高壓旋噴灌漿技術在土石圍堰及灤河復雜地質條件下的應用

□韓榮生

高壓噴射灌漿技術70年代初期引進我國，因該鄰域施工隊伍素質差異及疏于管理等問題，導致出現了一些失敗案例，尤其是在我國北方地區的水利防滲工程中，成功案例相對較少，在工程界褒貶不一。本文通過對高壓旋噴灌漿技術在高水位及復雜地質條件下的應用分析，有助于工程界對高壓旋噴灌漿技術的重新認識，使高壓旋噴灌漿技術在水利工程中解決地基加固及基礎防滲問題方面充分發揮其技術優勢和經濟價值，提高社會效益。

1.工程概況

1.1 工程地質條件

昌黎縣2019年度地下水超采綜合治理地表水灌溉工程，位于河北省秦皇島市昌黎縣朱各莊和靖安鎮境內，場區位于山區，屬山前沖積平原。主要建設內容包含：引灤干渠渠道清淤疏浚并襯砌、新建渠首泵站。其中新建渠首泵站須通過圍堰防滲截流后才能進行施工建設。渠首泵站的臨時圍堰由山體破碎土體回填而成，必須通過防滲截流，阻斷地下水滲入，才能進行基礎施工。

泵站軸線所在地面整體呈碗型,泵站兩端地面較高,高程23.33～26.20m,泵站中心位置地面較低,高程18.12m,高差較大,高差5.21～8.08m，在勘探深度范圍內,場區地層巖性由上而下有:人工堆積(Q4s)碎石,第四系全新統沖積(Q4al)圓礫、卵石,奧陶系馬家溝組(01～2m)灰巖。

勘察期間,渠首泵站所毗鄰的灤河內有地表水,地表水位高程20.40m,水深2.20m;鉆孔內揭露地下水埋深3.10～5.10m,水位高程20.23～22.45m,地下水主要來源于基巖裂隙水和灤河水滲透補給。

1.2 工程圍堰概況

渠首泵站的臨時圍堰填筑本著就近取土原則，采用山皮土（內含碎石、大石塊）水中填筑，填筑高度達6.0～9.0m不等，土層松散，透水性強，河道水位高，水壓力大；臨時圍堰下臥河床部分為砂卵石地層，由于采砂嚴重，存在深度不等的砂坑，砂卵石地層卵石含量高（內含大塊卵石、孤石）；同時經實際查勘發現：在圍堰填土與下部砂卵石間還夾雜著厚度0.3～1.50m不等的淤泥層；而砂卵石層下部基巖溶洞發育，溶洞多。形成了多種復雜地層疊加的地質構造，給圍堰截流施工造成很大困難。

2.施工問題

原圍堰防滲截流施工擬采用沖擊鉆結合液壓抓斗機械成槽，形成厚度為30cm厚的薄壁混凝土防滲墻，防滲墻軸線長185m。計劃工期：2019年12月11日—2020年1月20日。

2019年12月21日進場ZZ-6A型沖擊鉆機2臺進行圍堰施工，由于沖擊鉆成槽是在施工過程中將地層劈裂成槽，沖擊振動大，對地層擾動顯著，液壓抓斗施工是大面積開挖，其施工過程會導致地應力的釋放，容易引起基礎的變形和坍塌，而且所澆筑的剛性砼防滲墻的穩定性和變形的適應性比較差；防滲墻施工過程中塌孔嚴重無法成槽；導致施工受阻。至2020年3月中旬，僅完成了10多幅（幅長1.5m）薄壁地下連續墻。嚴重滯后施工進度計劃，無法保證工期要求。基坑圍堰及下部河床透水嚴重，發現2處涌水點。

因沖擊鉆成孔困難，無法保證施工工期，2020年3月15日進場長臂鉤機進行槽孔試開挖，因長壁鉤機施工抓斗來回往返槽孔，孔內泥漿受到重復的擾動，致使槽孔壁坍塌嚴重，依然無法成孔。

