鉆灌一體成套設備及施工工藝在基礎處理工程中的應用

何曉寧

(新疆呼圖壁縣水利水電勘察設計所,新疆 呼圖壁831500)

鉆灌一體成套設備是在普通高壓噴灌基礎上發展起來的,它將普通高壓噴灌的成孔與灌漿兩個割裂的施工工藝融合成一個連續的工藝,下鉆即成孔,提鉆即灌漿,徹底改變了普通高壓噴灌的鉆灌脫節施工工藝,使成孔與灌漿構成了真正意義上的鉆灌一體化,工藝合理,質量可靠,效率提高,產生了較大的經濟效益[1,2]。鉆灌一體技術是一種改進的高噴灌漿造墻方法,主要適用于砂及砂性土、淤泥質土、粉土、粉質粘土、砂礫石層、卵礫石層和漂石地層的基礎防滲加固處理。

1 鉆灌一體成套設備及工藝優勢

1.1 鉆灌一體成套設備

鉆灌一體成套設備是為地基防滲加固而專門設計的,用深層攪拌法的步履式臺車代替鉆機和高噴臺車,在步履式臺車的平臺上安裝調速電機,用連桿將調速電機和步履式臺車上的磨盤連接。鉆灌一體高壓噴射臺車由船體和支架兩部分組成,船體上分布有供鉆桿旋轉的磨盤、為磨盤提供動力的電動機、擺動機構和提升機構,臺車行走采用液壓油缸,鉆桿的提升和下落通過提升裝置與支架連接的鏈條完成。如圖1所示。(其中,1—步履式臺車,2—操縱臺,3—變速機構,4—加壓提升裝置,5—轉盤,6—鉆(噴)桿,7—鉆架,8—鏈條,9—空壓機,10—高壓泥漿泵,11—攪拌機,12—高壓膠管,13—三通,14—軟氣管,15—擺動機構,16—水龍頭,17—鏈輪,18—鏈輪,19—動力裝置,20—傳動裝置,21—泥漿泵,22—儲漿筒,23—水筒,24—鉆頭。)

圖1 鉆灌一體機地基防滲加固方法的示意圖

1.2 工藝優勢[3～5]

(1)解決了噴嘴附近墻體過薄的問題:鉆桿鉆進時,利用高壓液體介質,對鉆桿周圍的土層進行切割,使鉆孔的直徑成倍增加,為水泥漿高噴成墻(樁)及減少高壓水泥漿、氣的能量損耗提供了條件,解決了噴嘴附近墻體過薄的難題,保證成墻的長度和成樁要求的直徑,以及連接的可靠性。

(2)提高鉆孔垂直度:鉆桿鉆孔時,高壓液體介質切割鉆桿周圍的土層,使其成為流塑狀態,鉆桿在重力作用下,在槽孔內成自由鉛直狀態,保證了連續墻的垂直度,從而避免了墻體的開叉。

(3)解決了成孔難的問題:在鉆進過程中,高壓噴射介質切割噴嘴周圍的地層,形成流塑狀態的混合體,由于是鉆灌一體,即:鉆至設計深度后立即提升進行高噴灌漿,因此解決了砂及砂礫石、淤泥等地層中成孔困難的問題。

(4)提高防滲效果:由于擴孔作用和鉆桿的垂直度,使得形成的墻體很好地連接在一起,提高了防滲效果。

(5)降低成本:傳統的高噴孔口排泄大量的水泥漿,水泥用量較大,而往復高噴孔口排泄的主要是鉆進時高壓介質切割地層而形成的地層混合漿液,減少和節約了水泥用量,與一般高噴相比,能降低工程造價的1/3～1/4。

(6)提高工效:鉆進和高噴灌漿融為一體,用射流鉆進,在經過往下鉆進后,往上切割成墻的提升速度加快,提高了整體工效。

(7)鉆桿提升靈活,機具穩定性好:首先,由于鉆機成孔時,孔的直徑成倍增加,在高噴灌漿時,水泥漿在繼續切割地層的同時,一部分用于切割新的地層,另一部分在高壓作用下,擠壓孔(槽)內的原地層顆粒混合漿液并將其排出孔外,這樣只要在孔口排出原地層顆粒的混合漿液,高噴時鉆桿就可以提升,使得機架和機具的剛度增加,穩定性好,避免了傳統高噴孔口排水泥漿時才能提升噴射管的缺點。其次,鉆桿采用方形,增加了鉆桿提升、旋轉及擺動的牢固性和穩定性。

