形，也有利于提高高压流体的切割效率，大孔径螺旋钻钻孔高喷施工设备如图2所示。

1.2 施工工艺流程

大孔径螺旋钻高喷防渗墙施工工艺流程如图3所示。

（1） 墙轴线测量放样。

标示防渗墙轴线，标定桩号位置，并做好记录及维护工作。

（2） 导浆槽开挖。

沿防渗墙轴线开挖导浆槽。

（3） 孔位测量放样。

根据设计孔距进行孔位放样，为保证钻孔时定位准确，宜沿导浆槽两侧皆设置标记。

（4） 后台制浆系统布设。

选址时应充分考虑原材料进出场、通电通水方便、浆管辐射范围等因素。

（5） 高压流体管路连接。

采用高压浆管和高压气管，将高压泵、空压机与高喷钻机连接。

（6） 浆液配制。

配制并搅拌水泥浆液（根据工程具体情况设计）。

（7） 钻孔。

采用大孔径螺旋钻喷一体式高喷钻机自上而下钻孔作业，钻孔直径可根据设计墙厚调整，钻孔时可不进行高压喷射，即注入低压水（或水泥浆）、低压气，直至进入基岩50 cm以上。根据钻塔上的刻度，做好钻孔深度记录。

（8） 输浆输气、静喷、提喷。

根据工程现场需要调整钻杆方向，为加强喷射破岩效果，可使钻杆暂停转动，喷嘴仅朝向前序钻孔方向喷射出高压水泥浆液，然后提升喷杆，使水泥浆液破碎地层后与地层物料充分混合，形成原始地层物料与水泥浆的混合物墙。

（9） 喷头提升至设计高程，停止喷射，移机至下一个孔位。

（10） 固结成墙。

重复以上步骤，如此循环，逐孔施工，形成连续完整高喷防渗墙。

区别于传统高喷工艺，大孔径螺旋钻高喷施工设备特点在于：

① 钻具（钻杆和钻头）上已嵌入高压流体喷射装置（管路和喷嘴），可实现钻喷一体化施工，省去一道引孔工序；

② 大部分地层是靠机械翼片切割，仅小部分地层是靠高压流体切割，靠螺旋翼片返渣，返渣能力强，粗颗粒物料（砾石和卵石）无需磨碎，钻进效率高，且钻孔孔径大。

2 数值计算分析

2.1 计算模型与计算参数

采用有限元分析软件，对传统高喷和大孔径螺旋钻高喷两种工艺的破岩效率进行计算对比，对应的模型几何尺寸如表1所列。

两种工艺均采用相同的钻孔注浆压力（32 MPa），注浆压力以旋喷方式加载，近似认为均匀布置在钻孔孔壁。孔底设置基岩段，基岩底部为全约束，顶部为自由面，模型四周设置为对称边界，故模拟的是多排连续孔孔间的应力情况，采用的岩土体物理力学参数取值如表2所列。

从图4～5可知，在相同孔距、孔深和注浆压力条件下，增大钻孔孔径可以使得钻孔周边的岩土体塑性区范围显著增大。由图5（a）可知，对于传统高喷而言，在钻孔注浆压力为32 MPa时，单个钻孔周围岩土体受到2 MPa以上等效应力的范围约为0.4 m，此时两孔塑性区尽管贯通，但是范围不大，孔间岩土体破岩效果及与浆液的搅合作用有限。由图5（b）可见，在其他条件均不变的情况下，将孔径增大至0.6 m，岩土体在受到2 MPa以上等效应力的范围几乎覆盖整了个模型计算范围。值得注意的是，为了简化计算，本次数值计算采用的是弹塑性模型，是基于连续介质假定的，可是在实际施工过程中，岩土体受高压浆液和水压力荷载作用下往往为松散搅合體，并不完全遵循弹塑性连续完整介质体的屈服破坏准则。但是，从该假定条件下的结果分析来看，采用大孔径螺旋钻孔钻喷一体化机械施工高喷防渗墙，其破岩效率有较大提升，在相同的地层参数以及相同的注浆压力切割岩体条件下，由于辅助钻孔设备的存在，其可以获得比传统高喷防渗墙施工更好的施工效率和地层适应性。