造成沖擊鉆和液壓抓斗無法成孔和基坑內涌水的主要原因是：導流圍堰采用進占法施工，新填筑圍堰容易受擾動導致松散；圍堰下部河床部分由于采砂嚴重，存在深度不等的砂坑，砂卵石地層卵石含量高（內含大塊卵石、孤石），土層松散；圍堰透水性強，河道水位高，水壓力大。河道左岸涌水為山體基巖裂隙水匯聚形成。

3.解決方案

至2020年4月底圍堰防滲仍進展緩慢，無法正常開展。鑒于復雜多變的地層情況，地下連續墻已無法繼續施工，當時灤河水位較高，汛期即將來臨，渠首泵站圍堰和基坑防滲施工迫在眉睫，工期緊，任務重，必須采取切實可行的工藝方法對渠首泵站臨時圍堰截流防滲進行搶工，以保證汛期來臨之前完成泵站基礎施工，確保安全度汛。

經現場試驗進行方案比選，最終選用高壓旋噴防滲墻灌漿技術對基坑圍堰進行防滲處理，施工速度快，防滲效果佳，為按期完成施工任務提供了保證。

4.高壓旋噴防滲墻施工

4.1 旋噴施工工序

兩管法高壓旋噴灌漿工藝基本原理是采用高壓水泥漿、壓縮空氣兩種介質的高壓噴射灌漿法進行切割、置換成墻的施工方法：即采用壓縮空氣保護的高壓水泥漿水平方向噴射切割破壞地層；通過沖切摻攪、升揚置換、充填擠密、位移袱裹、滲透凝結等作用在地層中一定范圍內形成連續的水泥固結體連接成墻，從而達到止水帷幕的防滲效果。見圖1。

圖1 高壓旋噴灌漿工藝流程圖

首先通過潛孔鉆機施鉆成孔，在鉆孔過程中詳細了解地層變化情況，做好記錄，為后序高噴灌漿創造條件；根據鉆孔記錄的地層情況，高噴灌漿時對高壓水泥漿壓力和提升速度等參數進行適當調整，以達到最佳的噴射效果。

4.2 旋噴布孔施工

根據現場地質資料，結合以往類似工程的施工經驗，高壓旋噴樁樁徑800mm，

孔距：鉆孔中心間距600mm；孔深：深入卵石層下灰巖50cm以上。鉆孔垂直度不大于1%L；并對下部基巖巖面位置進行確認。見圖2。

圖2 旋噴樁布孔示意圖

4.3 旋噴樁施工

高壓水泥漿：壓力33MPa，流量90L/min

壓縮空氣：壓力0.6～0.8MPa，流量3m3/h

水泥漿比重：1.60(水灰比：1∶1)

提升速度：15cm/min

旋轉速度：8～12r/min

4.4 造孔施工工藝

造孔采用全站儀結合卷尺測放孔位，偏差控制在10mm內；鉆機就位，采用十字定點法確定孔位，偏差不大于5cm；設備就位后，鉆機調平，用水平尺從正、側面校正水平。

采用MDL-C200型多功能頂驅鉆機雙管鉆進工藝，見表1。液動錘跟管鉆進，鉆孔時采用泥漿固壁；動力頭帶有變頻頂驅振動，鉆桿和鉆桿鉆頭、外管及外管鉆頭全部參與傳遞沖擊功，成孔質量好，效率高。孔徑不小于135mm，鉆孔到設計孔深，下放直徑90mmPVC護壁管，起拔套管移至下一孔位。

