高喷灌浆技术在围堰防渗工程中的应用

　摘要: 高压喷射灌浆技术在水工建筑物围堰防渗工程中已得到广泛应用。以北易水倒虹吸工程为例，介绍高压喷射灌浆在南水北调中线北易水倒虹吸工程围堰防渗墙工程中的应用，着重叙述复杂地质条件下高压摆喷的施工工艺、施工方法及检测防渗效果的围井压水试验法，对同类工程提供一些建议和参考。

　　关键词: 高喷灌浆;围堰;防渗墙;北易水渠道倒虹吸工程

　　高喷防渗墙施工技术简单、进度快、防渗加固性好且造价较混凝土防渗墙低，但对地层敏感性强，一般在壤土层、中密状态的砂土层中成墙质量较好，而对粘性土、致密细砂层，尤其是粒径较大的砂卵石层，且含漂石时，其喷射材料穿透性受阻，浆体扩散半径受限，成墙连续性不易保证。

　　在南水北调中线北易水倒虹吸工程围堰防渗墙施工时，对含大漂石、砂砾卵石层、富含小溶洞和节理裂隙发育的泥质灰岩等复杂地层，采用高压摆喷技术，在较短的时间内完成了近17000m的高喷防渗墙，通过对施工质量的严格控制，提高了成墙效果，达到了基坑防渗要求，保证了主体管身段基础开挖和混凝土施工顺利进行。

　　1 工程概况

　　北易水渠道倒虹吸工程位于河北省易县城西北约1.0km的北易水河上。倒虹吸出口北0.5km为易县至涞源公路，对外交通便利。北易水倒虹吸工程由进出口渠道段、穿河渠道倒虹吸、退水闸及附属建筑物组成。工程等级为Ⅰ等，主要建筑物的级别为1级。

　　高喷防渗墙主要应用于基坑围堰防渗工程，基坑排水和安全度汛是本工程施工组织的难点和重点，目标是及时为管身段混凝土浇筑提供工作面。

　　主要设计工程量为:一期围堰（纵向围堰轴线桩号187+144、186+906.9，上下游围堰距离为160m）8340延米，防渗面积为7940m2 ;二期围堰（纵向围堰轴线桩号187+346.9、187+075，上下游围堰距离为160m）8640延米，防渗面积为8640m2 。共计16980延米，防渗面积为16580m2 。围堰防渗墙顶高程为53.0m，底部高程为43.0m。

　　2 水文地质

　　本工程位于太行山东麓北易水河中上游，河漫滩及河床组成物质为第四系全新统冲积砂及卵（砾）石层，厚度1.1～12.0m不等。其下部的古生界中寒武系馒头毛庄组地层及燕山期闪长玢岩侵入岩体，岩性以泥岩、泥灰岩、泥质灰岩、砂质灰岩、石英砂岩为主，夹少量页岩，岩石上部破碎，节理、裂隙发育。

　　建筑物区地下水为孔隙潜水及基岩裂隙水，局部分布岩溶水。孔隙水埋藏于第四系砂砾及卵（砾）石层中，透水层厚5～12m，渗透系数为70m/d。

　　实际施工中，经基坑开挖、钻孔取芯结果显示，在靠近一期围堰，古河床段，从作业面高程53.0m自上而下地层地质依次为:①在高程47.0～46.0m为砂卵石层，粒径一般10～15cm，含泥量少，较松散，但在个别部位有孤石或小溶洞;②在高程46.0～45.5m处有0.5～1.0m的强风化至中风化的泥岩;③在高程45.5～44.7m处有0.8m的泥质灰岩;④在高程44.7m或44.5m处是全风化的泥岩。在靠近二期纵向围堰（187+346.9）段，多为致密粉细砂层。

　　另外，从基坑开挖地质岩石和抽水情况来看，渗透系数应该不小于200m/d。

　　3 主要技术参数的确定

　　为保证高压喷射灌浆施工顺利进行，确保施工质量，同时为检查摆喷灌浆工艺参数设计的合理性、成墙的可靠性，在现场采用二重管和三重管法高压旋喷桩施工开始前，在地质条件具有代表性的区段，用选定的配合比进行高压喷射注浆工艺试验。通过试验确定桩距和孔深以及确定浆液性能、喷射流量、压力、旋速和提升速度等工艺参数，具体试验区布置在一期纵向围堰与上游围堰交界处，试验围井呈三角形布置，孔距1.0m，围井深8m。

