单管高压喷射注浆法在黏性土工程中应用的初步探索

单管高压喷射注浆法在黏性土工程中应用的初步探索

王树龙¹　周建忠²

（1.昆明市水利水电勘测设计院　2.云南省地矿局807队）

摘要：单管高压喷射注浆法应用于黏性土中，改变黏性土的性状，提高黏性土的防渗性能，其设计和施工均无成熟的经验，目前国内应用较少。从理论分析入手，结合现场实地试验，取得一系列参数，用于保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场主坝及左、右副坝高压旋喷防渗墙工程，收到良好的效果。

关键词：注水试验　高压喷射　单重管　旋喷　防渗墙

一、前　言

高压喷射注浆法，是由水力采煤技术原理发展而引进到岩土工程中的一项创新技术。其原理是利用高压射流作切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时注入水泥浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场系为满足保山市城市固体废物能安全卫生填埋而建，主要由钢筋混凝土截污坝（主坝）、左副坝（毛石砌筑）、右副坝（毛石砌筑）、挡土墙（毛石砌筑）、后坝（黏土坝）组成，占地200余亩。根据水文工程地质勘察报告，主坝及左、右副坝坝基存在渗漏问题，且系中软场地土，因此确保填埋场投入使用后垃圾产生的渗沥水不外渗、不污染填埋场下游方，成了该填埋场是否能成功建成的关键。在分析论证的基础上，决定采用高压旋喷方案建立防渗墙，来解决主坝及左、右副坝地基的渗漏问题。

二、场区地质情况

（一）地形地貌

保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场位于保山盆地南部丘陵地带，距保山市区22km，场区地处保山盆地南部低山丘陵地带的宽阔谷地，场区谷地长、宽均约为400m，最高点1 697.40m，最低点1 667.10m。

（二）区域地质、水文地质概况

场区位于保山盆地南部丘陵区。保山盆地处于念青唐古拉山褶皱、三江褶皱带、保山镇康褶皱束北段，为断陷盆地，盆壁西陡东缓。盆区内新生界沉积物厚度大，最厚处近1 100m。盆地内地层主要为第四系全新统冲、湖积层及更新统冲、湖积层，岩性以黏性土为主，夹少量沙砾石层。盆地基底基岩多为碳酸盐岩，基底有隐伏断裂存在。

盆区第四系全新统冲、湖积层分布广，含孔隙水，由于含水层薄而且含泥质较多，水量极为贫乏。西部山前地带，分布冲、洪积层，含孔隙水，水量中等—弱。第四系全新统之下及盆地边缘，分布更新统冲、湖积层，含孔隙水，水量中等—弱。盆地周围基岩山区大面积分布中生界和古生界碳酸盐岩含水层组，岩溶发育。含丰富的岩溶水。

（三）地质构造

据《保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场详细工程地质水文地质勘察报告》，场区处为一两翼平缓，核部开阔的南东—北西向倾伏向斜构造，倾伏端为北西向，倾伏角2°左右，场区处于向斜核部。

（四）场地地震效应

保山盆地按《建筑抗震设计规范》附录A《我国主要城镇抗震设计烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组》规定为抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度值为0.20g，第二组。

据《保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场详细工程地质水文地质勘察报告》，场地地基土主要为老黏性土，其承载标准值f_k为160kPa，场地土为中软场地土，不存在可能液化土层，所以场地土可判别为不液化土。

（五）场区地层

据区域地质资料，场区出露的第四系地层主要以黏性土为主，厚度大于300m。场区浅部地层，经钻孔揭露，主要由灰色黏土，杂色膨胀性黏土、灰黑色黏土组成，按自上而下顺序分述如下：

1.黏土（Q^dl－al_h）

灰黄色、灰黑色，中等—高压缩性，软塑—可塑状态，土体结构松散。土体由灰黄色膨胀性黏土与灰黑色黏土混杂而成，局部以灰黄色膨胀性黏土为主。土体物理力学性质差异较差，极不均匀。表层具弱透水性。

2.膨胀性黏土（Q^al－l_p）

以灰色、灰黄色为主，少量褐红色、褐黄色，总体表现为杂色，中等压缩性，一般为硬塑状，局部坚硬或可塑。土体由膨胀性黏土组成，其自由膨胀率26%～99%，膨胀差异大。土体具有在天然状态下坚硬，遇水变软的水理特征。胀缩裂隙发育，表层尤为明显，少数裂隙可延伸约10m深，表层土体多被裂隙切割成棱角形土块。土体中的裂隙以胀缩裂隙为主。极少数为构造裂隙、原生裂隙。裂隙多为闭合状，少数为张开状，但多有后期黏土充填。黏土矿物成分以蒙脱石及石英为主。蒙脱石含量34%～48%，石英含量30%～49%。该土层透水性不均匀，整体为不透水层，但在局部裂隙发育地带具中等透水—弱透水性，透水性强弱与裂隙联通有关。