(8)減少環境污染:由于噴灌過程中形成的水泥漿留在孔內,因此廢漿排放量少,從而減少了對環境的污染。

(9)解決了常規高噴在密度高且厚度大(卵礫石厚度超過15 m)的卵礫石層和塊石地層造孔速度慢的問題:鉆灌一體技術將常規高噴灌漿先鉆機成孔,再噴射的工序合二為一,它所采用的鉆灌一體機既能鉆孔,又能同時高噴灌漿,做到一機兩用,減少了施工工序,避免了常規高噴鉆機和高噴臺車雙機施工的干擾。鉆噴一體機發揮鉆孔和噴漿的雙重功能,并在鉆進和提升中一次性完成,不存在空孔待灌的過程,也就不存在塌孔、埋鉆桿和噴漿管下不去的情況,因此解決了常規高噴在砂及砂礫石、淤泥等地層成孔難的問題,使一些常規高噴受限制的地層也能采用鉆噴一體技術進行施工。

2 鉆灌一體技術的施工工藝

2.1 施工原理[6,7]

鉆桿內安裝漿、氣高壓噴射管路和射水管路,配備輸送漿、氣和提升的設備,將鉆噴一體的步履式臺車移至鉆孔位置,進行高壓噴射。一邊鉆進,一邊切割地層,擴大鉆孔直徑,同時使土層制成的混合漿液對孔槽進行護壁。當鉆至設計深度后,將高壓液體介質轉換成高壓水泥漿或水泥混合液體,并輸送高壓氣,同時關閉高壓液體管路,由下而上進行高噴,直至高噴孔口設計高程,形成水泥混合凝固體——板(樁)墻帷幕。圖2鉆進成孔圖,鉆頭上方兩側噴嘴,在鉆孔時,噴出的高壓液體介質為水、氣,切割地層,細顆粒隨混合液體排出孔外,形成比鉆桿大的孔徑。圖3鉆灌一體及機鉆孔與鉆機成孔比較圖,內圓是常規鉆機成孔,外圓為鉆灌一體機成孔,

圖2 鉆進時成孔圖

圖3 鉆灌一體成孔與鉆機成孔比較

2.2 施工工藝流程[8～10]

(1)鉆孔(下鉆噴管):由于鉆桿即是鉆噴管,因此鉆進的同時即下鉆噴管,直至設計深度。

(2)擴孔:定好噴射方向和擺動角度,然后按高壓噴射灌漿標準及要求送入氣、水,按操作規程規定提升和擺動速度,自下而上地邊噴射邊擺動邊提升,直至設計頂高程。然后,再次鉆進至設計底高程。

(3)噴射灌漿:當鉆噴管鉆至設計深度后,按高壓噴射灌漿標準及要求送入氣、漿,按操作規程規定提升和擺動速度,自下而上地邊擺動、邊提升、邊噴射灌漿,擺噴灌漿結束后,檢查漿液是否注滿灌漿孔。

(4)回灌:當噴射漿液完成后,孔內漿液還在不斷沉淀、析水,導致液面不斷下降,因此噴射結束后,還要利用回漿向孔內補充漿液,直到液面不再下沉。

(5)清洗:一孔噴完后應迅速移至下一孔。如因移位或故障等原因停止灌漿1～3 h時,為防止管路堵塞,應將各管路沖洗干凈,不得留有殘渣。

3 在不同地層中的應用實例

3.1 應用實例1(在砂礫石層和卵礫石層中的應用)

3.1.1 試驗概況

紅山水庫位于天山北麓新疆昌吉州呼圖壁縣大豐鎮。水庫的巖性以蒼棕色、灰綠色、磚紅色的砂質泥巖、泥巖為主。水庫的主要問題有大壩東壩肩壩體及壩基防滲性差,且有繞壩滲流的嚴重現象。故需對壩體進行防滲處理。

本次試驗在防滲墻施工軸線上布設16個試驗孔,其中9個旋噴孔,7個擺噴孔。鉆孔深度按加密勘探孔的深度,旋噴樁底高程按加密勘探的底高程,此段基巖高程719.728 m,壩頂高程731.428 m,噴頂高程728.000 m。

其中1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#孔用于確定旋噴樁的施工工藝參數,8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#用于確定擺噴的施工工藝參數,15#、16#用于常規高噴技術和鉆噴一體技術的效果對比。

3.1.2 試驗工藝及參數

根據試驗開挖結果,項目業主、設計、監理和施工單位共同研究定出施工孔的工藝參數,采用的施工工藝參數見表1。

表1 紅山水庫應用鉆灌一體技術的施工工藝參數

3.1.3 試驗結果

根據任務要求,高壓旋噴灌漿段長度238 m,鉆孔298個,完成的工程量為高壓旋噴漿進尺1 917.86m,粘土層鉆孔進尺2 938.332 m,巖石層鉆孔進尺298m,砂礫石層鉆孔進尺512.932 m,質量合格孔2個,優良孔296個,優良率99.32%。

