嵩湖堤除险加固工程射水造墙孔壁稳定问题探讨

黄鑫

（江西省水利水电开发有限公司，江西 南昌 330029）

1 工程概况

嵩湖堤除险加固工程坐落于抚州市临川区嵩湖乡辖区，位于抚河中游左岸及梦港河下游右岸，整个防护圈长度13.53 km，圩堤总长12.23 km。其中0+000～5+800堤段位于抚河中游左岸，7+100～13+530堤段位于梦港河下游右岸，两段堤中间5+800～7+100为大仙岭山，整个圩堤呈“∩”布置。圩堤（桩号0+000～5+780）位于冲积阶地上堤区地势较为平坦，岩性主要为第四系全新统冲积层。堤身填筑土主要取自堤内、外两侧地表，成分以壤土、粘土、粉质粘土、砂质粘土、细中粗砂为主。其中桩号3+400～4+490段通过射水造墙进行堤身堤基防渗，墙厚度均值22 cm，射水造墙施工全段堤顶现状混凝土路面宽4.50 m，路基宽度6 m。

2 射水造墙施工重难点

水利工程中常用的射水造墙施工技术主要通过pH灰渣泵等输浆设备输送泥浆，泥浆到达成槽器底部的喷嘴后在高压作用下形成高速流动的正循环泥浆流，切割破碎地层砂土卵石结构的同时，施工设备中的成槽器、钻杆、管道系统等均会在高速卷扬机的带动下沿上下向循环往复运动，对高速泥浆流切割凿碎地层土体起到辅助性加速作用。这一过程保证槽孔尺寸符合设计要求。成槽后，通过混凝土浇筑架上所设置的电动葫芦将料斗吊运至导管口，通过导管法浇筑水下混凝土平板槽，并借助平接技术建造地下混凝土连续墙结构。射水造墙技术对于粘性土、砂类土、人工填土以及粒径不超过100 mm的砂卵石地层均较为适用，当前市场上普遍使用的BF-30型、CFS-30型、SQ-30型射水造墙机结构中的开槽系统与混凝土浇筑系统大多按照一体化思路设计，与冲击钻、薄壁抓斗等同类型施工机械相比，具有更加稳定的工程性能，质量相对较轻，对承重要求及路面宽度要求相对不高，施工安全性好，且无需配备专门的混凝土拌和系统，施工成本节省。射水造墙施工过程中墙体规整且连续均匀，抗渗系数普遍在10-7cm/s以下，如果掺加加气剂，抗渗系数还能提升2个数量级；抗压强度基本能够达到10～30 MPa。

嵩湖堤除险加固工程桩号3+400～4+490 段堤身堤基射水造墙流水作业的过程中，先浇筑成单块混凝土槽板，再连接成连续的防渗墙体，这种双序法施工方式下，双序号混凝土槽板浇筑的同时必须和单序号槽板紧密衔接，所以成孔是前提，孔壁稳定是成孔的关键。

3 孔壁稳定控制措施

3.1 造孔过程控制

造孔是射水造墙施工过程的关键，造孔质量直接关系到成墙及除险加固工程施工质量，施工期间必须结合地质条件、地下水埋深，控制喷嘴射流压力及泥浆水流速、流量及成型器进尺速度，保证造孔施工质量。如果喷嘴射流压力过小、泥浆浓度不够，将影响造孔进尺和泥浆挟沙能力，增加孔内水渗漏，甚至造成砂土大量回淤及孔壁塌方、埋钻。如遇孔内严重渗漏水，必须通过补水方式保持孔内水位稳定，并在补水过程中适当掺加水泥，借助水泥浆固壁效果控制渗漏。终孔及洗孔时间主要影响回淤量，必须根据土质条件决定。嵩湖堤除险加固工程桩号3+400～4+490 段堤基射水造孔施工参数控制要求经验数据见表1。

表1 射水造孔施工参数控制要求表

3.2 射流口紊流控制

射水造墙施工主要通过射流口喷出的高速水流破坏地层，工程所采用的SQ-30 型射水造墙机有8 个喷嘴，在长2 m、宽0.22 m 的断面内切割地层，期间，喷嘴口紊流必将对切割地层周围孔壁造成破坏。为此，在成型器设计时可将喷嘴设置在成型器箱体结构中，借助箱体结构限制紊流破坏范围。

3.3 泥浆固壁

泥浆固壁是地基加固处理过程中普遍面临的施工环节，固壁泥浆静压力的大小主要取决于泥浆密度以及泥浆水头等参数。在射水造孔的过程中一旦孔壁失稳，泥浆便会承受因挤压而产生的压力，此时，泥浆强度和泥皮粘结强度便能及时发挥阻止孔壁滑塌的作用；与此同时，泥浆在流动过程中所产生的向上拖曳力也会为孔壁稳定提供帮助。根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》，孔内泥浆液面应控制在导墙顶面以下30～50 cm 的位置。考虑到射水造孔水流就是泥浆水，将高速流动的泥浆水不断射入孔内破坏地层，孔内浆液面较高，故射水造孔施工工艺下固壁泥浆静压力明显提高，并能充分利用泥浆向上流动的拖曳力，孔壁稳定更有保证。

固壁泥浆的供应必须及时，并保证槽内泥浆与槽口齐平。泥浆制备材料优先选择膨润土粉，根据施工现场试验，膨润土泥浆质量比具体见表2。不同施工阶段泥浆性能控制指标详见表3。

