高压喷射注浆在某河堤公路路基加固工程中的应用

罗长林

(湖南佳林建设有限公司,湖南长沙 410016)

0 前言

我国是受洪涝灾害最严重的国家之一,因此防洪大堤得以大力兴建。在河流两旁防洪大堤一般作为公路使用。由于其位置的特殊性,河水渗流灾害时有发生,危及河堤内的居民和路上来往行驶车辆的安全,因此,防洪路堤防渗加固就必不可少,高压喷射防渗帷幕作为坝体防渗主要手段之一,其独特的优点,近年来在国内应用日益广泛。

当前,高压喷射注浆法的基本工艺类型有:单管、二重管、多重管法3种方法。其中二重管、三重管摆喷帷幕在工程帷幕中使用较多,也较经济合理。本文就某一工程实例,对采用3重管摆喷方式进行工程帷幕的设计方法及施工工艺作简明介绍,可供同类工程参考。

1 工程概况

本工程位于湘江支流捞刀河出口北岸,它是长沙市重要的蔬菜基地,亦是产鱼重点区。苏托垸防洪大堤长10.89 km,大堤筑在砂卵石基础上,防洪大堤长期作为公路使用,来往车辆络绎不绝。1992年汛期,在庆生塘7号、8号渔池段的大堤脚出现8处集中管涌,其中3处最大的管涌流量0.6m3/s,涌出地面1.0m多高,经全力抢救,幸免溃堤。1994年、1996年的高洪水位时又出现10多处涌砂冒水,带出大量泥沙,导致庆生塘600m长的堤段整体塌陷,大堤塌陷0.4～0.6m。并因此造成比较大的交通事故。2006年5月18日捞刀河水位35.88m时,又出现10多处涌砂冒水,大堤险情逐渐在恶化。有关部门决定全力根治路堤的安全隐患。

2 场地地质水文状况

2.1 地质情况

地貌属于捞刀河冲积地层,路堤地基分人工填土、粉质粘土为主。大堤基础由细沙、粗沙、砂卵石组成,属强透水层基础。基岩为第三系紫红色砂岩及元古代板岩。经钻孔揭露,从上到下土层依次是:

1)人工填土:成分为粉质粘土,中粗圆砾、碎石块以及少量卵石,结构松散,局部稍密,稍湿～湿,厚5.80～6.90m,堆积时间6 a以上。

2)第四系冲积层粉质粘土:可塑状态,所有钻孔均遇见该层,厚4.0～9.0 m。

3)第三层系细沙:松散～稍密,给配良好,厚1.5～2.7m。

4)卵石层:一般粒径为2～5 cm,部分粒径为7～8 cm,厚在1.5～5.9m。

Zk0+376孔第四层为元古代强风化板岩,约在Zk0+744孔是红色砂岩与表石板岩交界处,根据地质资料验证,该处存在断层破碎带,估计有漏水信道。施工部门曾提出补孔帷幕灌浆的报告,但未经批复,可能此处漏水信道未得到解决。另外大堤基础属于第四系冲积细纱和卵石层,透水层强,这是历年洪水期造成漏水信道的根源。

2.2 管涌调研

经过调研,村民们一致认为庆生塘、菜花塘路堤段,在这2 000多m大堤中有700多m渗漏严重,当地村民把它称为筛子堤。每到捞刀河汛期来临,外河水涨,大堤漏水就随即开始。尤以9号鱼塘至13号鱼塘、菜花塘和Zk0+376孔转弯堤下为甚,其中最大漏水孔管涌流量可达1.0 m3/s,涌水1m多高,沿堤村民们的几十座手摇水井都向上喷水,喷水水柱高度一般都高于1m,有的井喷到2m多高。捞刀河村40多hm2稻田普遍渗水严重。

3 方案设计

3.1 方案选择

目前国内防渗工程常采用的防渗堵漏措施有深层搅拌法、防渗帷幕法以及静压注浆法3种。针对本工程现状,本着安全性,经济性的原则,综合考虑多方面因素后决定路堤防渗加固采用高压旋喷形成防渗板墙的方法。其理由如下:

1)静压注浆适合于处理基岩、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土一般的填土层,而本工程场地主要漏水层为卵石层,因此不适宜采用这种方法。

