（地质工程专业论文）高压喷射注浆法防渗加固机理与施工技术应用研究.pdf

摘要 高压喷射注浆技术具有适用范围广、施工简便、安全可靠、桩 身强度大、材源广、成本低等特点，广泛应用于建筑物地基加固、 地基处理、防渗止水、边坡防护和治理、堤坝防渗等方面，在国内 外得到推广应用。本文在对前人已有的一些研究成果分析总结的基 础上，取得了一些研究成果。 l 、在总结注浆技术在国内外的发展及应用的基础上，分析了注 浆技术的分类及特点，并对高压喷射注浆法的机理、类型、特点及 其在岩土工程中的应用进行了详细的分析，提出了高压旋喷注浆加 固地层的主要作用是浆液与土发生物理化学反应生成水泥土。通过 室内试验及理论分析对水泥土的性能进行了初步研究，指出了高压 旋喷注浆后生成的水泥土仍属于土的性质，其后期强度增长率较为 明显，在高压旋喷注浆设计时应考虑到这些性质。 2 、结合流体的力学特性，高压喷射流的结构，及其在地层中的 破坏机理，对高压喷射注浆技术在砂卵石透水层的扩散范围进行了 研究。通过试验对影响高压喷射浆流在砂卵石地层中的扩散范围的 主要因素：标贯击数、喷射浆流能量、颗粒直径、喷射浆流浆液进 行了初步的研究。 3 、本文对高压喷射注浆技术的特点、主要施工工艺参数、注浆 材料、适用地层范围、加固作用机理、加固处理效果、关键技术参 数及设计进行了详细的研究，对高压喷射注浆法的适用范围、施工 参数的确定、质量检验方法等具体施工过程进行了详细的阐述。 最后，结合两个高压旋喷技术在实际工程的应用实例，总结了 具体工程的试验应用成果和经验。 关键词：高压旋喷注浆技术，围堰，施工工艺，防渗 a b s t r a c t h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yh a sr e m a r k a b l ec h a r a c t e r s o fw i d er a n g ei ns c o p e ，c o n v e n i e n tf o rc o n s t r u c t i o n ，s a f e t y , h i g hp i l e s h a f ts t r e n g t h ，a b u n d a n tm a t e r i a l ，l o w e rp r i c ea n ds oo n s oi ti sw i d e l y a p p l i e di nc o n s o l i d a t i o no fb u i l d i n gf o u n d a t i o n ，f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ， a n t i s e e p a g eo ri m p e r m e a b l e ，s t a b i l i t yo fs l o p e ，i m p e r m e a b l ed a m ，e t c i t h a sb e e ns p r e a d e do v e rt h ew o r l d s o m er e s e a r c hf i n d i n g sh a v eb e e n m a d ea f t e rr e v i e w i n gaf e wr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so f p r e d e c e s s o r s f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z et h ec l a s s i f yc h a r a c t e r so fi n j e c t i o ng r o u t t e c h n i q u e ，d e t a i l e dr e s e a r c ht h em e c h a n i s m ，t y p e ，c h a r a c t e ra n dt h e a p p l i c a t i o n i ng e o t e c h n i q u ei n s u m m a r i z i n g t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no fg r o u t i n gt e c h n i q u eo ft h ew o r l d t h em a i nf u n c t i o no f r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gt h a ts o i lc e m e n t i sp r o d u c eb yt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o no fs o i la n dg r o u ti sp u t f o r w a r d t h ep r o p e r t yo fs o i lc e m e n ti s p r e l i m i n a r i l ys t u d i e dw i t h l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ec h a r a c t e ri sp o i n t e d o u tt h a ts o i lc e m e n tc r e a t e dw i t hh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n gi sp a r to fs o i l a n di t sg r o w t hr a t eo fl a t es t a g ei n t e n s i o ni so b v i o u s t h e s ep r o p e r t i e s s h a l lb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h ed e s i g no fh i g hp r e s s u r ej e t g r o u t i n g s e c o n d l y , c o m b i n ew i t ht h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fl i q u i d ，t h e s t r u c t u r eo fh i g h - p r e s s u r eje tg r o u t i n g ，t h ed e s t r o yt h e o r yi nt h eg r a v e l s t r