淺析除險加固高壓旋噴灌漿質量問題與對策

徐猛勇

(湖南水利水電職業技術學院,湖南長沙410131)

1 高壓旋噴技術的特點

高壓旋噴注漿方法是將帶有特殊噴嘴的注漿管置入預定的處理深度,以20 MPa或更高壓力的高壓噴射流(或輔以0.7MPa壓力的環繞氣流和2MPa～5 MPa壓力的固化漿液)強力沖擊破壞土體,使部分土體被置換,同時部分土與固化劑攪拌混合,經過一定時間的凝結固化后,在土體中形成有一定強度的固結體。該固結體強度可達2MPa～12MPa,為加固前的幾十到百倍。噴射注漿時,帶噴嘴的注漿管在噴射的同時向上提升。若注漿管不旋轉,稱為定噴;若只擺動一定角度而不旋轉則叫擺噴;若旋轉則為旋噴。

高壓旋噴注漿法用于加固軟弱土層,其特點如下:適用范圍廣,解決靜壓注漿不能注入細顆粒土層的加固問題?？捎糜谛陆üこ?也可用于工程修復。用于不停止生產的建筑物加固更為優越。旋噴施工可以不破壞原有的建筑物,只在地面鉆一個直徑為76 mm～200 mm的鉆孔即可旋噴成0.4 m～4 m的固結體。固結體形狀可以控制,強度高。固結體可靈活布置,可單樁或密集樁承載。噪音小,無污染。

由于旋噴固結體具有上述特點,因此,旋噴注漿在許多工程中得到廣泛應用。該技術具體可應用在如下方面:提高地基承載力,預防、制止建筑物基礎下沉,糾正建筑物基礎不均勻下沉引起的偏斜,建筑物地基加固,混凝土灌注樁樁底沉渣加固。擋土圍堰,保護鄰近建筑物使其不致沉陷和傾斜。防滲帷幕,用于礦山防水帷幕地下連續墻及水庫壩基防滲等。減少因設備振動引起建筑物下砂土液化等。河堤、水庫、港口等建筑物基礎加固,避免洪水沖垮堤岸和建筑物[1]。

2 高壓旋噴技術要求及施工工藝

2.1 施工程序

按設計圖放線→鉆機就位平臺→安裝(校立軸垂直)→鉆孔、護壁→鉆到設計深度→驗收孔深→高噴設備就位→管路安裝→地表試噴檢查→下噴漿管至設計深度→制漿送漿→開噴→提升→至設計止噴深度→結束。

高壓旋噴孔分兩序孔施工,先Ⅰ序孔,后Ⅱ序孔,28 d后進行檢查孔施工和檢查井開挖。根據該工程的水文地質和工程地質條件,常采用高噴灌漿雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結構。一序孔與二序孔呈折線連接,擺噴折線有夾角。

2.2 施工參數

在開工前,選擇與壩上地質條件相符合的場地進行單噴和圍井試驗,試驗時采用多種技術參數,通過試驗能夠反映出高噴灌漿擺噴、半圓噴結構對該工程所起到的防滲效果。開挖可直觀看到高噴防滲墻的連接形式、噴射長度、厚度、形狀、強度等,通過試驗結果確定壩上高噴灌漿施工技術參數,以確保各地層灌漿技術參數的可靠性。根據圍井試驗結果,對高噴灌漿施工技術參數進行修正[2]。

