砂卵石地基二重管高压喷射注浆施工技术及应用

熊志平 程 旭 李志强

(湖北盛达泰水利水电工程有限公司，湖北 武汉 430060)

高压喷射灌浆在水电水利行业中除应用于地基加固外，更广泛地应用于水工建筑物的防渗工程中。与一般的地基加固相比较，建造高压喷射灌浆防渗墙有不同的特点与要求。由湖北盛达泰水利水电工程有限公司承建的湖北省汉江堤防加固重点工程(府澴河段)第三标段堤身砂卵(砾)石基础防渗处理工程采用了二重管高压喷射注浆施工技术，施工质量得到了保证。

1 工程概况

湖北省汉江堤防加固重点工程(府澴河段)第三标段位于湖北省孝感市孝南区府澴河澴右堤，深层水泥土搅拌桩防渗墙加固堤段总长5216m，起止桩号分别为13+984～15+200、15+500～16+600、17+600～20+500，合同工程量78240m2。其中汉十高铁桥下(澴右15+982～15+950.8段)和110kV高压线(澴右16+070～16+042.8段)两处净空均不能满足水泥搅拌桩桩机架设施工要求，因此上述两段采用高压旋喷桩防渗墙施工。涉及区域地层主要由砂卵(砾)石、壤土、黏土、粉细砂组成，局部有少量淤泥质土。根据地勘孔地层分布情况和施工技术对比，本工程高压旋喷桩采用砂卵石地基二重管高压喷射注浆施工技术，同时根据现场生产性试验选取最优参数组织施工。

2 技术原理

2.1 高压喷射灌浆技术原理

a.高压喷射灌浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层预定位置，采用高压设备使浆液或水、空气成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体(即旋喷桩)，达到加固地基或止水防渗的目的。

b.根据喷射方法的不同，喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。

c.单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。

d.二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。

e.三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生的高压水流周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入被切割、破碎的地基中，喷嘴做旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在土中凝固，形成较大的固结体，其加固直径可达2m。

f.旋喷桩的直径参考值参见表1。

表1 旋喷桩的直径参考值 单位：m

g.通过对高压喷射灌浆技术原理的分析，结合现场施工中出现的砂卵(砾)石地层易塌孔情况，不宜采用三重管法，即钻机钻孔后拔出钻杆，再插入旋喷管。相比单重管法、二重管法当采用旋喷注浆管进行钻孔作业时，钻孔和插管二道工序可合二为一。当第一阶段贯入土中时，可借助喷射管本身的喷射或振动贯入，有效解决可能出现的塌孔问题。结合项目设计的成桩搭接厚度最小指标不小于0.34m,为保证成墙厚度和经济的合理性，选择二重管法进行施工技术原理分析并结合试验论证在传统工艺上进行改良，形成新的施工技术。

2.2 高压喷射灌浆(二重管)技术原理

a.本施工技术采用二重管法，即通过带有喷嘴的注浆管将经过高压设备加压的水泥浆和空气高压喷射浆气流束，送入不同深度的砂卵(砾)石地层，冲击、切割、破碎土层，由水泥浆置换土颗粒或充填砂卵石空隙，最后形成直径600～800mm的固结体。根据测量定位的孔位分序施工，保证一定搭接厚度，使连续柱状固结体形成一道截水幕墙，达到止水防渗或加固地基的目的。依据地基及设计指标，根据三种不同的压力，得到符合设计要求桩径的施工参数。

b.二重管旋喷桩机水泥浆液射流成孔见图1。

图1 二重管旋喷水泥浆液射流成孔示意图

c.二重管旋喷桩机注浆施工示意，类似图1。

d.二重管旋喷桩机分序桩位示意，参见图2。

图2 二重管旋喷桩机分序桩位示意 (单位：mm)

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

3.1.1 高压旋喷施工工艺流程

高压旋喷施工工艺流程见图3。

图3 高压旋喷施工工艺流程

3.1.2 高压旋喷施工参数确定

a.高压旋喷防渗墙施工前期，首先进行试验孔施工，试验孔施工主要确定孔深、孔距、气浆压力、浆液比重、注浆率、旋转及提升速度，试验孔施工结束后，进行钻孔取芯、注水试验、压水试验和开挖检查。计算出渗透系数并通过钻孔取芯试验得出芯体的抗压强度，通过开挖实体检查旋喷成墙厚度及成墙连续性。

b.砂卵石层、沙砾石层、砂土层二重管法高压旋喷防渗墙施工参数对照见表2。

表2 砂卵石层、砂砾石层、砂土层二重管高压旋喷防渗墙施工参数对照

3.1.3 高压旋喷防渗墙施工工艺

本高压旋喷防渗墙分两序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，相邻孔施工间隔时间不少于24h。注浆采用同轴二重管法高压旋喷灌浆。