質量檢測報告:

(1)水利部基本建設工程質量檢測中心的檢測結果見表2(試驗段水平方向取芯室內檢測)

表2 水利部的檢測結果

(2)冶金工業部勘察研究總院的檢測結果見表3與表4(施工段現場壓水試驗)。

(3)新疆水利水電勘測設計研究院試驗研究所的檢測報告見表5(施工段垂直方向取芯室內檢測)。

從質量檢測報告可看出,滲透系數指標高于設計標準(10-5)(實驗數據10-7～10-9)

3.2 實例2(在漂石層中的復噴試驗)

3.2.1 試驗概況

本次試驗是在新疆貢拜溝水庫漂石層上進行的,開挖后可直觀看到高噴板墻的噴射長度、厚度及形狀等。各地層、巖層及土層的巖性和物理力學性質不同,施工前先進行現場試驗,在不同的施工場地,選擇不同的施工工藝參數,觀察防滲效果。

表3 冶金工業部的檢測結果一

表4 冶金工業部的檢測結果二

表5 新疆水電設計院的檢測結果

在樁號G0+233.6～G0+236.6段作4個旋噴樁的復噴試驗。該試驗段頂高程1 239.376 m,底高程1 231.176 m,灌漿深度8.2 m,其中粉土層灌漿2.7 m,卵礫石層灌漿2.2 m,漂石層灌漿2.6 m,基巖灌漿0.5m。

采用孔距為1 m單排布孔,不分序的連續施工。采用160 mm的牙輪鉆進行鉆孔,成孔后,將漂石層的鉆孔用粘土球充填密實,然后在漂石層中進行復噴試驗,即進行兩次高壓噴射處理。

3.2.2 試驗工藝及參數

(1)漂石層第一次噴射:由于鉆桿即是噴射管,因此在下鉆桿的同時即下噴射管,當到達漂石層頂部時,進行第一次噴射。其參數見表6。

表6 第一次噴射的施工工藝參數

(2)第二次噴射灌漿:第一次噴射灌漿至基巖的設計深度后,開始提升,進行漂石層的第二次噴射,噴射至地面。其參數見表7。

(3)回灌:當噴射漿液注滿鉆孔后,孔內漿液還在不斷沉淀和析水,導致液面不斷下降,因此噴射結束后,還要利用回漿向孔內補充漿液,直到液面不再下沉。

3.2.3 試驗結果

通過開挖檢查,兩次復噴,可看出在漂石層中的搭接是良好的。在漂石層下部(高程1 232 m處)用巖芯鉆機鉆孔,取芯長度約30 cm,此時取芯鉆孔內有明顯的水頭涌出,從而證明了這種工藝能夠有效地在漂石中截滲。

表7 第二次噴射的施工工藝參數

3.3 實例3(在粉土、粉質粘土中的擺噴試驗)

3.3.1 試驗概況

本次試驗是在新疆貢拜溝水庫前壩角上游粉土層上進行試驗,開挖后可直觀看到高噴板墻的噴射長度、厚度及形狀等。各地層、巖層及土層的巖性和物理力學性質不同,施工前先進行現場試驗,在不同的施工場地,選擇不同的施工工藝參數。

3.3.2 試驗工藝及參數

在施工軸線上平行布置5個高噴灌漿孔,分別為1#、2#、3#、4#、5#,擺角30°。鉆孔深度3 m。施工參數詳見表8與表9。

表8 擺噴試驗的施工參數

表9 擺噴試驗的施工記錄

3.3.2.1 施工工序及技術要求

(1)主機就位:將主機移至待鉆孔位,在定孔位時,一定嚴格按照設計放樣定孔位,其誤差不得大于2 cm,并用木樁固定,同時在施工軸線5～10 m范圍內設置控制樁。

(2)主機調平:主機就位后,調平機臺,使主機主軸垂直地面,孔的斜率不大于0.5%,在鉆進過程中,出現偏差,隨時調整。

(3)造孔:由現場技術人員確定應施工的孔號及木樁,機臺人員使鉆機就位、整平,做好開孔前的準備工作。首先把鉆機對準孔位,用水平尺掌握機身水平,立軸垂直,墊穩、墊牢、墊平機器,經技術人員檢測合格后方可開鉆,如發現鉆機傾斜,則停機調平后再開鉆。鉆孔深度應大于設計孔深的0.2～0.5 m。

3.3.2.2 漿液制備

采用普通硅酸鹽水泥32.5R(比重不小于1.48)。采用攪拌機制漿,定期檢查材料摻量及漿液比重,應嚴格控制漿液配比。檢查各項工藝參數符合設計要求,在噴射管下到設計深度后,將噴嘴對準噴射方向。按預定的提升和擺動速度自下而上地邊噴射、邊擺動、邊提升至設計高度,停送氣、漿。制漿過程中應定時測量漿液的相對密度,高壓噴射灌漿結束后要統計該孔的材料用量。