2.3 高噴施工工藝過程

2.3.1 施工前準備

做好施工前的準備工作,施工前組織管理、技術人員和施工人員對施工機械設備檢測儀器進行檢測和維修。對進入施工現場的材料進行檢驗。確保機械設備儀器的完好率。對受潮、結塊和過期的材料一律不許用于防滲墻施工。水泥類型為P.O42.5普通硅酸鹽水泥。同一灌漿段必須使用同一種水泥。水泥的細度要求通過80 μ m方孔篩余量不宜大于5%。灌漿用水泥必須符合質量標準,保持新鮮;受潮結塊的水泥不得使用。水泥到庫后,妥善保管。現場水泥應經常抽查,不符合要求的水泥不得在灌漿中使用。在水泥的運輸、庫存、現場堆放、拆包、攪漿、輸漿等各個環節均應仔細處理,保證水泥和水泥漿不因種種原因變粗、變質、污染。同時,水泥等固相材料采用重量稱量法,并按設計要求誤差小于5%和相應的技術規范,經監理人員指示或批準在水泥中摻入砂、黏性土、粉煤灰和水玻璃等摻合料和摻入速凝劑、穩定劑以及監理人員指示或批準的其它外加劑等,水灰比采用2∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1,0.5∶1五個比級。各種外加劑的質量符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》SL62-94規定,其最優摻入量應通過室內試驗和現場灌漿試驗確定,試驗成果應報送監理人員。

由于旋噴樁初期強度低,為防止施工時鄰近樁體的破壞,在施工順序上要采取跳打施工的方法,后期施工的旋噴樁可添加速凝劑。

2.3.2 鉆孔

(1)鉆孔采用泥漿護壁,終孔孔徑φ 110 mm。(2)鉆孔孔位偏差控制在5 cm以內。

(3)鉆孔按兩序孔施工,先施工Ⅰ序孔,后施工Ⅱ序孔。

(4)鉆進時,經常測量孔斜,防止鉆孔偏斜,保證全孔偏斜率不超過1%。

(5)鉆進時應詳細作好記錄,發現地層變化、漏漿、掉鉆等特殊情況,及時記錄并采取相應措施進行處理。通過移孔和補孔來保證高噴防滲墻體的有效連接。

2.3.3 漿液

(1)漿液材料采用425#普通硅酸鹽水泥,施工過程中定期抽檢,不使用過期的和受潮結塊的水泥。

(2)高噴灌漿用水為庫水,水質良好,符合混凝土拌合用要求。

(3)制漿采用重量計量法,其誤差不大于5%,水灰比按2∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1,0.5∶1級配制,攪拌時間不小于30 s,備用漿液至用完時間不超過4 h。

(4)漿液攪拌后必須過篩使用,比重密度定時測量。

2.3.4 高壓旋噴灌漿

(1)鉆孔驗收后,進行高噴施工,高噴分兩序孔施工。

(2)下噴漿管前,進行地面試噴。下入或拆卸噴射管時,應采取防護措施,防止噴嘴堵塞。

(3)當噴頭下至設計深度,先按規定參數原位噴射,待漿液返出孔口后再提升噴射。

(4)高噴原則上保持全孔連續作業,遇中途拆卸射管,多噴搭接長度0.2m～0.5 m。高噴結束,利用水泥漿回灌,直至孔口漿液不下降為止。

(5)施工過程中,要按實際情況詳細記錄高噴灌漿的各種參數。

(6)高噴施工過程中,采取有效措施保證孔內漿液上返暢通,避免造成壩體劈裂。

3 結合工程實例進行分析說明

3.1 工程概況

湖南岳陽一水庫位于東洞庭湖的新墻河支流沙港河中游的峽谷口。灌區是湖南省重要的商品糧基地和洞庭湖糧食主產區之一。

樞紐工程包括大壩、溢洪道、導流兼放空隧洞、副壩、小湄連通隧洞、南北干渠引水隧洞及渠首水電站等建筑物組成。大壩為粘土斜墻砂石混合壩,壩高44.5 m,壩頂長211 m,頂寬8 m,壩頂高程96 m。水庫工程于1977年動工興建,1982年基本建成并投入運行,水源主要靠天然降雨蓄水,水庫集雨面積493 km2,總庫容6.35×108m3,正常蓄水位92.2 m,相應庫容5.46×108m3,系多年調節水庫。大壩興建時由于技術條件有限,加之整個工程地質勘探工作也沒有按要求去做,施工質量差,導致大壩各項技術指標達不到設計要求。

