大粒径地层高压喷射灌浆施工工艺分析

    魏庆东　孙丽萍

    摘要：我国许多已建、在建或待建的水利工程都座落于大粒径地层上。因此开展“大粒径地层高压喷射灌浆防渗技术”研究具有重要的社会经济意义。本文对大粒径地层中高压喷射灌浆施工工艺、施工方法进行了分析。

    关键词：水利工程；大粒径地层；高压喷射灌浆；防渗技术

    1引言

    大粒径地层高喷灌浆防渗技术，一直是国内外公认的技术难题。一是钻孔困难，容易塌孔卡钻，工效低；二是钻孔精度不易保证；三是高喷灌浆时浆液容易流失。所谓大粒径地层系指大于2cm以上粒径颗粒含量占多数的不均匀的地层，包括砾卵石层、卵漂石层、块石层以及它们的混合地层。这类地层广泛存在于山区河床，山前坡地等第四系覆盖层中。另外，某些人工形成的含大量石块、石渣、建筑弃料的回填土也归属于大粒径地层。大粒径地层的一个显著特点是强透水性，在水头作用下不但漏水严重而且易产生管涌破坏，从而导致基础失稳，造成上部建筑物的损坏。所以一旦要求在大粒径地层上进行重要建筑，往往需要对地基进行防渗加固处理。

    2 大粒径地层高喷灌浆成墙原理

    当携带巨大能量的水、气或浆射流冲击大粒径地层时，进入大粒径空隙间的射流，可使其间的充填物直接冲切破坏，作用机理符合细颗粒地层的射流原理；而射向大颗粒上的射流受到大颗粒的阻挡，一方面其冲击能量使大颗粒背后的充填物因射流方向旋转、摆动和提升的交替承受挤压、张拉作用而松动或产生缝隙；另一方面，由于射流的反射作用在喷头周围形成一个强紊流区，紊流互碰撞造成流体势能增大，即形成一个环境高压区处于高能状态下的水、浆、气混合流沿大颗粒之间空隙向周围低压区迅速扩散；并对大颗粒体的背后的充填物起二次切割冲刷作用。同时随着射流方向旋转摆动，形成较强的脉动压力，使空隙间相当数量的细颗粒被推移到较远范围，或者被回流带离原来位置，在水气浆射流的综合作用下，大颗粒间的空隙被浆液所充填，与大颗粒体凝结成一体，形成密实墙体。

    3高喷灌桨施工工艺

    高喷灌浆施工主要包括两道工序:钻孔和喷射灌浆。大颗粒地层高喷施工与老的施工方法相比，在造孔及固壁措施上有了较大改进，施工工艺流程也更趋多样化，应根据地质情况选用最为经济合理的方法。

    3.1 造孔工艺

    大粒径地层中采用传统的泥浆固壁回转钻进工艺造孔的难点在于:泥浆漏失，进尺缓慢；孔壁坍塌，重复钻进；钻具消耗大，因此工效极低。套管跟进钻进工艺较好地解决了以上问题。

    （1）跟管冲击回转钻进

    跟管钻进施工工艺解决了钻孔速度、成孔垂直度、探测大颗粒具体位置三个问题。工艺流程:跟管钻进一注入塑性泥浆或下硬塑管—起拔套管—成孔。

    跟管钻进原理是在风动潜孔锤的下端安装有偏心式扩孔钻头，当钻机正转时扩孔器从中心偏离出去，然后与钻头同步转动，潜孔锤在高压气流的摧动下往复冲击钻进，形成大于套管直径的钻孔，套管随重力下落或被冲击器压入钻孔，钻孔结束后钻机反转，扩孔器缩回与钻头同心同径，然后从套管内提出钻具。

    起拔套管时为防止孔壁坍塌需注入塑性泥浆或下入硬塑管固壁。塑性泥浆是一种比重较大，有一定支撑强度的固壁浆液，分为两类，一类是采用优质膨润土加入烧碱、食盐及塑化剂拌制成的胶质液体，称为冻胶泥浆;另一类是以水泥粘土按一定配比制成的塑性浆液。硬塑管是一种特殊配料的PVC管材，有一定结构强度，能满足护壁要求，同时也比较脆，在厂家加工有2-4个横向条缝带，高喷时硬塑管被强大的射流击成碎片对喷射质量不会产生大的影响。