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

a.做好技术交底、安全交底，熟悉施工图纸、设计说明和相关设计文件、施工规范，熟知质量要求。

b.对每一根桩进行编号，测出桩位处施工前地面高程。

c.现场技术员及桩机操作手、其他作业人员要熟知操作规程、施工步骤。

d.施工前应检查水泥的质量，桩机、搅拌机工作性能以及各种计量设备完好程度。

3.2.2 技术准备

a.孔位测放：根据设计要求，孔位中心偏差不得大于50mm，并在导向槽两侧设置桩位控制桩，以便施工过程中校核桩位。

b.下钻：控制钻孔的垂直度，高压喷射台车稳固就位后，先测量机台的水平度再开钻。下钻的倾斜度不得大于0.5%。

c.旋喷作业：旋喷管下钻到预定深度后立即输送高压风和水泥浆液，开始自下而上旋喷作业。旋喷过程中严格控制旋转和提升速度，根据冒浆情况随时调整。拆卸旋喷管时动作要快，并注意保持不小于0.5m的搭接长度。

d.水泥浆液的配制：根据每米有效桩长需要的水泥和水灰比的要求，一次配制完成一根桩所需的水泥浆液。

e.旋喷桩机操作员与送浆泵操作员应密切配合，发现异常情况及时通报。

3.2.3 施工要点

a.场地平整压实。

b.准确放样，按施工轴线开挖导向槽。

c.测量定位。根据清理出来的高压旋喷防渗墙导向槽边界，结合防渗墙孔位布置图，使用钢卷尺测放出每个桩位，并在导向槽两侧用全站仪设置控制桩，以便施工过程中校核桩位。

d.机具就位。高压喷射台车到达指定桩位后，自行将带有喷嘴的注浆管喷嘴头对准孔位中心，桩位对中误差不大于50mm,并用水平尺和定位测锤做水平校正。校正纠偏检查的同时，利用垂球(高度不得低于2m)从高压喷射台车正面和侧面两个方向进行检查，使高压喷射台车底座水平，导向架和注浆管应与台车底座垂直，倾斜率小于0.5%，并控制相邻孔间不出现反向倾斜。

e.钻孔插管(水泥浆液射流成孔)。高压喷射台车就位后，启动高压喷射台车边旋转边钻进。为防止泥沙堵塞喷嘴，喷嘴边射水泥浆液边插管。水泥浆液压力，一般地层不超过2MPa，砂卵石地层不超过3MPa。注浆管达到设计深度后停止钻进。

f.浆液配置。高压旋喷桩的浆液采用P·O42.5水泥，水泥浆水灰比1∶1，采用重量称量法配置，称量误差不大于5%，并用比重计经常检查浆液比重，误差不超过0.1。搅拌浆液时，先加水，然后加水泥，每次浆液搅拌时间不得少于2min。水泥浆从搅拌桶倒入储浆桶时，通过滤筛把水泥硬块剔出。

j.高压旋喷注浆：

喷射注浆前先检查高压设备和管路系统，设备的压力和排量必须满足设计要求。各部位密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂物，合格后方可喷射注浆。

旋喷作业系统的各项工艺参数都必须按照预先设定的参数加以控制，并做好提升(旋转)速度、浆量、浆液比重、压力、异常情况等记录。

喷射注浆时，先应达到预定的喷射压力，喷浆旋转30s，水泥浆与桩端土充分搅拌后，再边喷浆边匀速旋转提升注浆管，提升速度为10cm/min(砂卵石地基)、20cm/min(砂砾石地基)，至桩顶时停止喷浆。喷射注浆过程应避免中间停顿或中断，如因故必须中断时，立即查明原因及时分析解决，中断时间超过30min时，应将喷管提出孔外。恢复喷射注浆时，将喷管下到中断前位置以下0.5m进行搭接复喷，防止固结体脱节。

h.高压旋喷分序施工。高压旋喷防渗墙分两序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，同时Ⅰ序、Ⅱ序施工间隔时间不少于24h。

i.冲洗机具。喷射施工完成后，应把注浆管等机具设备用清水冲洗干净，防止凝固堵塞。

3.2.4 特殊情况处理措施

a.在喷射过程中，需中途拆卸喷射管时，搭接段应进行复喷，复喷长度不得小于0.2m。

b.高压喷射灌浆过程中，若孔内发生严重漏浆，采取如下处理措施：ⓐ孔口不返浆时，应立即停止提升；孔口少量返浆时，应降低提升速度；ⓑ降低喷射压力、流量，进行原位灌浆；ⓒ在浆液中掺入速凝剂；ⓓ加大浆液密度或灌注水泥砂浆、水泥黏土浆。