3.2 工程地質

大壩主要以中厚層石英砂巖夾薄層板巖和炭質頁巖,所見砂頁巖節理裂隙較發育,巖體完整性較差,但板巖則因風化深度大,節理已充填向深部閉合,壩基巖體雖不十分完整,但防滲性較好。從壩后滲漏情況看,筑填土層與巖石接觸面密實度差,未開鑿防滲齒墻,構成了滲漏的主要途徑。大壩地下水為第四系孔隙水和基巖裂隙水,以節理裂隙為徑流通道,大氣降水補給。降水主要集中在4～6月份,占全年的50%以上?？紫端畯V泛以潛水形式存在于人工填土、殘坡積層孔隙中,向基巖裂隙和地表低洼點排泄,地下水排泄條件較好。大壩填筑土質量不均,從上至下其顆粒為碎石土—礫質粘土,含少量礫的粘土,并含淤泥質、植物根系,不符合心墻土質量標準,特別是填筑土的防滲標準低,通過現場注水試驗測定滲透系數的平均值Kcp=1.089×10-4cm/s,大大低于K≤1×10-5cm/s的標準。另外心墻底未設防滲齒墻,也未對底層填土進行強夯實等特殊處理,留下滲流隱患。近年,湖南省組織有關單位和專家對水庫進行了大壩安全評價,提出了除險加固工程方案。本工程按照設計圖紙完成高噴灌漿24 301 m防滲效果良好,達到設計要求質量控制標準,即旋噴深度達基巖面以下1.0 m,滲透系數K＜1.0×10-6cm/s。

3.3 施工過程質量控制

高壓噴射灌漿加固地基或防滲止水屬于隱蔽工程,施工全過程必須嚴格管理才能保證高噴凝結體的質量[3]。

本項目高噴墻軸線與A區帷幕軸線一致?？拙? m,按兩序孔布置施工,初擬高壓水壓力35 MPa,輸水量75 L/min;氣壓0.8 MPa,氣量80 m3/h;灌漿壓力0.20 MPa～1.00MPa,進漿量70 L/min,噴射管提升速度6 cm/min～10 cm/min,旋噴速度0.8次/min～1.0次/min(單程為一次)。施工工藝技術參數通過高噴灌漿現場試驗確定。高噴灌漿施工技術參數見表1。

在整個施工過程中,實行技術工程師現場值班制度和監理工程師現場監督檢查,發現問題及時糾正解決,同時鉆孔深度、孔位、孔斜、注水試驗、高噴、灌漿班報實行驗收簽證制度,確保施工質量。高壓施噴參數嚴格按照技術要求進行操作,重點對水壓、水量、氣量、漿液密度、進漿量提升速度、回漿密度進行控制[4]。

表1 高噴灌漿施工技術參數

水壓、水量是切割土體的能量來源,高壓水壓控制40 MPa以上,水量控制在75 L/min～85 L/min,均達到了有效切割土層的目的。

氣壓、氣量是保持進入孔底高壓水不過早衰減,保證有效切割半徑和揚升置換被切割的細小殘留物的同時,將漿液與可膠結物進行充分拌合,使之達到高噴墻體均一。施工過程中氣壓采用0.75 MPa～0.8 MPa,氣量1.6 m3/min,滿足設計要求。

漿液部位滲墻的主要原料,水泥與土體、砂粒的充分凝結,是形成有效防滲墻體的關鍵。施工過程中,漿液密度均控制在1.65 g/cm3～1.68 g/cm3之間,漿量控制在72 L/min～75L/min以上。保證了形成高噴墻材料的有效供給。

提升速度是保證防滲墻均勻連續的有效手段。施工過程中,土層控制在5.5 cm/min～6.0 cm/min,全風化層控制在5.5 cm/min～6.5 cm/min,殘坡積層控制在7 cm/min～8 cm/min以內。有部分Ⅱ序孔按8.5 cm/min控制,各鉆孔均能滿足設計要求。

回漿密度是反映高噴施工時水泥與土體拌合程度,土體是否被有效切割的綜合反映。因此在高噴灌漿施工時,孔口返漿后,進行比重檢測?；貪{濃度均＞1.1 g/cm3,Ⅱ序孔一般返漿密度達到1.3 g/cm3以上,均滿足設計要求。