表2 膨润土泥浆配合比表

表3 泥浆性能控制指标表

3.4 地下水位的影响

嵩湖堤除险加固工程桩号3+400～4+490 堤段地面以下0.50～17.50 m 处为细砂卵石地层，首次造孔在高出地下水位0.35 m的孔口处进行，待造孔至地面以下4 m后反循环出渣管口出砂量突然增大，但造孔进尺却呈减缓趋势；5-10 min 后孔口四周约1.50 m范围内便出现一定程度的塌方。翌日地下水位略有下降，孔口高出地下水位0.54 m，在原孔位处重新按照施工方案造孔，所检测到的孔内泥浆密度达到1.40 t/m3；但是当造孔施工进行至地下5 m时孔口四周又发生二次塌方，塌方范围更大，施工技术人员通过低标号水泥浆将塌方处填筑处理后跳过两个孔位继续造孔，仍存在塌孔问题。10 d后该孔口地下水位降至0.80 m，再次造孔并将孔内泥浆密度控制在1.30 t/m3以上，造孔至地面以下7 m时原水泥砂浆填筑地层再次塌陷。技术人员通过分析认为，孔口以下5 m处的水泥砂浆层孔壁较为稳定，而造孔深度超出5 m 后便进入砂卵石地层，造孔时将孔位内砂卵石抽出后四周的砂卵石随即发生流动，填补孔位，同时架空水泥砂浆层，引发断裂塌陷。3 d后地下水位仍在下降，在孔口比地下水位高出1 m时造孔，泥浆密度至少1.30 t/m3，这次造孔较为成功，此后混凝土浇筑过程中也并未出现意外，单块混凝土槽板成型良好，且随着水位的持续下降，造孔时孔壁稳定性也越好。对于孔口比地下水位高出1.50 m及以上的情况，泥浆密度即使为1.20 t/m3，也能成功造孔。

为保持孔壁稳定，固壁泥浆密度理论值应采用以下公式计算：

式中：ρ—固壁泥浆密度理论值（t/m3）；r0—地基土干容重（kN/m3）；h—造孔点位地下水位（m）；α—造孔孔口高出地下水位的值（m）；rw—地基土饱和容重（kN/m3）；K—地基侧压力系数；H—造孔点位泥浆水深度（m），且H=α+h。

式（1）基于孔壁稳定的假设进行造孔过程中某一具体点位固壁泥浆密度计算，不考虑其他影响因素的情况下，该点位固壁泥浆侧压力与地下水静压力和孔壁侧压力之和相等。对于嵩湖堤除险加固工程桩号3+400～4+490堤段，应用简易方式所测得的砂卵石层土体干容重和饱和容重分别为20.41 kN/m3和21.98 kN/m3，内摩擦角42°。考虑到该工程造孔过程中踏空主要发生在地面以下5 m处，故选择地面以下5 m为计算点，根据《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》的要求，孔口高程应比地下水位高2 m，根据式（1）所得到的射水造孔孔壁稳定时固壁泥浆理论密度值为0.77 t/m3。

嵩湖堤除险加固工程桩号3+400～4+490 堤段具体施工过程中影响射水造墙孔壁稳定的因素很多，且泥浆密度一般在1.10～1.20 t/m3之间，如果按照1.10 t/m3的最低值以及现行施工技术规范计算，固壁侧压力必须大于0.154 MPa的倒壁侧压力，才能保证孔壁稳定。以此为标准绘制不同地下水位条件下固壁侧压力超出倒壁侧压力的压力差和固壁泥浆密度关系曲线，具体见图1。

由图1可知，当造孔孔口高出地下水位1 m时［图1（a）］，固壁泥浆密度应至少在1.20 t/m3以上，固壁侧压力超倒壁侧压力差才能升高至0.15 MPa 以上。当造孔孔口高出地下水位2 m时［图1（b）］，固壁泥浆密度应至少在1.10 t/m3以上，固壁侧压力超倒壁侧压力差才能升高至0.15 MPa以上。当造孔孔口高出地下水位3 m时［图1（c）］，固壁泥浆密度即使为1 t/m3（即使用清水），固壁侧压力超倒壁侧压力差也能升至0.15 MPa 以上。故实际施工过程中，必须将安全点设置在固壁侧压力超倒壁侧压力差0.15 MPa以上，才能避免塌孔，保持孔壁稳定。

图1 固壁侧压力超倒壁侧压力差和固壁泥浆密度关系曲线图

根据以上分析，射水造孔施工过程中孔壁稳定受地下水位的影响非常大，规范中有关造孔孔口应比地下水位高出2 m的规定是可靠的，但是在射水造墙工程实践方面，因设计及施工技术等方面的差异，在造孔孔口比地下水位高1 m、固壁泥浆密度1.30 t/m3以上时造孔施工也能取得孔壁稳定的效果。

4 结论

综上所述，射水造墙施工技术之所以工效高、质量事故少，很大原因在于成孔可靠、速度快。通过造孔过程控制、射流口紊流控制、泥浆固壁及地下水位控制等射水造孔护壁措施的实施，为嵩湖堤除险加固工程桩号3+400～4+490 堤段射水造墙施工过程的安全性及施工质量提供了可靠保证。文中的分析也为水利工程防渗墙渗漏加固施工提供了成功经验，射水造墙加固技术在江河堤防防渗、工民建深基坑开挖地下截水墙、围堰及水库除险加固等工程领域具有广阔的应用前景。