c.钻进暂停或终孔待喷时，孔口应加以保护。若时间过长，应采取措施防止塌孔。

d.在进浆正常的情况下，若孔口回浆密度变小、回浆量增大，应降低气压并加大进浆浆液密度或进浆量。

e.高压喷射灌浆过程中发生串浆时，应立即停止灌浆并封堵灌浆孔，先进行下一桩体施工，待间隔24h后再进行此桩体的施工，施工时需对灌浆孔重新扫孔，再进行高压喷射灌浆。

f.如在喷射过程中遇大块石层，应在正常旋喷的情况下，在块体另一端的两侧(或一侧，依钻孔情况而定)补增喷灌孔以确保搭接，或通过调整邻孔孔距以及相应参数进行处理。

4 材料设备

4.1 材料性能

满足设计要求，应采用合格的P·O42.5级普通硅酸盐袋装水泥以便计量，出厂日期不超过3个月。使用前，应将水泥的样品送自检试验室，合格后方能使用。

4.2 主要设备

二重管高压喷射注浆主要设备详见表3。

表3 二重管高压喷射注浆主要设备

5 质量控制

5.1 控制要点

5.1.1 施工技术准备

认真做好试桩工作，确定合理的砂卵(砾)石层施工技术参数、浆液配比和导向槽开挖深度。

5.1.2 钻孔(水泥浆液射流成孔)

施工前，保证高压喷射台车平稳牢固，孔位准确，喷射管倾斜度不大于0.5%，桩心偏差不大于50mm。孔斜一般要小于0.5%～1.5%的孔深。

5.1.3 灌浆

浆液制备，严格控制按生产性试验确定的水灰比、气压和浆液压力进行。在旋喷过程中，应防止泥浆沉淀、浓度降低。

5.1.4 检查施工记录

随时检查施工记录和质量检查记录表，对照施工参数和技术要求对每根桩进行质量检查控制。现场技术人员准确记录施工数据和质量检验表。

5.2 质量验收

对高压喷射防渗墙固结桩墙体的质量检验可采用开挖检查、钻取岩芯、压(注)水试验等多种方法进行。质量检验一般在高压喷射工作结束后28天进行。根据检验结果采取适当措施保证成桩墙体的质量。

6 安全措施

制定安全生产责任制度，并在醒目处张挂安全示意牌。安全员专职负责安全生产工作。实行安全交底制度，正确使用个人防护用品和安全防护措施。施工用电必须符合《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ 46—2005)的要求。高压喷射台车由专人管理、专人操作，严格遵守《建筑机械使用安全技术规范》(JGJ 33—2012)。

7 环境保护

严格执行环境管理体系标准，加强环境保护宣传、教育，建立完善的环保施工纪律。对水泥、石灰细颗粒散体材料遮盖存放；注重施工现场的卫生；充分利用返浆、控制水泥浆液的拌和量，降低对环境的污染。

8 工程效果

8.1 经济效益

湖北省汉江堤防加固重点工程(府澴河段)第三标段高压旋喷桩经济效益分析见表4。

表4 常规工艺与本施工技术造价对比表

经测算，采用本施工技术施工的高压旋喷桩防渗墙比常规高压旋喷桩防渗墙施工节约工程造价18.24万元，节省造价比例18.2%，经济效益显著。

8.2 社会效益

采用本施工技术解决了砂卵(砾)石地层高压喷射灌浆成孔后易塌孔、缩孔的难题，取消了护壁成孔，减少了钻机设备及护壁材料的投入，简化了施工工序，加快了施工速度，缩短了施工工期，优化了施工方法，降低了施工成本。

8.3 节能环保

a.减少了钻孔设备及护壁材料的投入，减少了资源的消耗和施工设备噪声污染，以及废弃水泥浆可能带来的环境污染，节能环保效益显著。

b.采用水泥浆液射流成孔，缩短了高压旋喷成桩时间，加快了施工进度，从而对建设施工区周围环境影响时间缩短。

9 结 论

a.本施工技术主要适用于砂卵石、砂类土、黏性土、黄土和淤泥等各种土层，尤其适用于卵(砾)石含量小于60%、粒径小于50mm的砂卵(砾)石地层。对于易塌孔的砂卵(砾)石地层、上部空间受限制、不具备大型设备和工作条件的防渗墙工程本施工技术普遍适用。

b.本施工技术有效解决了钻机在砂卵石、砂砾层成孔过程易塌孔问题，减少了成孔工艺流程，减小了施工难度，加快了施工进度，经济效益显著。同时劳动强度低，施工程序简单，安全系数高，社会经济效益和节能环保显著，具有广阔的实用前景。