該水庫高壓旋噴灌漿過程中出現孔口不返漿、返漿量小、機械設備故障、供電中斷而造成中途間斷施工等問題。這些原因引起間斷施工,若處理不當,將會引起高噴防滲墻的形成與連續性。因此,該工程施工過程中,采取相應處理措施。

出現孔口不返漿,返漿量小均系壩體填土松散,殘坡積或全風化土層中的細小顆粒被地下水帶走而形成空洞、槽溝所致,均為壩體地質條件相關。施工采用原位噴射,減小水量,增強漿密度,增加濃度,摻入添加劑(如土粉、砂粒等)等措施進行處理。

各種設備故障、供電中斷、管路堵塞、噴嘴堵塞等間斷灌漿施工,查明原因,盡快恢復,置換相關配件,恢復灌漿前,必須將噴漿管下入事故停噴前0.5 m以下。再按要求進行施工,防止間斷,確保防滲墻整體形成。

灌漿過程中,經常出現漏漿,采用濃漿、低壓、間歇灌漿的方法處理。如A區Ⅰ-8孔號,連續間歇3次,最長間歇時間達2 h。

串漿發生時,可以對串漿孔同時灌漿。不具備灌漿條件時,先堵塞被串漿孔,待串漿灌漿完畢,再掃孔補灌漿。如11孔、12孔的串漿采用同時灌漿處理,效果較好。

灌漿工作不能連續進行,因故中斷時,采取了沖洗鉆孔,恢復灌漿或掃孔后恢復灌漿?；謴凸酀{液采用開灌漿液比級或采用中斷比級。如注入率比中斷前減少較多,則漿液逐級加濃進行灌注。

灌漿注入量大,難于結束時,采取低壓、濃漿、限量、間歇灌漿或加入添加劑措施處理。

3.4 質量檢測

3.4.1 檢查孔取芯效果分析

為了檢驗高噴墻施工形成后的強度,分別在大壩不同深度部位取芯采樣,分別對其中有代表性的10組巖樣進行試驗,鉆孔取芯檢測結果見表2。試驗成果表明:高噴墻體隨深度加深其強度增大,深度越大,自重壓力越大,墻體越密實。上部填土相對而言,粘土含量較下部全風化層要多,故凝結體強度相應較低,下部砂礫較多,與水泥凝結后,其強度較上部要大得多,這與土體本身特性有關。巖心采取率填土層為65%,強風化層、殘坡積層為90.5%。高噴墻體完整性和強度達到設計要求。

表2 高噴防滲墻鉆孔取芯檢測結果

根據不同地層中的抗壓強度設計要求,通過對比其值均符合設計要求。

3.4.2 檢查井開挖成果分析

按設計要求,分別在大壩樁號K0+50m和K0+100m幾個部位進行檢查井開挖,開挖觀察表明:防滲墻體上、下連續、無間斷,左右搭接無縫隙,搭接部位厚度0.7 m。墻體有效厚度0.7m～1.2 m,下部密實明顯高于上部填土。填土區偶爾見到有包裹狀土塊(強風化粉砂巖塊)和5 mm～10 mm左右的氣孔,符合高噴灌漿的正常規律。

3.4.3 檢查孔注水試驗成果分析

大壩高壓旋噴防滲墻內按設計、規范要求,在其代表部位按5%進行了取芯檢查,并分段進行了注水試驗。檢查孔注水試驗成果見表3。

大壩施工檢查孔12個,共做注水試驗25段。其中K＜1×10-6cm/s者7段,K＜1×10-5者10段,全部滿足設計防滲要求Lu≤5。表3看出滲透系數Lu在2.6～4.96,符合設計要求。

4 常見問題及其處理對策

4.1 冒 漿

在噴射過程中,往往有一定數量的上顆粒,隨著一部分漿液沿著灌漿管管壁冒出地而。一方而及時排運出冒漿,保持現場干凈,或加以回收后再潛入;另一方而通過對冒漿的觀察,可以及時了解地層狀況、判斷噴射的大致效果和核定噴射參數的合理性等[5]。根據經驗,冒漿(內有上粒、水及漿液)量小于灌漿量20%者為正常現象,超過20%或完全小冒漿時,應查明原因及時采取相應措施。