    跟管钻进造孔不仅解决了大颗粒地层中经常发生的孔壁坍塌难以成孔的问题，同时其对付硬岩、孤石的能力特强，有遇硬则强的特点，与普通回转钻机相比，工效可提高8-20倍。

    跟管钻进工法较好地解决了钻孔孔斜的问题，可控制在0.5%以内，主要有以下原因:a.钻具直径较大( 89mm)，刚度好，弹性恢复完全，在强力冲击下钻杆不会发生弯曲观象；b.采用扩孔器全断面钻进，不会因地层软硬差别造成大的孔向滑偏；c.钻进过程间断多，孔斜偏差延续性较差；d.由于套管底部安装有导向装置，利用套管的刚度导向，孔斜率偏差较小。

    （2）抽筒造孔技术

    在卵石层集中地层可选用抽筒捞取卵石，冲击套管跟进的的造孔工艺。首先采用跟管钻进，用 146m打筒开孔，形成导筒，下入 146mm套管，再用127mm抽筒捞取管内之物，小于套管内径的颗粒直接被抽筒捞出，遇到大卵石用重型冲击头冲击破碎或用小型药包爆破成小块，然后在用抽筒捞出，因此特别适用于颗粒直径小于lOcm，卵石层厚度不大，工程量小，不宜动用大型施工机械的情况。

    技术要点:a.为保证孔斜率要求，导筒埋设垂直是重要的环节，有条件时可开挖预埋，长度不小于3.0m；b.钻之中遇到大块径应及时采取措施破碎，不可硬性击入，以免管靴损坏；c.起拔套管时应注满固壁泥浆，并随时补充浆液保持在孔口;因壁泥浆采用彭润土加外加剂配制，能够在拨套管后孔壁不塌不缩。

    （3）预充填、预压浆技术

    地层储浆条件的具备是高喷灌浆形成凝结体的前提。为防止漏浆，在造孔过程中首先进行充填灌浆。回转钻机由于工藝的要求在钻进时一旦发生漏浆则必须首先把漏浆通道堵住，否则很难继续钻进。过去一般采用投泥球和一些轻质填料的办法只把钻孔附近的空隙堵住，一旦射流喷射通道冲开，还会使水泥大量浪费。因此在钻进过程中研究采用了预充填的办法能够有效防止漏浆。其做法:将砂、粘土混合料以一定的方式充填到地层空隙中，或者逐级充填砂石级配料。针对地下水流速快的地层，成孔后的孔壁保护极为困难，采用预压技术可以把一定范围内的地层空隙用稠泥浆、砂或砂浆充填，使钻孔和喷射区受地下水的影响大大减小，达到保护孔壁和防止水泥浆流失的目的。

    3.2 高喷灌浆工艺

    大粒径地层高压喷浆工艺的特点在于利用水泥浆作为能量载体直接喷射地层，保证了射流所作用的范围内水泥成分扩散均匀；浆液以高压射流方式进入地层减小了浆液被稀释的程度，有利于提高结石率，减少浪费和污染。高压喷浆工艺是大粒径地层中首选的高喷灌浆工艺措施。

    （1）新三管法

    新三管法是以水气浆为介质喷射的工法，是在三管法(水气浆三介质，浆液低压注入)的基础上引进具有国际先进水平的日本系列高压泥浆泵，在水压不变的情况下，改低压注浆为高压射浆，是目前国内处于领先水平的防渗施工工法。新三管法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喷射。由于水的粘滞性很小，易于进入较小空隙中产生水楔破碎效应，对于冲切掺搅置换细颗粒有较好的作用。高压射浆对地层的二次喷射不仅增大了喷射半径，使浆液强制均匀进入被喷射地层，有效喷射距离加大，同时由于浆、水嘴间距较大(水浆射流间距0.5-0.8m)，水对浆的稀释作用大大减小，使实际灌入的水泥浆量增大，提高了凝结体的结石率及强度。本工艺适合于大粒径间含较多密实充填物的大粒径地层。

    （2）新二管法

    与目前国内流行的以加固软基为主的二重管法不同，新二管法是在二重管的基础上发展起来的，具有更高压力和气流量，是一种以防渗加固为主，应用领域更为广泛的工法，在国外应用于卵漂石地层已有许多成功的先例，性能优良的高压泥浆泵可使射浆压力达到50MPa。新二管法工艺特点是直接用浆气喷射原始地层，由于设备性能上的提高，使射浆有足够的射流强度和比能单独完成对地层的喷射，由于浆液粘滞度较大，喷出的浆液在地下流动性差，对于处理含丰富地下水的空隙大砾卵漂石地层是合适的工艺方法。

    参考文献

    [1]张钮明，利用高喷灌浆建造防渗体应注意的问题，《内蒙古水利》，2000.

    [2]王雷，水电站施工围堰高压喷射灌浆防渗技术，《西北水力发电》，2003.