大孔徑螺旋鉆鉆孔高噴防滲墻施工方法研究

劉達 謝為江 胡松濤 姚池

摘要：

傳統(tǒng)的高噴防滲墻施工工藝受限于早期的鉆孔設備，其鉆孔孔徑大多較小，存在鉆孔切割地層、噴漿提升效率不高等問題。通過設備改進，采用大孔徑螺旋鉆機械輔助高噴防滲墻鉆孔，并在鉆具嵌入高壓流體噴射裝置（管路和噴嘴），可實現(xiàn)鉆噴一體施工。依托江西省萬安縣遂川江羅塘鄉(xiāng)防洪工程，開展大孔徑螺旋鉆孔高噴防滲墻施工試驗，并采用數(shù)值計算分析、室內試驗及現(xiàn)場檢測相結合的方法驗證防滲墻成墻效果。結果表明：在相同的地層參數(shù)、孔距、孔深以及噴漿壓力條件下，采用更大的鉆孔直徑和長螺旋鉆鉆孔可獲得更好的破巖效率與地層適應性；從墻體開挖檢測、鉆孔取芯滲透試驗以及高密度電法探測試驗結果來看，采用大孔徑螺旋鉆鉆孔高噴防滲墻施工方法可以獲得良好的墻體質量。

關 鍵 詞：

防滲墻； 螺旋鉆； 高噴法； 大孔徑； 鉆噴一體化

中圖法分類號： TV641.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.027

0 引 言

高噴法是一種采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥基質漿液充填、摻混其中，形成樁、柱或板墻狀的凝結體，用以提高地基防滲或承載能力的施工技術［1-3］。由于高噴法中高壓流體的發(fā)生裝置（高壓漿泵和空壓機）可遠程發(fā)力（即通過管路將流體遠距離輸送到噴頭，將切割地層的能量傳遞到孔內，且能量衰減較小），極大減輕了作業(yè)面上主臺車的負荷，且設備體型相對其他工藝較小，可適應于較狹窄的作業(yè)場地，因此，高噴法施工技術被廣泛應用于水利工程防滲墻施工［4-5］。

常用的高噴防滲墻施工工藝有引孔式高噴技術和鉆噴一體化高噴技術［6-7］，引孔式高噴工藝采用地質鉆機引孔，泥漿護壁返渣，由于泥漿僅能攜帶細顆粒渣料返出，遇礫石和卵石則需要磨碎后返出（或部分擠入孔壁），進尺緩慢，若采用頂驅跟管鉆進工藝，須將卵石擊碎后返出，且鉆孔孔徑較小，效率較低［8-10］。鉆噴一體式高噴是將渣料強行擠壓到孔壁，鉆進速度慢，鉆進過程中會將孔壁擠壓密實，直接影響并降低后續(xù)噴漿切割效率，且一旦遇到漂石地層，難以成孔，即使成孔，也容易被擋住噴嘴，造成局部漏噴的質量缺陷，難以成墻或墻體連續(xù)完整性無法保證，墻體厚度亦難以保證，直接影響高噴防滲墻施工質量［11-13］。無論哪種高噴技術，其鉆孔孔徑大多較小，通常小于200 mm，每孔需要切割的地層范圍依然很大，因此，在實際施工過程中，高噴法存在鉆孔效率偏低的問題。

對此，眾多學者從機械改良、工藝改進和灌漿材料創(chuàng)新的角度進行了不少探索，以提高高噴防滲墻施工工效和地層適應性。毛建平［14］、曾鵬九等［15］在傳統(tǒng)的鉆噴一體式工藝基礎上，引入振孔機進行鉆孔，以振動為主，輔以低速回轉的鉆孔原理成孔，提高了高噴鉆孔效率，但是該方法存在噴漿過程返漿較嚴重的問題，且受限于設備和振孔機理，鉆孔深度有限；Yuan等［16］提出了一種高效的水平噴射灌漿設備，以消除在高噴射壓力下注入大量水和/或灌漿對周圍環(huán)境的影響；徐晨［17］、楊大明等［18］采用高噴與其他多種灌漿方式相組合的方法，以解決地層的防滲和開挖塌坍的問題；郭成超［19-20］、王復明等［21］研究了聚氨酯灌漿在堤壩防滲材料中應用的可行性，以更好適應地層土體，獲得更好的防滲效果。盡管學者們取得了眾多研究成果，但目前仍缺少一種可以同時大幅提升高噴防滲墻施工效率和地層適應性的機械和施工方法。