流量不變而壓力突然下降時,應檢查各部位的泄漏情況,必要時拔出灌漿管,檢查封密性能。

表3 注水試驗成果表

出現小冒漿或斷續冒漿時,若系上質松軟則視為正?，F象,可適當進行復噴:若系附一近有空洞、通道,則應小提升灌漿繼續灌漿直到冒漿為止,或拔出灌漿管待漿液凝固后重新灌漿直至冒漿為止,或采用速凝漿液,使漿液在灌漿管附近凝固。

減少冒漿的措施。冒漿量過大的主要原因,一般是有效噴射范圍與灌漿量不相適應,灌漿量大大超過固結所需的漿量所致。

減少冒漿量的措施有三種,一是提高噴射的壓力(噴漿量小變);二是適當縮小噴嘴孔徑(噴射壓力小變);三是加快提升和旋轉速度。

4.2 孔內嚴重漏漿

可采用以下措施進行處理,降低提升速度或停止提升;降低噴射壓力、減少流量進行原位灌漿;低壓漿液摻入水玻璃、氯化鈣或三乙醇胺等速凝劑;停止噴射灌漿,灌注水泥砂漿或水泥粘上漿。

4.3 固結體頂部出現凹穴

為防止因漿液凝固收縮產生凹穴,使已加固地基與建筑基礎出現不密貼或脫空等現象,可采取超高噴射(噴射處理地基的頂而超過建筑基礎底而,其超高量大于收縮高度),回灌冒漿搗實或在漿液凝固前進行第二次灌漿等措施。

4.4 固結體不垂直

固結體不垂直主要由鉆孔不垂直引起。固結體不垂直會導致其承載力降低,更為嚴重的是使防滲堵水失敗,實際施工時,鉆機就位應準確、穩固、垂直,引孔前,采用水平尺校正鉆機垂直度,確保垂直度偏差小于1/1000。

4.5 固結體強度不均

高噴凝結體強度受上層特性影響很大,砂類上中固結體強度較高,在含有機質上層噴射時,固結體硬化受到阻礙從而造成強度偏低。高噴過程中,應根據不同上層深度和厚度及時調整噴射參數,必要時進行復噴。

4.6 噴射流壓力變化

壓力稍有下降時,可能系灌漿管被擊穿或有孔洞,使噴射能力降低,此時應拔出灌漿管進行檢查:流量變小而壓力突然下降時,應檢查各部位的泄漏情況,必要時拔出灌漿管,檢查密封性能:壓力陡增超過最高限值、流量為零、停機后壓力仍小變動時,則可能系噴嘴堵塞,應拔管疏通噴嘴[6]。

5 結論與建議

為確保工程質量,高壓旋噴參數應嚴格按照技術要求進行操作,應重點對水壓、水量、氣量、漿液密度、進漿量、提升速度、回漿密度進行控制。應建立健全質量保證體系,實行全方位目標管理,落實崗位責任制,全面跟蹤與質量記錄,認真處理施工過程中存在的問題,保證質量體系的有效運行。結果表明:通過對高壓噴射注漿質量的有效控制,高噴灌漿對壩體防滲堵漏效果是可靠的,安全性強,耐久性好,施工簡便,對類似的壩體防滲加固工程具有借鑒作用。

[1]中國水利水電基礎工程局.DL/T5200-2004.水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范[S].北京:中國電力出版社,2004:10-25.

[2]夏可風.水利水電工程施工手冊[M].北京:中國電力出版社,2004:30-45.

[3]葉 斌,李學武.高壓噴射灌漿施工技術[J].西部探礦工程,2004,16(10):17-18.

[4]劉發順,龔云龍.高壓噴射灌漿防滲墻施工質量控制[J].江蘇水利,2006,(4):14-15.

[5]馬志堅.中衛市照壁山水庫壩基處理灌漿試驗[J].水利與建筑工程學報,2009,7(2):58-60.

[6]楊鐵英,李 俊,佟 敏.高壓噴射灌漿在二道河子水庫除險加固工程中的應用[J].水利規劃與設計,2003,(4):49-50,61.