高喷技术在施工围堰中的防渗应用

　　摘要：高压喷射灌浆技术（简称高喷灌浆）作为一种基础处理施工技术，在水利水电工程和其它施工领域中得到广泛应用。尤其是对作为临时工程的施工围堰，高喷技术充分发挥其施工速度快、防渗效果显著的工艺特点，通过连续喷灌施工，形成一道致密的地下防渗墙；为解决围堰的渗漏问题，缓解基坑内部抽排水压力，降低后期运行成本，作用至关重要。因此成为施工围堰防渗处理的主要施工手段之一。
　　关键词：跟管钻进，高喷头，水压，风压，水泥浆液，高喷灌浆
　　中图分类号：TU528.32文献标识码：A文章编号：
　　在水利水电工程中，施工围堰往往根据工程需要依赖原有地形修筑，或利用土石材料进行江河截流。受原有地质条件、填筑材料和填筑方法的限制，仍有部分水流通过围堰坝体渗透至施工基坑内，干扰正常施工作业，造成整体或局部边坡失稳，以及基坑大面积积水等，产生安全和质量事故。施工围堰由于长期受到地下渗流的冲蚀作用，存在溃坝的危险，由此将对下游附近居民带来不何估量的生命财产损失。采用高喷灌浆技术在围堰坝体纵轴线附近，修筑一道自下而上的地下防渗墙体。地下防渗墙体底部深入基岩或相对不透水层，有效减少地下水向下游基坑内的渗流；同时兼为坝体心墙，增加了施工围堰的整体稳定性。
　　1. 工艺描述
　　利用潜孔偏心锤跟管钻进施工工艺，按分序加密的原则，进行喷射灌浆孔的造孔施工。单个喷灌孔造孔结束后，为防止起拔套管时孔壁塌陷，及时向孔内下设PVC管至孔底部，再起拔套管。移动高喷台车至此喷灌孔，喷杆穿过PVC管下设至孔底部，风、高压水、水泥浆液经由安装在喷杆底部的高喷头喷出，进行高压喷射灌浆作业：喷杆通过连续旋转（即旋喷），一定角度来回摆动（即摆喷），或者保持固定方向（即定喷），驱动高喷头利用高压喷射水流切割地下土石层，使该部位土石层在一定半径范围内呈流体状；送入孔底的水泥浆液在施工风压作用下，与流体状土石颗粒充分搅拌融合形成液态混合物；同时操作高喷喷台车缓慢提升喷杆，产生一道自下而上的搅拌桩（或板）体（结构形式如下图），与相邻施工的搅拌桩（或板）板，共同组成地下防渗墙体，多余混合浆液通过PVC管和喷杆的间隙，从孔底返至地面，形成弃浆。
　　
　　2. 适用范围
　　高喷灌浆技术工艺适用于淤泥质土、粉质黏土、粉土，砂土，砾石、卵（碎）石等松散透水地质条件下的施工围堰，或由以上材料作为防渗心墙填筑的施工围堰。对含有较多块石或漂石的地层，应进行现场高压喷射灌浆试验，以确定其适用性。根据不同地质条件，结合现场钻孔施工揭露的实际地质情况，采取适宜的高喷防渗墙结构形式，确保最大经效比。
　　3. 工艺流程
　　3.1. 主要工序流程框图
　　
　　
　　
　　
　　3.2. 施工方法
　　对于布设多排喷浆孔的地下防渗墙体，可按先施工下游排，其次施工上游排，最后施工中游排的顺序进行；各排喷浆孔按分序加密的原则进行，一般情况下分两序施工，相邻孔喷浆施工间隔不少于24h；单个喷浆孔深入基岩或相对不透水层，造孔结束后，及时进行喷射灌浆施工。相邻喷浆孔间距应进行现场喷浆试验确定，但以在0.8m～1.5m之间为宜。
　　3.3. 跟管钻进成孔施工
　　3.3.1. 孔位放样
　　测量人员根据设计孔位进行施工放样，钻孔孔位与设计孔位偏差控制在5cm以内，并做好标记。对放样过的孔位，及时做好保护措施，确保孔位不因后继施工遭到破坏。
　　3.3.2. 钻机就位
　　考虑到施工围堰地下渗流量较大，为保证成孔质量和成孔效率，常采用潜孔偏心锤跟管钻进施工工艺进行造孔施工。所造孔径应与高喷台车下设的喷杆直径保持足够返浆间隙，便于喷灌时孔口返浆和特殊情况处理。施钻场地坚实平整，施钻前固定钻机位置，避免钻机在钻进过程中，出现钻机偏斜和移动现象。利用水平尺对钻机桅杆进行水平和竖直方向上校核，保证钻孔竖直度。
