二期围堰高压喷射灌浆生产性试验
摘要：通过高压喷射高喷灌浆生产试验，为将高喷作为二期围堰防渗的辅助手段提供可靠依据，同时将高压喷射灌浆技术提高到了一个新水平。
关键词：二期围堰 高压喷射 生产性试验
1 概况
1.1 前言
?高喷灌浆作为一种新型技术在一期土石围堰块球体处理及下游引航道防渗工程中发挥过重要作用，是一种工效很高的防渗工艺。二期围堰是三峡工程关键项目之一，其特点在于防渗工程难度大、工期短、强度高。高喷灌浆防渗主要技术难点有水下抛填风化砂和平抛垫底造孔孔壁稳定问题；残积块球体和强风化岩层中的团块造孔难度大，工效低，造孔精度和喷射成墙问题；深槽陡坡段成墙工艺等。为探索在这样的地层解决高压旋喷灌浆难点的措施，保证旋喷成墙工艺作为一种辅助手段在二期围堰防渗工程中顺利进行，同时，通过二期围堰高压旋喷生产性试验。引进较为先进的造孔与喷射工艺，将高压喷射灌浆技术提高到一个新水平。在二期围堰防渗施工前，选择左上接头进行二管法和新三管法高压旋喷生产性试验。本次试验根据不同的试验目的，先后进行了高喷柔性浆材试验、单桩试验、双排旋喷试验、三排旋喷试验、双排旋喷围井试验、三排旋喷围井试验、岩面结合试验、700陡坡模拟试验及仪器配套试验等。本次试验历时3个多月，完成钻孔8960.1m，喷射8215.5m。本文主要就生产性试验进行一些。
1.2 地质条件
?高压喷射灌浆试验安排在二期上游围堰左岸坡部位，主要由风化砂回填层、覆盖层(上部为厚度不等的粉细砂层，下部为冲击砂卵石层，局部含棕色漂石层、块球体等)和基岩组成。基岩强风化层呈两端厚，中间薄的分布状态。左右端最大厚度分别为13.0m和10.0m，其中部分区域存在风化团块、石蛋等。
1.3 施工布置
??试验区自0+78.58～0+150.08共72.5m，根据孔排距的组合及工法的不同分为10个区，依次为 V、IV、Ⅲ、II、I、A、B、C、D、E，另外在轴线下游侧还布置有 M、N、X、Y四个围井，其布置见平面布置图，其中 V、IV、III、II、区及N、X围井为新三管法试验，其余为二管法试验。
2 旋喷试验工艺
??试验同时采用了两管法和新三管法两种工法进行。
2.1 新三管法
?新三管法是以水、气、浆为介质喷射的工法，是在老三管法的基础上改低压注浆为高压射浆，形成双介质高压喷射的施工方法。新三管法的工艺特点是首先用高压水切割冲击原始地层，然后再用高压浆对地层进行二次切割。同时由于浆、水嘴间距较大，水对浆的稀释作用大大减小。新三管法与原三管法相比，不仅增大了喷射半径，也提高了凝结体的结石率及强度。
2.2 两管法
?这里介绍的两管法，是在原两管法的基础上起来的，与目前国内流行的以加固软基为主的两管法不同，该工法具有超高压力和大流量、以防渗加固为主，应用领域更为广泛的一种工法，其射浆压力可达50MPa。其工艺特点是直接用浆气喷射原始地层，采用高性能的高喷设备，使射浆有足够的射流强度和比能对地层进行切割、搅拌。由于浆液粘度较大，对地层中小颗粒的升扬置换压密作用明显，因此无需采用高压水切割地层，喷出的浆液不易被稀释，形成的墙体水泥含量大、强度高，对于处理大孔隙地层具有独特优点，是适应较广的工艺方法。
3?单桩试验
3.1 单桩试验目的
?对不同密实度的地层分别进行不同高喷参数组合的喷射试验，探求其相应层位的旋喷桩形态，通过开挖观测其有效桩径、胶结情况及结石强度，寻求不同地层中孔、排距的最佳参数组合，为旋喷生产提供参数及工艺措施。