本文通過設備改造和研發(fā)，將大直徑螺旋鉆與高噴噴漿系統(tǒng)相集成，實現(xiàn)了一體式高噴防滲墻施工。設備的大直徑鉆孔有利于提高鉆孔之間地層的切割效率，螺旋翼片返渣可以將地層中的卵石和塊石返渣排除，擁有更好的地層適應性。最后結合萬安縣遂川江羅塘鄉(xiāng)防洪工程中高噴防滲墻施工試驗，采用開挖檢查、鉆孔取芯和高密度電法探測進行墻身及芯樣的檢測試驗分析。

1 大孔徑螺旋鉆鉆孔高噴防滲墻施工方法

1.1 設備功能特點

受限于早年的鉆孔機械設備能力，傳統(tǒng)高噴法多采用小直徑鉆孔，鉆孔直徑通常為10 cm，鉆孔和成墻的效率都較低，更多適用于淤泥質土、粉質黏土、砂土等松散透水性地基，對于含有漂石或者塊石的地層，鉆孔難以成孔、且耗費的時間較長。事實上，目前大直徑鉆孔設備已經(jīng)非常成熟。

為了提高高噴防滲墻的鉆孔效率和地層適應性，通過設備改造和研發(fā)，將大直徑螺旋鉆鉆孔設備與噴漿系統(tǒng)相集成，高噴孔徑可達20～100 cm，如圖1所示。螺旋翼片返渣可以將地層中的卵石和塊石返渣排出，擁有更好的地層適應性，在設計孔距一定時，大大縮減單孔噴射范圍。相比小鉆孔，加大鉆孔有利于提高兩個鉆孔之間地層的切割效率，由于兩孔之間的地層已被螺旋鉆機提前鉆至松散，其在墻軸線方向的應力已被大幅度釋放，同時還提前釋放出一定的預變形空間，有利于土體被切割時產(chǎn)生破碎變形，也有利于提高高壓流體的切割效率，大孔徑螺旋鉆鉆孔高噴施工設備如圖2所示。

1.2 施工工藝流程

大孔徑螺旋鉆高噴防滲墻施工工藝流程如圖3所示。

（1） 墻軸線測量放樣。

標示防滲墻軸線，標定樁號位置，并做好記錄及維護工作。

（2） 導漿槽開挖。

沿防滲墻軸線開挖導漿槽。

（3） 孔位測量放樣。

根據(jù)設計孔距進行孔位放樣，為保證鉆孔時定位準確，宜沿導漿槽兩側皆設置標記。

（4） 后臺制漿系統(tǒng)布設。

選址時應充分考慮原材料進出場、通電通水方便、漿管輻射范圍等因素。

（5） 高壓流體管路連接。

采用高壓漿管和高壓氣管，將高壓泵、空壓機與高噴鉆機連接。

（6） 漿液配制。

配制并攪拌水泥漿液（根據(jù)工程具體情況設計）。

（7） 鉆孔。

采用大孔徑螺旋鉆噴一體式高噴鉆機自上而下鉆孔作業(yè)，鉆孔直徑可根據(jù)設計墻厚調整，鉆孔時可不進行高壓噴射，即注入低壓水（或水泥漿）、低壓氣，直至進入基巖50 cm以上。根據(jù)鉆塔上的刻度，做好鉆孔深度記錄。

（8） 輸漿輸氣、靜噴、提噴。

根據(jù)工程現(xiàn)場需要調整鉆桿方向，為加強噴射破巖效果，可使鉆桿暫停轉動，噴嘴僅朝向前序鉆孔方向噴射出高壓水泥漿液，然后提升噴桿，使水泥漿液破碎地層后與地層物料充分混合，形成原始地層物料與水泥漿的混合物墻。