　　安装风、电等各种施工管线，调试空压机、冲击器、钻机等施工机具，明确分工施工人员工作职责，相关准备工作做到井然有序，具备施工条件。
　　3.3.3. 跟管造孔施工
　　为保证开孔竖直角度，在冲击器钻头拖动套管由地面向下跟进的0.5m内，禁止回转钻具，仅利用冲击器冲击向下钻进。待钻孔方向固定后，方可进行冲击回转钻进。
　　根据孔口返渣颗粒大小，判断孔内地质情况，采取适当的钻孔给进压力，使钻具的扩孔速度和套管跟进速度保持一致。避免出现造孔速度过快，而套管跟进缓慢，导致冲击钻具大部分施工载荷作用在跟管管靴上，出现套管或管靴上断裂的孔内事故。
　　含有地下水的钻孔，可适当提高供风压力，确保冲击器正常冲击。加装钻管和套管时，缓慢关闭供风阀门，防风钻具内部出现负压现象，致使水、泥浆等杂物倒灌入部击器内部，造成冲击器冲击困难。
　　钻孔所反映的施工围堰地质情况，钻孔深入基岩或相对不透水层0.5m～2.0m，保证所施工防渗墙体的整体稳定性和不透水性。
　　详细做好钻孔记录，绘制钻孔柱状图，为喷浆工序提供参考。
　　3.3.4. 下设PVC管
　　起钻后及时向孔内下设安装，PVC管孔径最少大于喷杆外径20mm，相邻PVC管之间用透明胶带可靠连接，PVC管下至孔底。起拔套管
　　安装PVC管后，利用拔管机具对钻孔内的套管进行起拔。施工人员严格检查起拔出来的每一节套管，无质量缺陷的套管，用水对其冲洗干净，管螺纹处涂抹机油，归类放置，以备下次使用；套管螺纹磨损严重和有断裂迹象的另处放置，避免周转使用；
　　3.4. 高压喷射灌浆
　　3.4.1. 高喷灌浆相关施工技术参数
　　高喷灌浆技术，是利用风、水、水泥浆液三相介质的相互作用，使水泥浆液与地下土石层进行有机结合形成防渗墙体。因此，合理搭配三种介质的施工技术指标和高喷台车的施工参数，至关重要。根据相关技术质量标准要求，结合以往施工经验，总结出高喷灌浆相关介质施工参数如下表:
　　高喷灌浆施工技术参数
　　项目 压力（Mpa） 流量 比重(g/cm3) 备注
　　水 35～40 70～80L/min  
　　风 0.6～0.8 0.8～1.2m3/min  
　　水泥浆液 0.2～1.0 60～80L/min 1.5～1.7 
　　喷杆提升速度v
　　(cm/min) 粉土层 10～20
　　 砂土层 10～25
　　 砾石土层 8～15
　　 卵(碎)石层 5～10
　　旋喷 转速（r/min） （0.8～1.0）v
　　摆喷 摆速（单程次/min） （0.8～1.0）v
　　 摆角（°） 粉土、砂土 15～30
　　  砂石、卵（碎）石 30～90
　　3.4.2. 喷浆材料
　　高喷灌浆浆液使用纯水泥浆液。所使用水泥品种和强度等级应根据工程需要确定。一般采用普通硅酸盐水泥，其强度等级可为32.5级及以上。首批水泥进场前，按要求进行水泥品质检测，合格后方可使用。施工过程中按每200-400t复检一次。不得使用过期或结块的水泥。
　　高喷灌浆用水应符合水工混凝土拌和用水要求。
　　高喷灌浆浆液的水灰比为1.5:1～0.6:1(密度为1.4g/cm3～1.7g/cm3)。有特殊要求时，可加入膨润土、黏性土、粉煤灰、砂等掺和料。根据需要，可在水泥浆液中加入减水剂、速凝剂等外加剂。掺和料及外加剂的种类及掺入量应根据室内试验和现场高喷灌浆试验确定。
　　制浆材料的称量误差不大于5%。浆液过筛后方可使用，并定时检测其密度。
　　水泥浆液可采用高速制浆机或普通搅拌机制备,水泥入料口处加设滤网。使用高速制浆机的搅拌时间，应不小于30s；使用普通搅拌机的搅拌时间应不少于90s；水泥自制备至用完的时间不超过4h。
　　冬季施工应做好机房和输浆管路的防寒保温工作，高温季节施工应做好防晒和降温措施。浆液温度保持在5℃～40℃。