2)深层搅拌法适用于处理淤泥,淤泥质土、粉土、含水量较高地基承载力标准值不大于120 kPa的粘性土等,当用于处理泥碳土或地下水具有腐蚀性时,宜通过实验确定其适用程度,而且该施工场地为河堤公路,考虑到尽量不影响交通情况等因素,因此不宜采用该方案。

3)高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、人工填土和碎石土等,高压旋喷注浆适用范围广,适合本工程的地质情况,因本工程主要漏水层为砂层、卵石层,且块径不大,又考虑本工程场地为河堤公路,因此选择高压旋喷形成防渗板墙的方案[1～3]。

3.2 高压喷射注浆原理

高压喷射的原理是将带有特殊喷嘴的注浆管通过钻孔置入要处理的土层的预定深度,然后将浆液(常用水泥浆)以高压冲切土体,在喷射浆液的同时,以一定的速度旋转、提升,即形成水泥土圆柱体;若喷嘴提升不旋转则形成墙状固化体,以提高地基承载力,减少沉降,防止砂土液化、管涌和基坑隆起,建成防渗帷幕,该技术在路堤防渗中是可行的。

3.3 高喷构筑防渗板墙的设计

3.3.1 防渗板墙位置的选定

河边路堤防渗位置的选择应根据渗透层的位置、防渗要求、河水水位(历史最高水位)等因素进行综合考虑。如果堤身和地基均存在强渗透层、且历史最高河水水位高于路堤强渗透层,存在浸水路基的情况时,地基和路堤均需处理,可从堤坝的迎水坡堤肩贯通基础以下形成堤身与基础的连续防渗墙,这种方法较容易实施;如果只有地基存在强透水层,河水水位较低,路基堤身防渗性好,则只需要处理地基,可对地基进行帷幕灌浆形成防渗墙,位置可选在迎水坡脚或稍后一点。本工程属于后者。施工轴线从0～1 626m布孔在内坡平台上,1 626～2 074m布置在大堤顶轴线上。

3.3.2 防渗墙厚度的确定

灌浆形成的防渗墙厚度,根据资料表明是不等厚的,墙体厚度是一个假定厚度。单排钻孔时墙体厚度是指钻孔两侧平均影响范围,可取孔距的0.17～0.18倍,多排钻孔时可取最外两排钻孔中心距加上两侧边排孔距的0.16～0.17倍。目前常用帷幕允许坡降[Jc]来校核防渗墙厚度,各种厚度的允许坡降参考表1。

表1 防渗墙厚度允许坡降

设计时以防渗区上端的坡降不大于允许坡降的条件来校核防渗厚度:

J=(2+L1)/L2≤[Jc]

式中:L1为防渗墙深度;L2为防渗墙厚度。

若不满足上述条件时应加大帷幕厚度[4]。

3.3.3 浆料的选择

目前注浆材料有粘土浆、水泥浆、掺和浆三类,其中用的最广的是水泥浆液。它适用于各种基础透水层的帷幕防渗灌浆,水泥级别在425以上。

3.3.4 本工程的注浆参数设计

防渗板墙轴心线布孔分别沿堤顶轴线和堤内坡一级平台中心线上,高喷防渗板墙呈折线型。喷射方向与板墙轴线夹角15°。分两序施工,孔距2m,其高喷深度构筑防渗板墙高度5.7～10.5m,个别孔也有达到12m的。钻孔深度15.0～20.8m、摆角25°。施工参数见表2。

3.4 施工工艺

为选择高喷技术工艺参数在本工程应用中的可行性,在桩号Zk0+448围井进行了试喷,其深度从基岩石至内堤平台上,喷射深度为16.50m,经开挖3.5 m检查,其墙体厚0.25～0.3m,经注水实验,基本不渗水,高喷墙体表面均匀连续,具有明显规则性与方向性,墙体的轮廓分明、清晰。喷射直径达2.4 m,水泥土固结良好,质量可靠。说明实验先定的施工参数基本合理,这是保证施工质量措施之一。通过现场施工工艺试验,经施工单位推荐,监理单位审批,设计方认可确定了现场施工工艺参数。其工艺流程见图1。

表2 高压喷射注浆施工参数列表

图1 高压喷射注浆施工流程图

3.5 质量保证措施

为了确保注浆质量,特设置了以下质量确保措施:

1)建立健全组织机构,项目经理部成立施工质量监组,组成工程师8人小组,跟班检查督促,发现问题及时汇报,研究解决。这是一支施工打硬仗的技术队伍,对保证质量起着重要作用。

2)根据实地情况,工地编写“高压喷射灌浆技术规定”,使施工有章可循,当技术规定制定后报监理单位审批,并组织工地工人学习讨论规定的技术措施,尤其是工艺参数,使工人整体掌握,把技术规定要求交给广大工人群众,在施工中认真执行,如有违章,则罚款处理,由于措施得力,在这次施工过程中,基本做到了没有违章操作的。

3)水泥检测:这是保证水泥质量的重要措施。水泥现场抽样检测建立制度。根据工地制定的“高喷技术规范规定”指定专人现场检测试验,严格执行这个规定,凡运来工地的水泥必须经过抽样检测;对不合格的水泥拒绝使用,从而保证水泥浆液成墙的可靠性。

4)建立健全钻孔和下喷杆及终孔验收制度:终孔验收,必须经现场跟班工程师检查后,签字验收,这对保证高喷成墙质量起着积极作用。

3.6 特殊情况的处理

1)对弯道折线、折点的处理:弯道较多的部位如Zk1+600～Zk1+650处,采用折线布置,为保证折点处墙体良好的搭接,对位于这点两侧的孔进行特别规定,如喷射前必须由技术人员现场调整喷射方向,并加大喷射水压力,降低提升速度等措施,以保证高喷墙体的连续性。

2)喷射中断的处理:凡因机械故障及停电中断高喷工作时,未超过2 h,中断的部位下管0.1m可以连续工作,凡中断超过3 h以上的,用钻机扫孔即可工作。

3.7 水泥用量分析

水泥用量单耗分析:本工程水泥用量为6 489.96 t,完成高喷板墙板墙进尺8 630.7 m,每1m耗用水泥753.86 kg,水泥单耗偏高。其原因有4点:一是堤身裂隙多,除了在工艺上采取一系列的措施,据不完全统计,高喷施工时孔口不返浆的有108个孔,占全工程孔数10%,这些孔每孔多灌水泥量7～9 t;二是空洞连通,水泥浆外溢多,堤外河床及堤内鱼塘均跑浆严重,如庆生塘的9～13#渔塘,由于水泥浆向渔塘的中部廷伸,导致养鱼死光;三是2002年汛期抢险形成的冒沙孔就有10余处,导致水泥浆用量增大;四是串浆的多,由于堤身渗漏严重,引起堤身空隙多,灌浆时这些部位大量吸浆。其最重要的还是由于卵石粒径普遍偏大,多数孔打出的卵石粒径在6～8 cm以上。所以本工程水泥单耗用量增大是必然的趋势。

3.8 质量控制措施

1)造孔分两序施工,施工队伍进场后,组成一支工程师质检队伍,严检工程质量,每个机组必有工程技术人员跟班作业。用冲击进钻或旋转进钻2种,造孔开口直径冲击进钻Φ146旋转用Φ110或Φ130进钻,造孔斜率不超1.5%,否则用回填纠偏法修正,为了解决砂卵石层进钻难的问题,采用了我们研制的A、B、C、D化学固壁泥浆,不同的地层采用4种不同的固相泥浆处理,这样在造孔过程中,消除了缩孔卡钻和塌孔的不正常现象,钻孔成功率达到100%,同时做到一周时间内高喷管可直插到设计高程,免除了施工时的跨孔和大量跑浆的危害,大大提高了功效。使我们按施工组织设计顺利完成,它不仅加快施工速度,且降低了工程造价,这是高喷施工技术运用上又一新的成果。本工程堤段由于历年洪水作用下,空洞多。化学固相泥浆比重不大于1.06,膨胀系数大于8倍,经过实践保证14 d不跨孔,不固化,本工程采用这一新措施,不仅保证施工质量,同时促进了施工进度。

2)高喷灌浆:要求进浆比重达到1.6,返浆比重不得少于1.2,为了保证板墙与基岩有良好的胶结性能,喷浆管下到孔底时必须静喷5m in,这是改善板墙底部拉应力的一项重要技术措施。

3)回填灌浆:是保障成墙的一项成熟的技术措施,当喷射作业全部完成后,从孔口注入纯水泥浆,下沉一点就加上一点,直到浆面不下沉为止。我们组织专人管理这个工艺,做到及时可靠,确保了高质量成墙。