3.2 单桩试验布置及实施
?两管法布设在高喷轴线下游侧 5～9m范围内，呈梅花状三排布置，孔排距均为2.0m。根据地层标贯度N63.5值的差异，分6组做不同提速和浆液配比的试验。
3.3?单桩试验开挖及数值分析
??二管法喷射在正常情况下可得出以下结论，开挖出的桩径比较均匀完整。性较强。
?(1)在提速相同，N值差异大的情况下，保持喷射参数P与流量Q不变，慢速(10～15cm/min)提升最小半径Dmin＞1.6m；中速(20～25cm/min)提升Dmin＞1.4m；快速(30cm/min)提升Dmin＞1.35m。说明在喷射能量达到一定值时．提升速度及N值与最小桩径成反比。
(2)N值相同,提升速度从中速到快速，最小桩径分别为1.4m与1.35m，进一步证实喷射能量达到定程度后，提升速度对最小桩径的影响呈缓慢递减的趋势。
(3)N值在中等范围内不同提速下的最小桩径：中速提升Dmin＞1.43m、快速提升Dmin＞1.4m。
?(4)通过剖切旋喷桩内部直观检查：二管法在能量达到定程度后。成桩直径较大，对喷射有效范围内地层的搅拌及半置换作用比较明显，密实性好。
?新三管法单桩开挖后得出最大直径1.80m，最小1.00m，一般1.40m左右；显著特点是大小不均，呈层状有规律地同时扩大或缩小，分析其原因有以下两点：单桩试验区紧靠路边。在填筑过程中大型汽车往来碾压，使得本区地层密实程度较高；回填风化砂分层碾压，层面处与层下密实度差别较大，桩径变化明显。不同类型风化砂桩径也有很大变化，在含粘土量多的风化砂中桩径较小，反之则大。单桩开挖共挖深5.0m，揭露出7层风化砂填筑层，为了摸清每层风化砂的密实度，根据其深度逐层进行了标贯试验，以便对应桩径分析各种变化规律。通过对新三管法单桩数值分析初步得出以下结论：
?(1)回填细颗粒含粘土类风化砂标贯度13～20之间，当N＝15，喷射有效直径1.3m，需要喷射比能约40MJ/m；密实度每增减一击，相应需要增减约10MJ/m的比能才能保证桩径1.3m左右。
(2)回填粗粒风化砂标贯度在15～26之间，当N＝15，喷射有效直径1.3m，喷射比能不低于55MJ/m；
?(3)强风化岩上部标贯度70～120，与粗粒风化砂层相比，要达到同样的喷射效果，喷射比能要增加3～4倍。
4 高喷墙生产性试验
4.1 高喷墙主要性能设计指标
?高喷墙主要性能指标应与二期围堰塑性混凝土防渗墙的性能指标相匹配，具体要求如下：
?抗压强度：R28＝4～5MPa
?抗折强度：T28＞1.5MPa
渗透系数：K20＝i×10-5～10-6cm/s
?初始切线模量：EO＝500～700MPa
? 渗透比降：J＞80
4.2?试验参数的确定
??根据单桩试验结果及生产性试验高喷墙设计性能指标，确定高喷参数见表1，表2。
表1三管法高喷参数
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4.3?试验实施
试验顺序：先施工下游排，然后上游排，最后施工中间排；围井先施工外排，后施工内排，最后施工中间排；新三管法每排分两序施工，先钻、喷 I序孔，后钻喷序孔；二管法因影响范围大，初期按三序施工，后期按两序施工。
?试验工艺流程如下：
?测孔定位→钻孔→下喷射管→制浆→喷射、提升→静压充填灌浆→喷射成墙
5 围井试验
5.1 围井试验目的及布置
