高壓旋噴灌漿加固超深富水砂層試驗研究

趙廷華，申 魯，買巨喆，李雪艷

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南鄭州 450016）

高壓旋噴灌漿是通過高壓噴射流切割土體，使水泥漿液與土攪拌混合，形成水泥土加固體的施工方法。近年來，隨著地下空間開發(fā)和深隧工程的實施，部分工程開始嘗試采用高壓旋噴灌漿加固超深地層。 目前典型工程案例包括：西霞院反調(diào)節(jié)水庫電站廠房基坑采用一排高壓旋噴樁作為防滲墻，最大噴射深度34 m，成墻面積2.4 萬m2，高噴孔間距1 m，分三序施工，逐漸加密［1］；南水北調(diào)中線穿黃工程采用雙管法進(jìn)行超深地層的高噴灌漿試驗，4 次噴射施工后只成功噴射出一根35 m 深的旋噴樁［2］；天津地鐵5 號線凌賓路站采用RJP 工法在軟土地層中施工防滲止水帷幕，帷幕深度29.5～42.5 m，為檢驗高噴工藝效果，在基坑中噴射了2 根試驗樁，后期開挖至20 m 深度，檢查發(fā)現(xiàn)成樁直徑大于2 m，未對超深地層高壓旋噴樁的成樁質(zhì)量進(jìn)行全面檢測［3］。 總體而言，目前采用高壓旋噴灌漿加固深度超過40 m 地層的工程案例較少，在這方面還缺乏成熟可靠的經(jīng)驗。

穿沁隧洞是河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程總干渠穿越沁河的建筑物，該工程擬采用高壓旋噴灌漿對隧洞檢修井洞口和底部的細(xì)砂層進(jìn)行防滲加固，最大灌漿加固深度55 m。 為了確保超深砂層高噴加固體的防滲效果，本文開展高噴工藝現(xiàn)場試驗研究，通過試驗確定施工工法、樁位布置和主要工藝參數(shù)等，以期指導(dǎo)后續(xù)工程施工，并為同類工程提供經(jīng)驗。

1 工程概況

穿沁隧洞工程始于河南省焦作市武陟縣北郭鄉(xiāng)方陵村北，終于嘉應(yīng)觀鄉(xiāng)南賈村南，隧洞總長2 850 m。隧洞進(jìn)口渠底高程92.81 m、設(shè)計水位96.06 m，出口渠底高程88.56 m、設(shè)計水位92.06 m，總水頭差4 m，設(shè)計流量51.7 m3／s［4］。 穿沁隧洞采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機自沁河西岸始發(fā)井出發(fā)，向東下穿方陵村、沁河右岸大堤、沁河主河道、沁河左岸大堤，至沁河?xùn)|岸檢修井接收。 檢修井（施工期間作為盾構(gòu)接收井）位于隧洞出口，為豎井式，頂高程95.56 m，底高程49.81 m，井深45.75 m。 檢修井采用地連墻圍護(hù)加滿堂內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，地連墻外徑21.8 m，內(nèi)徑18.8 m，墻厚1.5 m，墻深76 m；內(nèi)襯墻厚1.2～1.7 m，自上而下采用逆作法施工，內(nèi)襯底板厚3 m。

根據(jù)穿沁隧洞地質(zhì)勘查資料，檢修井地表以下12 m為輕粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土地層，其下為深厚的細(xì)砂層，鉆孔揭露砂層最大深度超過80 m，檢修井井身下部整體位于細(xì)砂層中。 細(xì)砂層富含地下水，勘查期間測得地下水水位為82.12 m，高于檢修井底板32.31 m。地下水和沁河河水水力聯(lián)系密切，水量很大。 細(xì)砂層滲透系數(shù)為1×10-3～2×10-2cm／s，具中強透水性［5］。為了確保豎井開挖以及盾構(gòu)出洞過程中不出現(xiàn)涌水、涌砂等意外情況，必須先對檢修井底部及盾構(gòu)接收洞口進(jìn)行高壓噴射灌漿加固，使之形成具有一定強度和防滲能力的連續(xù)固結(jié)體［6］。 盾構(gòu)接收洞口高噴加固范圍長12 m，寬17 m，深度約24～43 m；檢修井底部高噴加固范圍為底板以下10 m。 檢修井高噴加固范圍示意見圖1。