4 围井开挖及围井注水试验,考察板墙质量

1)开挖围井,建在桩号224#处成四边形布置(见图2),经过28 d时间于3月2日开挖3.5m深,四周墙面清晰,墙体密实,围井板墙从基岩面直至轴线平台,测量墙体半径可达1.4m,墙厚达到0.35 m开挖。经注水实验,其观测37 d,水面基本不下沉。测算K值为1×10-7cm/s,防渗板墙其实反映高喷板墙的防渗能力,实验满足设计要求。

图2 224#挖井孔位布置图

2)围井进行注水实验,试验结果见表3。围井构筑施工完成16 d后,在围井中心造孔安装注水管(图3),用工程地质钻配合合金钻头清水进钻,钻孔孔径Φ91 mm,距离围井底部0.5m处终孔,采用下部为花管Φ50mm聚乙烯注水管,花管长0.5m,注水管与封顶处用海带和浓水泥浆密封止水,注水实验稳定标准按“水利水电工程钻压水试验规程”执行。

表3 围井注水试验成果表

图3 2-8#围井孔位布置图

5 路堤加固结果分析

灌浆期间大堤两旁的塘水、河面均冒水泡。尤以500#孔至920#孔表现为甚。这段大堤1 000～2 000m处内坡全是鱼塘,属于两水夹一堤,灌浆时,虽然沿二级平台全都打好了围浆土埂,但由于灌浆时确保了气、水、浆压的设计数据,水泥浆在高压力的作用下,沿着大堤下的卵石孔隙压到鱼塘底下,使灰浆从塘底冒出,在塘水面上雨下在水面上冒出水花,以9#～13#渔塘为甚。11#鱼塘在施灌前放干1次,灌浆时水、气、浆便从塘底稀泥中冒出,靠堤岸边的菜地沟中也冒出朵朵白泡。沿大堤一带的河面也在施灌中溅起串串水花。

大堤施灌前虽然打好了埂,堵住了高喷部分返出地面的余浆,但由于填充水泥浆在高压作用下,顺着通道压到了鱼塘底,使塘水碱性化,以至9#～13#鱼塘均有死鱼的现象,尤以10#鱼塘为甚,仅这口鱼塘就死去大小鱼3 500多斤。对此,这有力地证明水泥浆液一直充填到了塘底砂卵石层,堵住了漏水通道。

特别是大堤150#～380#孔一线之下的泥沙滩上,多年来这里由于大堤渗水,成了沼泽地,长满了半人高的水草地面到处可见。一连串的渗漏集水坑,坑洞水深0.5～1.0m,终年不干枯。这次灌浆后,沼泽消失了,连那些集中渗漏的坑坑洼洼也全干枯了。过去沼泽旁排渍港边有几处常年渗水的地方如今也全消失了。这些现象表明此段大堤的渗漏由于灌浆的成功已被堵住了,说明本段大堤漏水信道基本堵住。

通过上述现象,根据开挖围井检查,高压灌浆防渗板墙墙体Ⅰ、Ⅱ序孔交结密实,层次清晰,通过墙体21个取芯达到设计标准,强度均大于5.0MPa,通过围井注水试验测得渗透系数K值为1×10-8～1×10-7cm/s,允许坡降j≥50。本工程高压喷浆多项指标均能满足设计要求,施工质量优良,达到了设计预期目的,从施工进度上看,施工任务在合同规定的期限内如期完成,多项指标满足合同要求,可认为合格的优良工程。

6 结论

本沿河路堤防渗工程采用高压喷射注浆形成防渗板墙的施工方案效果良好,工程竣工后,种种现象表明大堤漏水信道被防渗墙基本堵住。实践证明高压喷射注浆对坝体防渗堵,安全性强,耐久性好,易于施工,防渗堵漏效果佳,对本地区同类型的坝体防渗加固工程具有一定的借鉴参考价值。

[1]江正荣.地基与基础施工手册[M].北京:中建筑工业出版社,1997.

[2]林宗元.岩土工程治理手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1993.

[3]叶书皎,韩 杰,叶观宝.地基处理与拖换技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[4]钟社教,肖尊群.高压喷射防渗帷幕在河堤防渗工程中的应用[J].工程建设,2006,36(5):43-46.