??围井试验的主要目的首先是为了开挖后能够直观检查桩体间的胶结情况，以及在不同地层中旋喷桩直径，特别是在强风化层中旋喷桩在1.0m孔距下能否实现连接；其次通过注、压水试验了解围井的整体防渗性能。两种工法各布置一个二排和三排围井，二管法为 M、Y，新三管法为 N、X，孔排距均为1.0m和0.8m，其中 M、N、Y借助于试验轴线上同样孔排距段作为围井的一边构筑而成(Y为封底围井)，X围井为了进行破坏性压水试验的需要而远离墙体轴线，单独构成封底围井。布置见试验总布置图。
5.2 围井开挖描术
?二管法构筑 Y、M围井开挖情况如下：Y围井封底深度为21.0m，在挖深至17.0m时底部互相胶结成一体，无法继续下挖；M围井挖至强风化层顶板以下1.0m左右。
?直观检查：桩间胶结性良好，在填筑层其最小搭接厚度大于40cm，平均搭接厚度为45cm，最小桩径≥140.0cm平均为150．0cm。井壁四周桩体自上而下向井内挤压，个别桩比较明显。Y围井的 Y1-2，M围井的 M1-3、M1-12，桩体在10.0m处上下错位，是因为喷嘴堵塞后，拔出喷管清洗时塌孔，重新移孔位再喷之故。在各种地层交接面，桩径变化较小，如粉细砂层与砂砾石层等不同地层，相对填筑层桩径变化不大，胶结情况良好，砂砾石层桩径外表均匀性稍差，底部强风化顶板蚀余块球体与墙体胶结良好，但局部存在喷射盲区。在M围井桩体进入强风化层顶板0.5m深处，发现四处渗漏，在围井上游面靠左岸的拐角处渗水量达12.5L/min，因此，桩体在强风化岩层内成墙的范围尚待进一部论证。
?新三管法构筑完成的 N、X围井开挖情况是：N围井为不封底井。挖深至9.5m时遇强风化内块球体，并逐渐进入强风化，在14.0m处井底被一块大石封住，停止下挖；X围井为封底围井，挖至12.5m时遇封底层开挖结束。统观两围井井壁可以看出：墙壁直立，结构规则，与设计图形状致。两井桩间连接无明显的凹凸状，在填筑层内有效桩径为1.4～1.6 m，桩间连接厚度与桩径差别不大。N围井开挖的井壁中填筑层内含块石．墙体与下部块球体的连接较好，在强风化中桩径收缩较大，据在13.0m(强风化内3.5m)几处探坑实测，桩径约1.0m，与上部回填层相比桩径减小40％，部分含蚀余块球体的地方桩体难以连接。
6 岩面结合试验
6.1 试验目的及布置
??验证强风化岩层中的喷射桩径及连接情况，为强风化层中设定喷射参数提供依据，岩面结合共布置8个孔，其中5个孔孔距1.2m。连成墙体。另外3孔为单桩，分别试验双水泵、单水泵及单水泵加高压泥浆泵喷射状态下的桩体直径，基本参数为水压40MPa，浆压39MPa。
6.2 开挖检查
??5个1.2m孔距连锁桩开挖深度7.5m，在4.5m深处有一条岩脉斜穿过墙体，墙体与岩脉连接较好。没有发现漏喷孔洞。5．5m深处开始进入全、强风化，开挖证明桩体间已经实现连接，桩径约1.2m，上部风化砂中桩径1.6m。
??通过开挖检查可以看出墙体在强风化层中能够形成桩体．但桩径已大为减小，如要达到和上部回填层同样的桩径，喷射比能需增加。
7?70°陡坡高喷试验
7.1?目的及实施
??为寻求二期围堰深槽陡坡段防渗处理采用高喷的可能性，利用单桩开挖的斜面人工浇筑700混凝土试验槽，模拟二期围堰深槽陡坡，在斜面上以孔距1.0m布置2孔，采用三管法进行高喷试验。
7.2?开挖检查
?开挖检查发现，旋喷桩与斜面联结牢固紧密，局部桩体扩大，与斜面接触面增大，在两桩中间与斜面接触部位，没有出现预想中的喷射盲区，接缝连接紧密，最簿弱部位37cm。