3 施工效果试验

3.1 工程概况

万安县遂川江罗塘乡防洪工程（嵩阳堤）位于万安县罗塘乡境内，赣江支流遂川江下游段，工程起于嵩阳村，止于寨头村，位于遂川江左岸，整治河道长8.0 km，工程保护人口0.3万人、保护耕地333.3 hm2（5 000亩）及G356国道等重要设施。遂川江属山溪型河流，河道弯曲、洪水暴涨暴落，且水流流速快，冲刷破坏能力强。治理河道上游现状岸坡无防护，灌溉渠道距离岸边较近，水流长期冲刷岸坡危及灌溉渠道安全运行。嵩阳堤堤身堤基渗漏严重，抵御洪水能力较差，严重影响当地人民群众生产生活，制约当地经济社会发展，故万安县遂川江罗塘乡防洪工程通过在堤身建造防渗墙以提高堤身堤基的防渗性。

按照原设计方案，施工单位于2021年12月开始着手防渗墙施工准备工作，在机械进场前，组织多支专业队伍进场踏勘，一致认为，原设计方案中的液压抓斗方案不适应本工程实际条件，无法正常施工。原因有：① 因井冈山航电枢纽蓄水，地下水位抬高，导致作业面高程与地下水位之间高差过小（低于规范值），如采用原设计工艺，将发生槽孔坍塌事故。而且，即便液压抓斗能抓至槽底，也容易在混凝土浇筑前出现槽底沉渣过厚的现象，导致防渗墙底部“开天窗”，工程质量难以保障。② 场地条件不适应。若将墙轴线挪到堤顶，由于液压抓斗工艺需要较宽的作业平台（至少需9.5 m宽），目前作业面宽度仅3.5 m左右，远远不足施工作业宽度要求，若继续采用液压抓斗方案，需要增加大量土方填筑，砍伐大量古树林木，须增加大量建设资金。③ 由于嵩阳堤下部地层（基岩面以上）含有少量漂石，最大粒径可达25 cm以上，常规的防渗墙施工机械可能难以穿透该地层，难以入岩，传统的高喷防渗墙难以实施。

为选择合适的防渗墙工艺，同时满足质量可靠、场地适应、技术可行、不突破投资等条件，通过在堤段实施大孔径螺旋钻孔高喷防渗墙施工试验，以观察增大钻孔直径对高喷防渗墙成墙效率和成墙效果的影响。

3.2 墙体检测试验

作为一种地下隐蔽结构，高压喷射灌浆防渗墙的质量检测和评估一直是一个难题，然而，防渗墙质量对加固堤坝的渗流安全和稳定性又起着重要作用。其中，墙体开挖检测、钻孔取芯渗透系数测试、围井法检测仍然是确定墙体渗透性最常用的测试方法［22-23］，此外，为了尽量避免对防渗墙造成人为损坏，越来越多的无损检测方法也被用于墙体质量检测中［24-25］。

3.2.1 开挖外观观测

沿造墙轴线约每500 m开挖一处，每处长3～5 m，深2.5～4.0 m，检测墙体的外观质量、连续性、墙厚。

图6为开挖后裸露的墙体外观，从开挖检查情况来看，试验段墙体侧面较为规整，致密坚硬，成墙质量良好，墙体平均厚度为38 cm，大于设计墙厚，墙体的外观均匀、致密、无明显的孔洞和开叉现象，墙体厚度总体满足设计连续完整性的要求。采用大孔径螺旋钻喷一体式高喷机械，由于省去了引孔工序，喷杆提升速度更快，更易形成近似等厚的墙体。

3.2.2 钻芯法检测

钻孔取芯法是检测防渗墙渗透性能最常用的方法之一。施工结束28 d后，沿墙轴线每隔约500 m抽检1孔，利用钻机在墙体中钻取芯样，描述该芯样的连续完整性和墙体高度，每孔选取芯样1组，钻孔完成后用水泥砂浆封孔，试验墙体钻芯取样见图7（a），采用SS-2.5型水泥土渗透仪对采集得到的芯样进行渗透試验，如图7（b）所示，试验结果见表3。

由图7（a）可见，钻取的芯样大多呈长柱状，芯样侧面光滑，胶结较好。根据2组共6个芯样的抗渗性能试验结果，两组墙体芯样的平均渗透系数分别为8.33×10-7cm/s和9.12×10-7cm/s，均小于抗渗设计值（10-6 cm/s）。可见，采用更高效的大孔径螺旋钻孔设备进行高喷防渗墙施工，防渗墙墙体的抗渗性能可以满足设计标准。