　　在软塑和流塑状黏性土或淤泥质土层中，其孔口回浆不宜回收利用。
　　3.4.3. 高喷灌浆
　　喷射灌浆宜在上下游水位相差不大时进行。较大的水位差，往往因为喷射混合物被地下水流速度过大带走，而影响喷灌效果。
　　钻至设计孔深的喷浆孔，待检验合格后，方可进行高喷灌浆作业。正式喷灌前，台车应在孔口处进行试喷，确定各风、水、浆等管路畅通。位于喷杆底部喷头上的喷嘴在试喷完成后，用胶带包裹严实。防止在喷杆下设过程中，泥砂杂物堵塞喷嘴。但包裹层数不宜过多。
　　喷杆下设至孔底，首先开启高压水泵向孔内输入高压水。高压水通过高压喷嘴射出，其喷射压力不低于35Mpa。随后打开供风系统和送浆设备，向孔内同时输入风和水泥浆液，开始进行喷射灌浆。喷头在孔底原位喷射一定时间，待孔口出现返浆时，方可操作台车提升喷杆。喷杆提升速度，视不同地质条件和相邻孔间距采取合适提升速度，但以孔口出现返浆为原则。高喷灌浆作业宜自下而上连续喷射完成。喷射过程中需要拆卸喷杆必须中断时，要对搭接段进行复喷，搭接段长度不小于20cm。
　　因故中断后恢复高喷灌浆施工时，对中断段进行复喷作业，复喷段不小于0.5m，保证其连续性。
　　喷灌结束后，利用回浆或水泥浆液及时回灌，至孔口液面不再下降为止。
　　含黏性颗粒较少的孔口返浆，可经过沉淀过滤处理后，再次回收利用，重复灌入孔内。
　　准确记录喷射灌浆各项施工参数，浆液材料用量，异常情况及处理措施等；有条件时可采用自动灌浆记录仪记录施工参数。
　　3.4.4. 特殊情况处理
　　喷浆过程中出现串浆时，及时封堵串浆孔，待喷浆孔喷浆结束后，尽快对串浆孔扫孔，进行高喷灌浆，或继续钻孔。
　　若孔内出现严重漏浆时，可采取下列措施：①孔口不返浆时，应立即停止提升；孔口少量返浆时，降低提升速度。②向孔内加水玻璃等注速凝剂。③加大浆液密度或灌注水泥砂浆、水泥黏土浆等。④直接从孔口处填入砂、土等堵漏材料。⑤对于地质条件特别恶劣的地层，进行Ⅰ序孔的喷灌作业时，也会出现孔口不返浆的现象。采用特殊情况处理仍不返浆的，降低提升速度，喷浆至设计孔深。在相邻Ⅱ序孔施工时，可采用复喷措施加大喷射范围。
　　在进浆正常情况下，若孔口回浆密度变小或回浆密度增大时，应加大进浆密度或进浆量并减小供风气压。
　　4. 质量控制要点
　　4.1. 造孔质量控制
　　钻孔有效深度应超过设计孔深30cm，孔内沉淀物不超过5cm；当设计孔深不超过30m时，钻孔偏斜率不超过1%；孔位误差控制在50mm范围内。
　　4.2. 喷浆质量控制
　　质检人员每隔30min用比重称对所制备水泥浆液比重进行检测，不符合质量标准的及时调整；
　　空压机、灌浆泵和高压水泵的压力、供风（流）量应满足施工要求，额定压力不小于规定设计压力的1.2倍；
　　安装在输送管路和喷灌设备上的压力表，定期进行率定检测，使用压力宜为压力表最大标值的1/3～1/4；
　　喷杆必须下设孔底，方可进行喷射灌浆作业。喷灌时注意孔口返浆情况，严格控制相关施工参数。喷杆提升速度符合当前地质条件要求。有复喷要求的孔段，保证足够的搭接长度。并定时观察周边地层，察看有无串浆、漏浆和地层抬动现象。
　　需加注掺和料和外加剂的孔段，严格按照喷灌试验确定数据，控制喷灌浆液配合比和掺和料用量。
　　5. 施工安全注意事项
　　移动高喷台车时，场地应保持平整坚实，避免台车局部失稳倾覆；孔口试喷时，喷头附近严禁站人，台车操作人员采取必要隔离措施，防止被高压喷射水流射伤；供风、供水系统管路联接可靠，预防联接处突然断裂，导致管头跳动伤人。

《高喷技术在施工围堰中的防渗应用》

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