（9） 噴頭提升至設計高程，停止噴射，移機至下一個孔位。

（10） 固結成墻。

重復以上步驟，如此循環(huán)，逐孔施工，形成連續(xù)完整高噴防滲墻。

區(qū)別于傳統(tǒng)高噴工藝，大孔徑螺旋鉆高噴施工設備特點在于：

① 鉆具（鉆桿和鉆頭）上已嵌入高壓流體噴射裝置（管路和噴嘴），可實現(xiàn)鉆噴一體化施工，省去一道引孔工序；

② 大部分地層是靠機械翼片切割，僅小部分地層是靠高壓流體切割，靠螺旋翼片返渣，返渣能力強，粗顆粒物料（礫石和卵石）無需磨碎，鉆進效率高，且鉆孔孔徑大。

2 數(shù)值計算分析

2.1 計算模型與計算參數(shù)

采用有限元分析軟件，對傳統(tǒng)高噴和大孔徑螺旋鉆高噴兩種工藝的破巖效率進行計算對比，對應的模型幾何尺寸如表1所列。

兩種工藝均采用相同的鉆孔注漿壓力（32 MPa），注漿壓力以旋噴方式加載，近似認為均勻布置在鉆孔孔壁?？椎自O置基巖段，基巖底部為全約束，頂部為自由面，模型四周設置為對稱邊界，故模擬的是多排連續(xù)孔孔間的應力情況，采用的巖土體物理力學參數(shù)取值如表2所列。

從圖4～5可知，在相同孔距、孔深和注漿壓力條件下，增大鉆孔孔徑可以使得鉆孔周邊的巖土體塑性區(qū)范圍顯著增大。由圖5（a）可知，對于傳統(tǒng)高噴而言，在鉆孔注漿壓力為32 MPa時，單個鉆孔周圍巖土體受到2 MPa以上等效應力的范圍約為0.4 m，此時兩孔塑性區(qū)盡管貫通，但是范圍不大，孔間巖土體破巖效果及與漿液的攪合作用有限。由圖5（b）可見，在其他條件均不變的情況下，將孔徑增大至0.6 m，巖土體在受到2 MPa以上等效應力的范圍幾乎覆蓋整了個模型計算范圍。值得注意的是，為了簡化計算，本次數(shù)值計算采用的是彈塑性模型，是基于連續(xù)介質假定的，可是在實際施工過程中，巖土體受高壓漿液和水壓力荷載作用下往往為松散攪合體，并不完全遵循彈塑性連續(xù)完整介質體的屈服破壞準則。但是，從該假定條件下的結果分析來看，采用大孔徑螺旋鉆孔鉆噴一體化機械施工高噴防滲墻，其破巖效率有較大提升，在相同的地層參數(shù)以及相同的注漿壓力切割巖體條件下，由于輔助鉆孔設備的存在，其可以獲得比傳統(tǒng)高噴防滲墻施工更好的施工效率和地層適應性。

3 施工效果試驗

3.1 工程概況

萬安縣遂川江羅塘鄉(xiāng)防洪工程（嵩陽堤）位于萬安縣羅塘鄉(xiāng)境內，贛江支流遂川江下游段，工程起于嵩陽村，止于寨頭村，位于遂川江左岸，整治河道長8.0 km，工程保護人口0.3萬人、保護耕地333.3 hm2（5 000畝）及G356國道等重要設施。遂川江屬山溪型河流，河道彎曲、洪水暴漲暴落，且水流流速快，沖刷破壞能力強。治理河道上游現(xiàn)狀岸坡無防護，灌溉渠道距離岸邊較近，水流長期沖刷岸坡危及灌溉渠道安全運行。嵩陽堤堤身堤基滲漏嚴重，抵御洪水能力較差，嚴重影響當?shù)厝嗣袢罕娚a(chǎn)生活，制約當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展，故萬安縣遂川江羅塘鄉(xiāng)防洪工程通過在堤身建造防滲墻以提高堤身堤基的防滲性。