3.2.3 高密度电法仪墙身渗透性能探测

高密度电法以岩土介质的导电性差异为基础，观测和研究电流场分布规律来探测地下地质问题。为进一步验证大孔径螺旋钻高喷防渗墙的成墙质量，采用并行高密度电法探测技术，探测大孔径螺旋钻高喷防渗墙墙体的渗透性能。通过注水后的电阻率剖面与背景电阻率剖面进行对比，观察电阻率变化幅值（η），见式（2），比值变化较大处则判定为渗漏隐患位置。

η=ρB－ρSρB×100%（2）

式中：ρB为背景电阻率；ρS为视电阻率。

本次试验中，并行高密度电法电极间距2 m，共布置48个电极，合计94 m，其中供电电压96 V，数据采集方式为AM法，供电周期为0.5 s，采样间隔时间为50 ms。测取两组数据，分别为背景数据和注水后的数据，两次数据采集时间间隔为3 h，通常认为电阻率变化值大于15%的区域判定为该区域有盐水渗透，对应处防渗墙可能存在墙体不密实或空洞等隐患。

图8给出了4个试验桩号段的电阻率分析结果，其中，每个试验标段分别从上至下分别为：背景电阻率剖面、注水后电阻率剖面及注水前后电阻率变化率剖面结果。

由图8可知：采用大孔径螺旋钻高喷防渗墙施工工艺获得的各试验桩号墙段注水前后电阻率值，0+056～0+106段在96～144 Ω·m，0+552～0+602段在78～138 Ω·m，1+079～1+129段在95～175 Ω·m，1+615～1+665段在140～290 Ω·m。尽管各墙段的数值上各有差异，但总体上，注水前后电阻率变化率并不大，普遍在-5%～10%间变化，未见超过15%的情况，说明墙体整体的渗透性能较好，注水一侧的盐水未渗透到另一侧，探测范围内未发现明显渗漏区域，墙体完整性较好。

4 结 论

本文针对自主研发的大孔径螺旋钻高喷施工机械设备进行防渗墙成墙效果验证。依托江西省万安县遂川江罗塘乡防洪工程，采用数值计算分析和室内、现场试验相结合的方法，开展大孔径螺旋钻孔高喷试验，得出以下结论：

（1） 大孔径螺旋钻孔高喷工艺采用螺旋机械手段辅助破岩，在相同的地层参数、孔距、孔深以及喷浆压力条件下，相较传统的小直径高喷施工工艺，采用更大的钻孔直径可以获得更好的破岩效率与地层适应性。

（2） 相较于传统的高喷工艺，大孔径螺旋钻钻喷一体式施工方法由于省去了引孔工序，喷杆提升速度快，提高施工效率的同时，更易形成近似等厚的墙体。大直径钻孔有利于钻孔之间地层的切割效率，螺旋翼片返渣可以将地层中的卵石和块石返渣排出，拥有更好的地层适应性。通过开挖检查和钻孔取芯外观质量检测，试验段墙体并不存在明显的墙体开叉、漏喷、墙体沉渣、离析断墙等质量缺陷，墙体总体连续、完整。

（3） 对采用大孔径螺旋钻高喷试验段墙体进行墙体检测试验，结果表明钻孔芯样侧面光滑，胶结较好，平均渗透系数均小于抗渗设计值；在试验墙段使用高密度电法仪进行渗透性能探测，结果发现墙身并无明显渗漏区域，可以获得良好的成墙效果。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：

The borehole diameter of traditional high-pressure jet grouting technique for cut-off wall construction is mostly small due to the equipment limitation.It is difficult to drill in pebble and boulder formations and the drilling，cutting and shotcrete lifting efficiency is low.By improving traditional high-pressure jet drilling equipment，large-bore helical drill was used to assist the drilling of the high-pressure jet grouting cut-off wall，and the high-pressure fluid jet device（pipeline and nozzle）was embedded in the drilling tool，which realized the integrated construction of drilling and jetting.Based on the Luotang Town flood control project in Wan′an County，Jiangxi Province，the cut-off wall construction test with large-bore helical drilling high-pressure jet grouting was carried out，and the wall-forming effect was verified by combining numerical calculation analysis，indoor test and field test.The results showed that under the same formation parameters，hole spacing，hole depth and grouting pressure，larger boreholes and helical drill could obtain better rock breaking efficiency and stratum adaptability compared with the traditional small-bore high-pressure jet.The results of the wall excavation test，core penetration test and high-density electrical detection test show that good wall forming quality can be obtained by using large-bore helical drill high-pressure jet grouting technique.

Key words：

cut-off wall；helical drill；high-pressure jet grouting；large-bore；integrated construction of drilling and jetting