圖1 穿沁隧洞檢修井結(jié)構(gòu)及高噴加固布置

2 試驗研究總體思路

本次研究主要目的是通過現(xiàn)場試驗確定施工工法、樁位布置和主要工藝參數(shù)，保證高噴灌漿區(qū)域形成連續(xù)的塊狀固結(jié)體、不留縫隙，有效隔斷地下水和基坑的水力聯(lián)系。 高噴施工以及固結(jié)體質(zhì)量應(yīng)滿足下列要求［7］：鉆孔位置偏差≤50 mm，鉆孔傾斜度≤0.5%，固結(jié)體抗壓強度≥3.0 MPa，固結(jié)體滲透系數(shù)≤1×10-5cm／s，允許滲透坡降＞50。

參考目前國內(nèi)高噴灌漿設(shè)備、施工工藝和工程案例，選擇雙高壓三管法和MJS 法兩種工法進(jìn)行現(xiàn)場試驗。 兩種工法灌漿完成后，采用鉆孔取芯、注水試驗［8］等方法對成樁直徑，固結(jié)體的連續(xù)性、強度、滲透性進(jìn)行檢測。 根據(jù)檢測結(jié)果，若只有一種工法滿足要求，則采用該工法進(jìn)行現(xiàn)場施工；若兩種工法均滿足要求，則對兩種工法的成樁效果、水泥耗量、施工效率等進(jìn)行綜合比選，選出最優(yōu)施工方案。

3 雙高壓三管法試驗

根據(jù)高噴樁樁位布置方式的不同，現(xiàn)場進(jìn)行兩次雙高壓三管法試驗。

3.1 直線形布樁試驗

3.1.1試驗方案

雙高壓三管法第一次試驗布置在檢修井外。 試樁共分4 組，每組3 根，共計12 根高噴樁。 每組3 根試樁采用直線形排列，分兩序施工，第一序先噴射兩側(cè)樁，第二序噴射中間樁。 經(jīng)現(xiàn)場測量，試驗區(qū)地面高程為91.40 m，試樁樁底高程為36.81 m，最大樁深54.59 m，高噴灌漿高程范圍為67.76 ～36.81 m，上部23.64 m 為空樁，下部30.95 m 為實樁。

以表 6中的標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分為響應(yīng)值，采用Design-Exper8.0.6對數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分的二次多項回歸方程為：

為了更好地檢驗雙高壓三管法在超深地層的成樁效果，擬定兩組噴射參數(shù)、樁徑和樁間距進(jìn)行試驗。 第一組為常規(guī)噴射參數(shù)，初擬樁徑1 m，樁間距0.7 m，樁間搭接0.3 m；第二組在常規(guī)噴射參數(shù)的基礎(chǔ)上，提高灌漿壓力，減小噴嘴的提升速度和轉(zhuǎn)速，增加灌漿量，初擬樁徑1.5 m，樁間距0.9 m，樁間搭接0.6 m。 第一組參數(shù)用于噴射第1、2 組試樁，第二組參數(shù)用于噴射第3、4 組試樁。 試驗樁位布置見圖2，兩組試驗參數(shù)見表1。

表1 雙高壓三管法第一次噴射試驗參數(shù)