?以上表明，利用高压旋喷桩在喷射参数恰当的情况下，可以作为辅助手段解决700陡坡段的防渗处理，之所以没有出现漏喷现象，主要是因为喷射桩径大于设计桩径；因此要解决喷射盲区，及增大喷射厚度可以加大喷射能量，通过增加桩径加以解决。
8?综合评价
8.1?最佳孔排距组合
??通过高喷墙钻孔取芯及压水渗透系数K值分析，孔距1.0m，排距0.8m的布孔方式高喷墙效果最为理想，芯样水泥含量较均匀，K值全部合格，离散性较小，从围井直观检测桩间搭接厚度大于30cm。
?孔距为0.8m，排距为0.6m的区域。检查孔取出的芯样水泥含量不均匀，局部含量很高，K值全部合格。查阅钻孔原始记录及喷射记录可知，一序孔风动冲击钻孔及喷射时，该区域均发生串通现象，因此Ⅰ序孔喷射完后、其成桩范围接近Ⅱ序孔孔位，局部还超过Ⅱ序孔孔位，使Ⅱ序孔喷射范围大小不均，并不理想。
?孔距为1.2m，排距为1.0m的区段在覆盖层中浆液与粉砂及砂砾石胶结强度较高，填筑层内胶结一般，局部水泥含量低。压水渗透系数K值全部合格。考虑到地层不均匀及块球体对喷射范围影响，桩体之间成墙搭接不可靠，因此不宜采用此种孔排距组合。
?在进入强风化层后，各区段压水时均发现有强风化层上部漏水现象，说明旋喷桩进入强风化层后产生缩径。
从对试验墙体检查结果来看，三种孔、排距在填筑层中能实现可靠连接，但孔距1.0m排距0.8m为最佳孔排距组合。在强风化层中，孔排距尚需进一步通过试验选定。
8.2 扩散性、均匀性评价
??两种工法喷射形成的高压旋喷桩体，有效桩径较大。对于填筑层、冲积层等软弱地层，其外形较均匀，桩体间胶结良好，从剖切单桩剖面可以看出水泥与地层搅拌充分，胶结良好、密实。在强风化层中桩体形状受地层破碎程度的影响较大，水泥浆扩散范围减小。高喷桩属用射流将水泥浆与地层颗粒就地搅拌(填充并胶结)地层颗粒而成，对桩周围的地层还有挤压 渗透作用。因此，高喷桩墙体性能随地层变化而变化。含砂砾石较多的地层，其抗压抗折强度高；含风化砂、粘土较多的地层，其抗压抗折强度低。
8.3适应性评价
试验结果表明，选择适当孔、排距和喷射参数，在回填层、覆盖层、全风化层中以及强风化层上部，高压喷射灌浆可以形成有效的防渗墙体，在强风化层下部需要配合帷幕灌浆，共同组成防渗体系。对于复杂的块球体架空层也能达到较好防渗效果，对于陡坡段的防渗，高压喷射灌浆可以作为辅助手段。
9 结语
本次试验采用的两种工法均系目前世界新水平。新三管法采用二次冲切，适宜于较密实地层，能获得一定的桩径，且桩体能达到一定的强度。二管法直接用大压力大流量的浆液直接冲射地层，结石强度较高，密实性好，工效高（相当于新三管法二倍)。是目前较为理想应用领域更为广泛的高喷工艺。大压力大流量在一定程度上也代表了高喷灌浆的方向。
?试验所构筑的高压旋喷防渗墙基本达到设计指标，整个试验是成功的，取得了较为丰富的成果。通过试验摸清了三峡这种地质条件下的最佳孔排距组合，针对不同的地层，完善了喷射参数，同时通过改进钻孔设备，为深槽钻孔施工积累了经验，完成了二种工法的设备配套工作。进一步证实高压旋喷是一种能与周围介质实现可靠连接、速度快、机动灵活的一种有效防渗措施，可作为二期围堰较为理想的辅助和突击手段。
?在钻孔过程中，深孔孔斜的控制手段需进一步提高。高喷灌浆自动监测系统的可靠性、进口设备与国产设备配套及配件的国产化尚需进一步改进和提高。强风化层高压喷射的范围尚需进一步探明。
二期围堰高压喷射灌浆生产性试验平面布置图