　　围井施工完成7d后，对围井进行压水试验，测出围井的渗透系数，并对围井周边及井内的土层进行开挖，观察围井成墙情况。根据对试验成果的分析，防渗效果和成墙厚度均满足设计要求。高压摆喷按围井试验所确定的参数施工。

　　4 施工方法

　　4.1 施工技术要求及参数

　　（1）钻孔孔距1.0m，孔底深入岩层（弱，不透水层）0.5～1.0m，孔位偏差小于5cm，钻孔偏斜率小于1%。

　　（2）浆液采用水泥浆，水灰比为0.8∶1（重量比）。 [Page]

　　（3）喷灌三重管法，喷管选用双喷嘴，喷嘴直径1.8mm。高压水压力32～38MPa，空气压力0.6～0.7MPa，浆液流量100L/min，空气流量1.3～1.5m3/min，提升速度10cm/min，摆喷角度30°～40°。

　　二重管法，喷管选用双喷嘴，喷嘴直径1.8mm。空气压力0.6～0.7MPa，空气流量2m3/min，浆液压力32MPa，浆液流量100L/min，提升速度8cm/min，摆喷角度25°～35°。

　　（4）渗透系数满足n×10-4 ～n×10-5 cm/s数量级，喷灌成墙有效平均厚度30cm，相邻孔摆喷连接形式为“人”字型搭接方式。

　　（5）主要施工机械设备:高喷台车（CYP型液压式）、清水泵（3DZ-2）、灌浆泵（HB80）、注浆泵（BW-150）、搅拌机、空压机（WF3/6）、冲击式钻机（YKC-10）等。

　　4.2 施工方法

　　（1）布孔与造孔。根据施工方案，利用水准仪、钢尺丈量，放线定位，布置孔位，固定钻机位置，调整钻杆垂直度，校正钻头与孔位的偏差。使用普通YKC-10冲击钻机造孔，在遇到大孤石或漂石部位采用套筒跟进风动潜孔钻或XY-2地质钻钻进，造孔孔径为φ130mm，泥浆护壁成孔，为保证成孔质量和孔壁稳定，适当调整泥浆浆液，控制浓度和粘度，防止缩径和坍孔。对遇到地下有砂性土或壤土层，出现坍孔时，加大泥浆回填，填满后继续造孔。在造孔过程中，作好造孔记录，特别是对孔内岩性描述，确保钻孔入岩深度满足要求。根据记录情况，如钻孔达到设计深度还未进入相对隔水层，需加深钻孔，深入相对隔水层1.0m。成孔后经过验收，立即下套管到孔底，并管口露出工作面20cm，以防坍孔，套管采用φ110mm PVC管。

　　（2）制浆。搅拌机采用WJG80-1型立式搅拌机，灌浆泵采用HB80型，BW-150型泥浆泵用于回收浆液。水泥采用P.032.5普通硅酸盐水泥，制浆采用两级搅拌，一级搅拌12min后经过滤放入二级搅拌机，边搅拌边灌浆。制浆时严格控制水灰比（0.8～1）∶1，浆液比重为1.6～1.7g/cm3 ，经常用比重计法检测浆液浓度，保证浆液浓度、无颗粒、均匀稳定、流动性好。

　　（3）高喷灌浆。高喷灌浆前，先在地面进行1min左右试喷试验，调整好喷射方向，检查水气嘴是否畅通，压力能否满足设计要求，否则须重新调试设备或更换水、气嘴，直到压力满足设计要求，然后，可将喷杆缓慢下到孔底。

　　灌浆准备工作完成后，进行正常喷射。先按规定参数送浆、水、气进行静喷，静喷3min待浆液返出孔口、情况稳定后，进行高喷灌浆。喷射时采用间歇提升法，每提升30cm，停5min。在供浆正常情况下，孔口回浆浓度变小且不能满足设计要求时，应加大进浆浓度或进浆量。如在高喷灌浆过程中出现压力突降或骤增、孔口回浆浓度或回浆量异常等情况时，查明原因，进行处理。对于孔内严重漏浆，采用降低喷射管提升速度或停止提升、进行原地灌浆，加大浆液浓度。对小溶洞地质段，常发生的串浆情况，采取填堵被串孔，待灌浆孔高喷灌浆结束后，立即进行被串孔的扫孔、灌浆或继续钻进。高喷灌浆因故中断后恢复施工时，应继续复喷，其长度不小于0.5m。灌浆施工中如实记录高喷灌浆的各项参数、浆液材料用量、异常现象及处理情况等。