表1 MDL-C200型多功能頂驅鉆機技術指標

鉆進過程中,出現泥漿嚴重漏失,孔口不返漿時,采取加大泥漿濃度,泥漿中摻砂或向孔內填充堵漏材料等措施,直到孔口正常返漿后再繼續鉆進。

4.5 兩管法高壓旋噴灌漿

設備選用：高噴臺車GS-400A：高度18～20m；

高壓泥漿泵：XP-90高壓泥漿泵；

空氣壓縮機：流量3m3以上，壓力0.6～0.8MPa；

4.6 施工材料

水泥選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥；

水選用灤河水，水質滿足要求。

4.7 高壓旋噴樁灌漿施工

高噴臺車就位必須水平，高噴灌漿管須安放在鉆孔中心；下放噴射管位置必須到設計深度位置；噴射管下放到預定位置后，送符合設計要求的高壓水泥漿和壓縮空氣，待孔口返出水泥漿液后方可旋轉提升；在灌漿管提升過程中，隨時調整灌漿壓力和提升速度，尤其在變層部位要嚴格控制；高壓旋噴灌漿完成后，必須采用高配比水泥漿或好的回漿進行多次回灌，直至密實充填至孔口；高噴灌漿全孔連續作業。

4.8 高壓旋噴樁施工

水泥漿液應隨配隨用，并應在高壓噴射注漿作業過程中連續不停的攪拌。經常測試水泥漿液的進漿和回漿比重。

在高壓噴射注漿作業過程中，重新進行高壓噴射灌漿作業的搭接長度不應小于0.5m。

高壓注漿過程中，出現壓力突降或驟增，孔口回漿濃度和回漿量異常，甚至不返漿等情況時，應查明原因，及時處理。

圍堰防滲完成后，進行基坑排水，發現漏水點應針對性增加旋噴樁進行加密補噴，直至達到設計的防滲效果。

4.9 施工中遇到的問題

由于本工程特殊的地質條件，因此在施工過程中，出現的問題較多，主要體現在以下幾個方面：

跑冒現象嚴重：由于地層結構主要以砂卵石為主，下部基巖巖溶發育，在鉆孔灌漿過程中，漏漿冒氣現象尤其嚴重，串孔串氣最長距離多達40～50m，尤其是Ⅰ序孔，河道及圍堰內多處水面冒氣，孔間串氣最遠距離15m以上，鉆孔過程基本無返渣，灌漿過程中液面僅停留在孔口，Ⅱ序孔僅局部漏漿冒氣，大部分孔串氣現象消失，孔口返漿返渣情況良好，局部見水泥結塊。雖然采取潛孔錘跟管鉆進，并置換PVC管護壁，但由于串孔現象嚴重，塌孔嚴重造成PVC管局部變形，下管困難。灌漿過程中，漏漿現象嚴重，尤其是Ⅰ序孔。

針對本工程出現的問題，高壓旋噴灌漿施工過程中，采取的以下主要施工措施：一是鉆孔采用潛孔錘跟管鉆進工藝，但動力采用液壓驅動并結合水動沖擊，避免了鉆孔采用壓縮空氣對筑壩填土及砂卵石層中細顆粒物的擾動，造成空隙加大，容易造成灌漿時漿液流失嚴重。二是高壓旋噴灌漿過程中，對于漏漿嚴重，甚至于不返漿部位，采取灌漿時孔口回填細砂，降低提速以及降低氣壓等措施，直至孔口返漿后繼續提升。三是鑒于本工程地層結構的復雜性，鉆孔時針對每一個鉆孔地層分界點明確標記，高壓旋噴灌漿時針對溶洞充填物、砂卵石層、淤泥及筑壩填土等，分別采用了不同的施工參數。四是對于漏漿嚴重的個別孔段，采取了背水側補噴措施，確保局部地段不滲漏。五是Ⅰ序孔灌漿時，局部串氣現象嚴重地段，高壓噴射灌漿調整為單管旋噴工藝進行施工。以減少漿液流失。六是為增加漿氣射流的摻攪作用，將方量為3m3空氣壓縮機調整到6m3空壓機，壓縮空氣壓力不做改變。

5.結語

采用高壓旋噴灌漿技術處理基坑圍堰的防滲問題，噪音小，污染少，成本低，進度快，防滲效果佳，是理想的方案選擇。

高壓旋噴樁技術在復雜地質條件下處理地基防滲問題的成功應用，將會給水利工程施工中的地基處理提供更多的選擇，大力推廣這一技術的實踐與應用，不僅可以降低成本，節約投資，還會取得巨大的社會效益。