圖2 高噴試驗樁位布置

3.1.2取芯檢查情況

4 組試樁全部噴射完成后，首先對第3、4 組試樁開展鉆孔取芯檢查。 第3 組試樁取芯3 個，2 個芯位于樁中心，1 個芯距樁中心0.40 m，取芯深度32～50 m。 第4 組試樁取芯3 個，2 個芯位于樁中心，1 個芯距樁中心0.35 m，取芯深度38～56 m。 取芯發(fā)現(xiàn)，第3、4 組試樁僅有一個鉆孔在深度45～55 m 內(nèi)取得芯樣，其余鉆孔深度小于45 m 時可取得較完整芯樣。 原因是取芯時鉆孔存在偏斜，隨著深度增加，鉆孔偏出樁體，無法取得芯樣。 結(jié)合取芯時測得的鉆孔偏斜量，深度超過45 m 后，第3、4 組試樁實際成樁直徑為1 m 左右，未達(dá)到預(yù)先擬定的1.5 m，且隨著深度增加，高噴樁存在比較明顯的縮徑現(xiàn)象。

綜上，雙高壓三管法第一次試驗未達(dá)到預(yù)期效果，主要原因如下：一是樁位直線形布置造成取芯時鉆孔偏出樁體，無法判斷45 m 深度以下的成樁情況；二是隨著深度增加，高噴樁存在比較明顯的縮徑現(xiàn)象，實際樁徑小于理論計算值。 結(jié)合本次試驗經(jīng)驗，現(xiàn)場通過調(diào)整試驗方案又開展了雙高壓三管法第二次試驗。

3.2 環(huán)形布樁試驗

3.2.1試驗方案

雙高壓三管法第二次試驗布置在檢修井內(nèi)。 試驗區(qū)為以檢修井中心為圓心、半徑為2.5 m 的圓形區(qū)域。本次試驗共計45 根高噴樁，自外向內(nèi)隔排分序施工。試驗區(qū)地面高程91.40 m，試樁樁底高程36.81 m，最大樁深54.59 m，高噴灌漿深度48.31 ～36.81 m，上部43.09 m為空樁，下部11.5 m 為實樁。

為了優(yōu)化施工參數(shù)，將試驗區(qū)等分成4 個扇形區(qū)域，其中Ⅲ區(qū)為基準(zhǔn)區(qū)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區(qū)在Ⅲ區(qū)基礎(chǔ)上對樁間距、灌漿壓力、提升速度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，對比其施工效果。 試驗區(qū)布置見圖2，4 個區(qū)域試驗參數(shù)見表2。

表2 雙高壓三管法第二次噴射試驗參數(shù)

高噴灌漿完成后，在試驗區(qū)內(nèi)任意選擇6 個點鉆孔取芯，若均能取得連續(xù)完整芯樣，則證明高噴灌漿區(qū)域形成連續(xù)的塊狀固結(jié)體。 對取得芯樣進(jìn)行抗壓、抗?jié)B試驗，另外利用取芯鉆孔進(jìn)行注水試驗，檢驗固結(jié)體強度、滲透性是否滿足要求。

鉆孔取芯率及芯樣強度見表3。 6 個鉆孔的取芯率最小為68.80%，最大為98.50%，平均為82.30%；芯樣平均強度7.7～27.3 MPa，均大于3.0 MPa。

表3 雙高壓三管法鉆孔取芯率及芯樣強度

根據(jù)芯樣室內(nèi)滲透試驗，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)芯樣滲透系數(shù)分別為5.7×10-6、8.0×10-6、4.8×10-6、3.5×10-6cm／s，平均值為5.5×10-6cm／s。 根據(jù)鉆孔現(xiàn)場注水試驗，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)芯樣滲透系數(shù)分別為4.68×10-6、6.84×10-6、1.71×10-6、5.26×10-6cm／s，平均值為4.62×10-6cm／s。 綜合抗?jié)B試驗成果，高噴固結(jié)體滲透系數(shù)＜1.00×10-5cm／s。

綜上，雙高壓三管法第二次試驗對樁位布置和高噴施工參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，通過芯樣抗壓、抗?jié)B、鉆孔注水試驗檢測，地面以下45～55 m 深度的高噴加固體連續(xù)性、抗壓強度、滲透系數(shù)均滿足要求。