　　（4）回填封孔及清洗管路。高喷灌浆至设计顶部高程后，喷头提出孔口，继续向孔内注入水泥浆，保证孔内浆面高度，保持孔内浆注压力，随沉随补，直到孔口浆液不再下沉为止。采用沿灌浆孔孔口两侧修一条深度100～150cm的沟槽，利用灌浆时的回浆补填周围已喷孔孔口，保证灌浆孔回填及时。每孔喷灌完毕后或因停电等原因停工时，都要及时清洗管路，特别是对浆液系统的清洗，保证无残留的水泥浆堵塞管路。

　　4.3 施工记录 [Page]

　　（1）造孔记录内容:孔号、钻孔深度、地质地层情况、入岩深度、施工时间及钻孔过程中出现的特殊情况等，尤其是对岩石地质情况变化的部位、深度应记录清楚，以便灌浆时进行相应的处理。
　　（2）高喷灌浆记录内容:高喷时间、旋转速度、提升速度以及高喷孔口返浆情况、每孔水泥用量等，同时应将施工时各种设备参数认真记录，并根据现场情况进行具体适当调整。

　　5 高喷效果及质量检查

　　5.1 高喷效果

　　在一期围堰形成封闭后，基坑抽水和开挖同步提前进行，分层开挖，每层3～5m，在每层开挖前先在纵向围堰（186+144）内侧上、下游部位各挖一个集水坑，用水泵集中抽水，并通过纵向围堰外的导流明渠排入下游河床。随着基坑开挖的不断进行，围堰内外水位差不断加大，渗水量也不断增加，通过增加水泵加强排水，保证基坑干地作业。基坑开挖完工后，围堰内外水位相差10m左右，渗水量较大，尤其是上游和纵向围堰侧，从砂卵石层与泥质灰岩层结合部位（高程46～47m）处渗出，但在基坑开挖到建基面（高程41.9m）后，大量渗水即从底部几个大的溶洞处溢出。后经7台WQ200-16-18.5水泵抽水，能保证日常渗水1300m3/h的排水要求。二期基坑由于范围小，且加强了施工质量控制，日常基坑渗水为1000m3/h。

　　5.2 质量检查

　　从开挖3～5m深度的混凝土纵向围堰等几处高喷防渗墙来看，墙体连续性较好，大部分成墙厚度达到60～80cm，水泥浆与砂卵石胶结良好，断面外观和混凝土结构一致，需用钻爆拆除。在喷孔周围，厚度最小的部位也达到20～30cm。在致密粉砂层和细粉砂层中水泥浆胶结效果不是很好，但喷射较远。

　　在一期纵向围堰与上游围堰结合部位，布设一个三角形围井，并旋喷封顶、封底，压水试验表明采用高喷防渗墙施工方法能满足渗透系数小于10-5 的设计要求。

　　在围井试验完成28d后，在其旁边选择两处钻孔取芯，从芯样表面看，比较光滑，水泥含量大，且分布均匀，芯样长度多在10～25cm之间，泥质灰岩段，最长芯样为50cm，最短为6cm。水泥桩自上而下比较完整，无断桩现象。

　　6 结语

　　北易水倒虹吸围堰防渗墙工程轴线长，地层复杂、前期无详细地质资料，施工时针对地质情况及时调整施工参数，采用高压摆喷技术顺利完成了一期围堰防渗墙施工，保证了基坑开挖和混凝土施工干地作业，且为二期围堰施工提供了可靠的参数，积累了经验。

　　在卵石层、含有大块漂石砂卵石层施工难度大，且不易成孔。通过试验确定适当参数，控制好孔距和施工工艺，严格要求不返浆不提升，提升速度也调整到适当值，基本上能保证施工质量、达到防渗效果。

　　对在复杂地质条件下进行高喷防渗墙施工提出以下几点建议:

　　（1）在设备选型方面，必须采用大功率空压机。因压缩空气除起到升扬置换作用外，还起着一个很关键的作用，保证高压水流压力、方向。

　　（2）加大进浆流量，提高浆液浓度，采用二次制浆法，确保浆液浓度的均匀性。

　　（3）在地层较复杂，特别是砂卵石层（含漂石、孤石较多的地层）灌浆宜采用间歇提升法，即每提升30cm，停5min。同时，加强孔口回转灌浆，确保防渗墙上部质量。

　　（4）对于特殊地层，特别是砂卵石、孤石、溶洞地层，提升速度、进浆量及比重等主要技术参数应根据现场试验而确定。 　 原作者： 曹宏新  
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