按照原設計方案，施工單位于2021年12月開始著手防滲墻施工準備工作，在機械進場前，組織多支專業(yè)隊伍進場踏勘，一致認為，原設計方案中的液壓抓斗方案不適應本工程實際條件，無法正常施工。原因有：① 因井岡山航電樞紐蓄水，地下水位抬高，導致作業(yè)面高程與地下水位之間高差過?。ǖ陀谝?guī)范值），如采用原設計工藝，將發(fā)生槽孔坍塌事故。而且，即便液壓抓斗能抓至槽底，也容易在混凝土澆筑前出現(xiàn)槽底沉渣過厚的現(xiàn)象，導致防滲墻底部“開天窗”，工程質量難以保障。② 場地條件不適應。若將墻軸線挪到堤頂，由于液壓抓斗工藝需要較寬的作業(yè)平臺（至少需9.5 m寬），目前作業(yè)面寬度僅3.5 m左右，遠遠不足施工作業(yè)寬度要求，若繼續(xù)采用液壓抓斗方案，需要增加大量土方填筑，砍伐大量古樹林木，須增加大量建設資金。③ 由于嵩陽堤下部地層（基巖面以上）含有少量漂石，最大粒徑可達25 cm以上，常規(guī)的防滲墻施工機械可能難以穿透該地層，難以入巖，傳統(tǒng)的高噴防滲墻難以實施。

為選擇合適的防滲墻工藝，同時滿足質量可靠、場地適應、技術可行、不突破投資等條件，通過在堤段實施大孔徑螺旋鉆孔高噴防滲墻施工試驗，以觀察增大鉆孔直徑對高噴防滲墻成墻效率和成墻效果的影響。

3.2 墻體檢測試驗

作為一種地下隱蔽結構，高壓噴射灌漿防滲墻的質量檢測和評估一直是一個難題，然而，防滲墻質量對加固堤壩的滲流安全和穩(wěn)定性又起著重要作用。其中，墻體開挖檢測、鉆孔取芯滲透系數(shù)測試、圍井法檢測仍然是確定墻體滲透性最常用的測試方法［22-23］，此外，為了盡量避免對防滲墻造成人為損壞，越來越多的無損檢測方法也被用于墻體質量檢測中［24-25］。

3.2.1 開挖外觀觀測

沿造墻軸線約每500 m開挖一處，每處長3～5 m，深2.5～4.0 m，檢測墻體的外觀質量、連續(xù)性、墻厚。

圖6為開挖后裸露的墻體外觀，從開挖檢查情況來看，試驗段墻體側面較為規(guī)整，致密堅硬，成墻質量良好，墻體平均厚度為38 cm，大于設計墻厚，墻體的外觀均勻、致密、無明顯的孔洞和開叉現(xiàn)象，墻體厚度總體滿足設計連續(xù)完整性的要求。采用大孔徑螺旋鉆噴一體式高噴機械，由于省去了引孔工序，噴桿提升速度更快，更易形成近似等厚的墻體。

3.2.2 鉆芯法檢測

鉆孔取芯法是檢測防滲墻滲透性能最常用的方法之一。施工結束28 d后，沿墻軸線每隔約500 m抽檢1孔，利用鉆機在墻體中鉆取芯樣，描述該芯樣的連續(xù)完整性和墻體高度，每孔選取芯樣1組，鉆孔完成后用水泥砂漿封孔，試驗墻體鉆芯取樣見圖7（a），采用SS-2.5型水泥土滲透儀對采集得到的芯樣進行滲透試驗，如圖7（b）所示，試驗結果見表3。

由圖7（a）可見，鉆取的芯樣大多呈長柱狀，芯樣側面光滑，膠結較好。根據(jù)2組共6個芯樣的抗?jié)B性能試驗結果，兩組墻體芯樣的平均滲透系數(shù)分別為8.33×10-7cm/s和9.12×10-7cm/s，均小于抗?jié)B設計值（10-6 cm/s）?？梢?，采用更高效的大孔徑螺旋鉆孔設備進行高噴防滲墻施工，防滲墻墻體的抗?jié)B性能可以滿足設計標準。

3.2.3 高密度電法儀墻身滲透性能探測

高密度電法以巖土介質的導電性差異為基礎，觀測和研究電流場分布規(guī)律來探測地下地質問題。為進一步驗證大孔徑螺旋鉆高噴防滲墻的成墻質量，采用并行高密度電法探測技術，探測大孔徑螺旋鉆高噴防滲墻墻體的滲透性能。通過注水后的電阻率剖面與背景電阻率剖面進行對比，觀察電阻率變化幅值（η），見式（2），比值變化較大處則判定為滲漏隱患位置。