3.黏土（Q^al－l_p）

灰黑色、深灰色，中等压缩性，一般为可塑性，局部硬塑状，高孔隙比，半固结成岩，土体密实，均匀性好。土体中可见少量裂隙，裂隙面光滑，镜面清晰，呈闭合状。土体中局部地段可见少量植物碎屑残片，成半腐状态。土体顶部局部地段可见干缩裂隙发育，风化退色现象明显。土体在局部裂隙发育地带具中等透水—弱透水性。

三、试　验

（一）试验地段、排距及桩距的确定

在右副坝与主坝处、主坝与左副坝处进行试验，旋喷桩排距为700mm，桩距分别按700mm、800mm布置进行施工（见图1高压旋喷工程试验孔平面布置图）。

其相关高压旋喷参数以现场试验为主。目的是提高基础的阻水防渗性能，达到防渗要求。

（二）选用施工设备

根据该工程的特点，本着施工简单、操作灵活、成本低、便于管理、确保质量的原则，选用HT－30型、HT－150B型旋喷钻机造孔和喷浆，同时选用BWT70/50型高压喷浆泵对浆液进行加压和输送。

（三）喷浆材料、施工用水

选用保山市水泥厂生产的复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5。施工用水采用施工面上游蓄水池，水质符合混凝土拌和用。

（四）试验施工方法、工艺

1.方法

采用单重管高压喷射，单喷嘴、旋喷形成防渗墙的方法进行施工。

2.工艺流程

钻机就位→钻机插管（先导孔施工）→搅拌配制水泥浆液→喷射作业→拔管→清洗→移机→回填注浆。

3.试验拟定技术参数

在右副坝与主坝处、主坝与左副坝处进行试验，旋喷桩排距为700mm，桩距分别按700mm、800mm布置进行施工（见插图：高压旋喷工程试验孔平面布置图）。

（1）旋喷压力：25～30MPa；

（2）旋喷转速：15～20r/min；

（3）提升速度：6～12cm/min；

（4）旋喷泵量：45～60L/min；

（5）喷嘴直径：1.8～2.2mm；

（6）浆液水灰比和比重：1.25∶1、1∶1、1.42～1.46g/cm³；

（7）水泥平均单耗量：320～450kg/m。

（五）试验成果分析

（1）通过单孔成果值表明，孔距800mm虽然也能形成防渗墙，但桩之间的土质性能改变不显著。

（2）检查注水试验分别在旋喷桩体、旋喷桩之间进行布设试验孔，共布设试验孔4个，其中2个位于旋喷桩上，2个位于旋喷桩之间，通过注水试验检查，其渗透系数k值为2.9^－9～9.9^－9 m/s，说明防渗墙已经形成。

（3）开挖检查，已见水泥凝结体具一定强度，高压旋喷施工范围内，旋喷桩之间已相互串通，形成一道防渗墙。

以上表明采用单重管高压旋喷注浆法，能满足保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场的防渗要求，试验施工中采用的高喷参数适合该工程的特点，确定了该工程的生产性高压旋喷施工的高喷参数。

通过试验用于指导该工程的生产性高压旋喷施工的技术参数，仅对旋喷桩选为排距600mm，桩距700mm。主坝因为是重要部位，宜为三排，左、右副坝为二排，呈梅花形布置，水泥单耗量为380～420kg/m，其他技术参数用试验参数。

四、工程施工

高压旋喷防渗墙位于钢筋混凝土截污坝（主坝）、左副坝（毛石砌筑）、右副坝（毛石砌筑）的基础上，其主坝全长172.75m，左副坝长149.10m，右副坝长168.70m。拟定主坝为三排孔，呈梅花形布置，排距为700mm，孔距为700mm；左、右副坝为二排孔，呈梅花形布置，排距为700mm，孔距为700mm。

（一）施工设备

除选用XU－100、XU－150型地质钻机5台用于旋喷桩的先导孔施工外，其他设备同试验阶段。

（二）施工材料

选用保山产的复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5，由蓄水池供工程用水。

（三）施工工艺

采用单重管高压喷射，单喷嘴、旋喷形成防渗墙的方法进行施工。

工艺流程：钻机就位→钻机插管（先导孔施工）→搅拌配制水泥浆液→喷射作业→拔管→清洗→移机→回填注浆。

五、效果分析及评价

（一）单孔、单元评定

1.单孔资料分析

整个工程分为主坝及左、右副坝共三个坝段（包含试验段），共施工旋喷桩1 424棵，其中主坝段旋喷桩734个，左坝段旋喷桩418个，右坝段旋喷桩220个，试验段旋喷桩52个，其施工时采用的高压旋喷参数为：①旋喷压力：28～30MPa；②旋喷转速：16～19r/min；③提升速度：6～12cm/min；④旋喷泵量：46～60L/min；⑤喷嘴直径：1.8～2.2mm；⑥浆液水灰比和比重：1.25∶1、1.42～1.46g/cm³；⑦水泥平均单耗量：398.5kg/m。均满足施工试验所提出时参数。