4 MJS 工法試驗

MJS 工法是近年來從日本引進(jìn)的一種高壓噴射灌漿工藝，與傳統(tǒng)高噴工藝相比，具有成樁直徑大、樁身質(zhì)量好、對周邊環(huán)境影響小、泥漿污染少等優(yōu)點。 目前，MJS 工法在水利工程中還未見應(yīng)用，為了驗證其在超深砂質(zhì)地層中的適用性，在進(jìn)行雙高壓三管法第二次試驗的同時，在現(xiàn)場又開展了MJS 工法灌漿試驗。

4.1 試驗方案

MJS 工法試驗布置在檢修井外，安排兩組試樁，每組3 根，共6 根高噴樁。 試樁采用三角形布置，初擬樁徑2 m，樁間距1.5 m，樁間搭接0.5 m。 試驗區(qū)地面高程91.40 m，試樁樁底高程36.81 m，最大樁深54.59 m，高噴灌漿深度48.31～36.81 m，上部43.09 m 為空樁，下部11.5 m為實樁。 MJS 試驗樁位布置見圖2，試驗參數(shù)見表4。

表4 MJS 工法噴射試驗參數(shù)

4.2 取芯檢查情況

每組試樁取2 點，共4 點進(jìn)行鉆孔取芯，檢驗高噴固結(jié)體的連續(xù)性、強度和滲透性。 1 ～3 號點取芯率分別為75.00%、81.20%和94.70%，平均值為83.63%。 4號點取芯率為60.00%，由于取芯與噴射時間間隔較短，下部樁體未完全固結(jié)，取出未凝結(jié)的水泥塊，因此取芯率偏低。 4 個點芯樣的平均強度分別為17.1、14.3、11.5、10.1 MPa，均大于3.0 MPa。 根據(jù)芯樣室內(nèi)滲透試驗，平均滲透系數(shù)為6.67×10-6cm／s；根據(jù)鉆孔注水試驗，平均滲透系數(shù)為4.82×10-6cm／s。 綜合抗?jié)B試驗成果，高噴固結(jié)體滲透系數(shù)＜1.00×10-5cm／s。

綜上，兩組MJS 工法試樁檢測成果顯示，地面以下45～55 m 深度范圍內(nèi)，MJS 工法的成樁直徑可達(dá)到2 m，高噴固結(jié)體的連續(xù)性、抗壓強度、滲透系數(shù)均滿足要求。 相比而言，MJS 工法的單樁直徑更大，樁體強度離散性更低，成樁質(zhì)量更加穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）通過雙高壓三管法和MJS 兩種工法進(jìn)行現(xiàn)場噴射試驗、取芯檢查、固結(jié)體強度和滲透性檢測，驗證采用這兩種工法加固超深強透水砂層均是可行的。

2）噴射深度超過40 m 后，雙高壓三管法高噴樁縮徑現(xiàn)象明顯，成樁直徑小于理論計算值。 樁徑減小的主要原因是隨著深度增加，地層壓力加大，返漿量增加，漿液損耗增多。 根據(jù)現(xiàn)場試驗，加固地層深度為40～60 m時，雙高壓三管法灌漿壓力不宜小于40 MPa，提升速度和轉(zhuǎn)速宜分別為5 cm／min、5 r／min，成樁直徑為1 m 左右，連續(xù)防滲體的樁間距宜控制在0.6～0.8 m。

3）MJS 工法設(shè)備具有地層壓力感知、強制排漿等功能，可根據(jù)地層壓力適當(dāng)調(diào)整噴射參數(shù)，成樁質(zhì)量更加穩(wěn)定。 噴射深度超過40 m 后，灌漿壓力不宜小于40 MPa，提升速度和轉(zhuǎn)速宜分別為2.5 cm／min、3 r／min，成樁直徑可達(dá)到2 m，連續(xù)防滲體的樁間距宜控制在1.5 m。

4）以檢修井高噴封底為例，對比兩種工法加固超深地層的施工效率。 采用MJS 工法施工樁間距為1.5 m，在試驗樁的基礎(chǔ)上需要再噴射135 根樁，施工周期56 d；采用雙高壓三管法樁間距為0.7 m，需要再噴射534 根樁，施工周期為160 d。 二者相比，MSJ 工法的效率明顯高于雙高壓三管法的。