3.3.2.3 回灌

為解決凝結體頂部因漿液析水而出現的凹陷現象,每次噴射結束后,隨即在噴射孔內進行靜壓充填灌漿,直至孔口液面不再下沉為止。回灌漿液一般采用鄰孔高壓噴射灌漿冒漿自流充填。

3.3.2.4 主要材料

普通硅酸鹽水泥32.5R。特殊條件下加速凝劑、粉煤灰等材料。

3.3.3 試驗結果

通過開挖,使整個板墻裸露出來,可直觀地看到成墻情況。開挖狀況見表10。

表10 開挖狀況一覽表

從表中的數據可以看出,試驗效果較好,達到了設計方案的要求。

4 特殊情況的施工及故障處理

(1)冒漿異常:噴射過程中,如發現鉆進時產生的地層泥漿在高噴灌漿漿液的擠壓和置換作用下,突然冒漿中斷或冒漿量減少,應迅速檢查供漿系統,如果供漿正常,則是地層中有大孔洞或裂縫,可停止提升,灌注稠漿、速凝漿液等,待重新冒漿后,繼續正常噴射。如果漿液漏出堤外,應將漏漿口堵塞,再繼續噴射灌漿。

(2)跨堤高壓線下的施工:當高噴機架無法在高壓線下施工時,應將機架改裝為矮架,使機架與高壓線保持規定的安全距離,高壓噴射要相應地配用短管施工。

(3)穿堤與涵管的施工。工程段內遇有穿堤涵洞、輸水和輸油管道時,應用特殊工藝進行處理,涵管外徑較小時可應用正常工藝施工。如果外徑較大,則應用單噴嘴特殊工藝施工。

(4)故障處理:在噴射過程中出現故障,應將噴管提出,待故障排除后再噴射提升。如果停漿時間較短,可從停噴深度以下0.5 m開始噴射提升。如果停噴時間過長,噴灌已不能插入停噴漿面以下時,應掃孔再下,并復噴0.2～0.5 m。

5 結 語

鉆灌一體高噴灌漿技術是將鉆頭與高壓噴射設備相結合,實現鉆孔與灌漿一步成形,并在施工中利用高壓介質對原始地層的擾動、切割,形成較大孔徑,提高了工作效率。研究中克服了鉆桿強度,鉆頭改進等技術難題,并通過優化,設備可集中于一輛步履式臺車上,簡化了操作工藝,是一種改進的高噴灌漿造墻方法,簡化了傳統高噴灌漿施工中的復雜工序,集造孔與高壓噴射為一體,將傳統高噴灌漿兩機施工,合二為一機施工,改進的施工工藝,解決了傳統高噴灌漿工藝缺陷和適用地層范圍窄的問題。通過實際工程的應用,適用于砂、砂性土、淤泥質土、粉土、粉質粘土、砂礫石層、卵礫石層和漂石地層的基礎防滲加固處理。該技術具有機理明確、工藝簡單、質量可靠、工效高、造價低、改善施工環境的顯著優點。可廣泛用于江河、湖泊、水庫堤壩建造垂直防滲墻工程以及橋梁基礎、路基加固、基坑止水等防滲加固工程。具有推廣實用價值。

[1]劉川順.水利工程地基處理[M].武漢:武漢大學出版社,2004.

[2]葉書麟.地基處理工程實例應用手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[3]魏慶東,孫麗萍.大粒徑地層高壓噴射灌漿施工工藝分析[J].工程技術,2005,(5):77.

[4]劉剛,史長瑩.高壓噴射灌漿技術在水利工程防滲中的應用[J].山西建筑,2009,35(8):362-363.

[5]王錫平.長螺旋鉆孔灌注樁在基礎工程中的應用[J].油氣田地面工程,2008,27(4):42-43.

[6]閔培雄,王鑫,劉桂榮.旋挖鉆孔灌注樁在軟土地基中的應用[J].建筑施工,2008,30(1):53-55.

[7]熊君放,羅銀燕,胡新民.長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁施工技術及工程應用[J].筑路機械與施工機械化,2007,(4):35-37.

[8]范平,徐劍榮.壓密灌漿在堤壩防滲中的應用[J].江蘇水利,1999,(7):38-39.

[9]胡建軍,杜春艷.長螺旋水下灌注成樁技術在實踐中的應用[J].包鋼科技,2007,33(3):55-57.

[10]姚立軍.劈裂灌漿技術在土質堤壩工程中的運用探討[J].水利與建筑工程學報,2009,7(2):64-67.