2.单元质量分析

为更好地进行工程质量评定，依据《水利水电基本建设工程竣工验收规程》、《水利水电基本建设工程施工质量评定规程》、《水工建筑物防渗工程高压喷射灌浆技术规范》及结合该工程特点，进行单元工程划分。

依据相关要求进行了自评，并报监理部门、业主方进行评定和复核，其结果为：主坝施工水平长164.74m，共分为三个单元，旋喷桩734棵，其中第一单元里程为0＋003～0＋058.30，旋喷桩243棵，全部合格，其中优良241桩，优良率99.2%；第二单元里程为0＋058.3～0＋113.6，旋喷桩243棵，全部合格，其中优良225桩，优良率92.6%；第三单元里程为0＋113.6～0＋164.74，旋喷桩248棵，全部合格，其中优良236桩，优良率95.2%。左副坝施工水平长149.30m，分为三个单元，旋喷桩418棵，其中第四单元里程为0＋003～0＋053.40，旋喷桩144棵，全部合格，其中优良139桩，优良率96.5%；第五单元里程为0＋053.40～0＋103.80，旋喷桩144棵，全部合格，其中优良138桩，优良率95.8%；第六单元里程为0＋103.80～0＋149.30，旋喷桩130棵，全部合格，其中优良130桩，优良率100%；右副坝由于设计变更，施工水平长80.00m，分为一个单元，编号为第七单元，里程为0＋003.00～0＋080.00，旋喷桩220棵，全部合格，其中优良218桩，优良率98.6%。试验段为一个单元，编号为第八单元，位于左副坝与主坝处、主坝与右副坝处，共有旋喷桩52棵，全部合格，其中优良52棵，优良率100%。

综上所述，整个工程八个单元工程，经评定全部合格，其中优良单元工程八个，优良率100%。

（二）现场开挖效果

施工中，为更直观评价高压旋喷施工质量，由现场监理，根据施工情况随机布设开挖检查槽，即在试验段、主坝、左、右副坝共进行了五个开挖检查槽施工，从已揭露的旋喷桩来看，排距600mm，桩距700mm，大部分旋喷桩已搭接，桩与桩之间的土体性能明显改善，与旋喷桩一体，形成复合体，成为防渗墙，起到了阻水防渗的作用。

（三）注水试验

本工程共进行了20次注水试验，注水试验孔由现场监理和施工方在仔细分析原始资料和结合施工情况，本着合理均匀的原则布设。试验成果：最大渗透系数9.9^－9m/s，最小渗透系数0m/s，均达到该工程的防渗标准：1×10^－8m/s。

该工程通过验收后，被评为优良工程。

六、结　语

（1）高压旋喷桩是一种复合桩体，用于地基的防渗处理，由于经验较少，一定要进行试验，以获得适合于该工程的指导性相关参数。

（2）施工试验、工程施工边探索、边施工，在技术人员和施工人员的共同努力下，使单重管高压旋喷注浆法得以在保山市隆阳区长岭岗固体废物安全填埋场工程中实施，效果可行。

（3）高压旋喷注浆法，最好能够配备性能良好的自动化量测系统、计算机监控系统。

（4）施工过程中要及时整理技术资料，建立健全施工日志记录制，掌握工程进度，对施工情况进行分析、控制。

（5）高压旋喷采用设备简单、机动灵活、成本低、施工深度大（目前已发展到90m），机具轻便，施工速度快，振动小，便于管理，且受地形影响较小等特点，在城市建设基坑开挖中，如遇流沙、基坑坍塌，影响上部建筑物，可采用高压旋喷桩套接护壁。可用于加固软弱地基，水库防渗加固处理，江河堤坝加固等。

（6）应注意的问题，孔深大于20m时，当垂直度不能保证时，高喷凝结体下部搭接处将出现开叉，使墙体强度减弱或出现渗漏，如桩距设计不当，将导致高喷体搭接不良或墙体强度不够。由于高喷施工属于地下隐蔽工程，施工后的质量控制和检查存在不直观、随机性和可操作性差等特点。以上问题可通过合理的设计和严格的施工管理来解决。

参考文献：

［1］李相然，贺可强.高压喷射注浆技术与应用.北京：中国建材工业出版社，2007.

［2］徐至钧.高压喷射注浆法处理地基.北京：机械工业出版社，2004.