η=ρB－ρSρB×100%（2）

式中：ρB為背景電阻率；ρS為視電阻率。

本次試驗中，并行高密度電法電極間距2 m，共布置48個電極，合計94 m，其中供電電壓96 V，數(shù)據(jù)采集方式為AM法，供電周期為0.5 s，采樣間隔時間為50 ms。測取兩組數(shù)據(jù)，分別為背景數(shù)據(jù)和注水后的數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)采集時間間隔為3 h，通常認為電阻率變化值大于15%的區(qū)域判定為該區(qū)域有鹽水滲透，對應處防滲墻可能存在墻體不密實或空洞等隱患。

圖8給出了4個試驗樁號段的電阻率分析結果，其中，每個試驗標段分別從上至下分別為：背景電阻率剖面、注水后電阻率剖面及注水前后電阻率變化率剖面結果。

由圖8可知：采用大孔徑螺旋鉆高噴防滲墻施工工藝獲得的各試驗樁號墻段注水前后電阻率值，0+056～0+106段在96～144 Ω·m，0+552～0+602段在78～138 Ω·m，1+079～1+129段在95～175 Ω·m，1+615～1+665段在140～290 Ω·m。盡管各墻段的數(shù)值上各有差異，但總體上，注水前后電阻率變化率并不大，普遍在-5%～10%間變化，未見超過15%的情況，說明墻體整體的滲透性能較好，注水一側的鹽水未滲透到另一側，探測范圍內未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏區(qū)域，墻體完整性較好。

4 結 論

本文針對自主研發(fā)的大孔徑螺旋鉆高噴施工機械設備進行防滲墻成墻效果驗證。依托江西省萬安縣遂川江羅塘鄉(xiāng)防洪工程，采用數(shù)值計算分析和室內、現(xiàn)場試驗相結合的方法，開展大孔徑螺旋鉆孔高噴試驗，得出以下結論：

（1） 大孔徑螺旋鉆孔高噴工藝采用螺旋機械手段輔助破巖，在相同的地層參數(shù)、孔距、孔深以及噴漿壓力條件下，相較傳統(tǒng)的小直徑高噴施工工藝，采用更大的鉆孔直徑可以獲得更好的破巖效率與地層適應性。

（2） 相較于傳統(tǒng)的高噴工藝，大孔徑螺旋鉆鉆噴一體式施工方法由于省去了引孔工序，噴桿提升速度快，提高施工效率的同時，更易形成近似等厚的墻體。大直徑鉆孔有利于鉆孔之間地層的切割效率，螺旋翼片返渣可以將地層中的卵石和塊石返渣排出，擁有更好的地層適應性。通過開挖檢查和鉆孔取芯外觀質量檢測，試驗段墻體并不存在明顯的墻體開叉、漏噴、墻體沉渣、離析斷墻等質量缺陷，墻體總體連續(xù)、完整。

（3） 對采用大孔徑螺旋鉆高噴試驗段墻體進行墻體檢測試驗，結果表明鉆孔芯樣側面光滑，膠結較好，平均滲透系數(shù)均小于抗?jié)B設計值；在試驗墻段使用高密度電法儀進行滲透性能探測，結果發(fā)現(xiàn)墻身并無明顯滲漏區(qū)域，可以獲得良好的成墻效果。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

The borehole diameter of traditional high-pressure jet grouting technique for cut-off wall construction is mostly small due to the equipment limitation.It is difficult to drill in pebble and boulder formations and the drilling，cutting and shotcrete lifting efficiency is low.By improving traditional high-pressure jet drilling equipment，large-bore helical drill was used to assist the drilling of the high-pressure jet grouting cut-off wall，and the high-pressure fluid jet device（pipeline and nozzle）was embedded in the drilling tool，which realized the integrated construction of drilling and jetting.Based on the Luotang Town flood control project in Wan′an County，Jiangxi Province，the cut-off wall construction test with large-bore helical drilling high-pressure jet grouting was carried out，and the wall-forming effect was verified by combining numerical calculation analysis，indoor test and field test.The results showed that under the same formation parameters，hole spacing，hole depth and grouting pressure，larger boreholes and helical drill could obtain better rock breaking efficiency and stratum adaptability compared with the traditional small-bore high-pressure jet.The results of the wall excavation test，core penetration test and high-density electrical detection test show that good wall forming quality can be obtained by using large-bore helical drill high-pressure jet grouting technique.

Key words：

cut-off wall；helical drill；high-pressure jet grouting；large-bore；integrated construction of drilling and jetting