a t a ，a n a l y s i st h ed e s t r o yr a n g ei nt h eg r a v e ls t r a t aw h e nh i g h - p r e s s u r e j e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h em a i n f a c t o r si n c l u d en u m b e rb l o w so fs t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t ，t h ee n e r g yo f j e tg r o u t i n g ，g r a i nd i a m e t e r , t h es e r u mo fj e tg r o u t i n gw h i c ha f f e c tt h e d e s t r o yr a n g ei nt h eg r a v e ls t r a t ai sr e s e a r c h e d t h e n ，s o m e t h i n gw e r ed e t a i l e ds t u d i e di nt h i sp a p e r , s u c ha sh i g h p r e s s u r ej e tg r o u t i n gt e c h n o l o g yc h a r a c t e r s ，k e yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y p a r a m e t e r s ，g r o u tm a t e r i a l ，a d a p t a b l es t r a t u mr a n g e ，r e i n f o r c e m e n te f f e c t m e c h a n i s m ，r e i n f o r c i n gt r e a t m e n te f f e c t ，k e yt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n d d e s i g n a p p l i c a t i o n r a n g e ， c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s 三s c e n 孤m 昭砌q u a l i f i c a t i o n t e s tm e t h 。d 。f highechnolo p r e s s u 咄tg routinggyw e r ed t e t a i l e de x p o u n d r 。1 儿5 k e yw o r d s ：h i 曲p r e s s u r ej e t g r o u t i n g t e c l u l 。l 。g y ，r e c l a m a t c o n s t r u c t ii。n，on t e c h n o l o g y 。 1 ”儿 s a y懿_ p 加 s n k 奎 i r ，v a z 文 x 睡小 霉一 记髓m 篙一 m e m 黧一 功孙p 跏慨枇= 州 t h 唾 瞅 u 培g 仪吨岵m = 一 ed ，f 钮 1 ， 髓 陀 w ；罢 h 屺譬 g p r 1 x r l黧 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：期：a 旦：茳年血月盘日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名师签名日期：巡年卫月丝日 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 注浆技术概述 1 1 1 注浆技术的发展历史 注浆技术是一项实用性强、应用范围广的工程技术，它已被广泛的应用于 地下建筑、矿山、大坝、隧道、地铁、桥梁等各个领域，主要用于减小岩土的 渗透性、增加其强度或降低地基土的压缩性。为了达到预期的目的，钻机将注 浆孔钻到预定的岩土层后，将浆液以压力注入，直到浆液点周围孔隙或裂隙被 浆液填充到满足设计要求为止。另外，注浆技术也被用来修复各种构筑物的混 凝土裂缝。 注浆技术作为工程技术的一个新领域不过只有一百多年的历史n 州。1 8 0 2 年， 在检修港口城市d i e p p e 损坏的砌筑墙中法国人c h a r e l e s b e r g h y 首次用所谓 “注入法 技术注入悬浮的粘土浆和石灰浆。但在我国几千年以前就普遍使用 粘土、树胶、糯米浆等作为砌块的胶结材料以及防渗水材料，如二世纪的万里 长城、历代帝王的地下陵墓建筑及南北大运河等工程都可以找到在工程实践中 使用封堵材料的证明。 1 8 2 6 年，英国人阿普丁发明了一种能在水中硬结的水硬性材料一硅酸盐水 泥。1 8 3 8 年，马克布鲁业系在英国汤姆逊隧道使用波特兰水泥作为注浆材料。 1 8 5 6 年，英国人w r k i n i p p e 第一次把水泥用于注浆。1 8 6 4 年，德国勒恩矿竖 井用手摇泵注水泥加固井壁。1 8 7 6 年，英国t h a m a sh n w r s t e g 在t a n s t a u 的大 坝基岩上第一个用自源方式用水泥加固岩层。1 8 8 5 年，德国技师t i e t j e n s 提 出在掘进竖井时向岩层裂隙注入水泥浆防止涌水而获得专利。1 8 8 6 年，英国的 克雷阿森研制了压气注浆机向衬砌壁后充填水泥浆n 5 1 。 注浆技术的进一步发展和广泛应用是在矿井建设工程中，主要用于防止竖 井开挖时地下水的渗入，所采用浆液是水泥浆液。1 9 1 0 年，采用了自动记录压 力表，根据记录的注浆形状，作了系统的研究，建立了注浆压力和渗透性之间 的关系。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师e j j o o s t e n 首次论证了化学注浆的可靠性， 采用了水玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于1 9 2 6 年取的了专利。德 国的h a n s j a h d e 研制了水玻璃和水泥上澄液的一次压注法。 注浆技术有系统地改进美国科罗拉多河上的胡佛坝基的帷幕注浆，为了补 救因基坑开挖引起的裂缝，进行了加固注浆。根据胡佛坝基的注浆工程实践， 首次制定了注浆工程设计和施工规范。 上世纪4 0 年代，注浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材 工程硕士学位论文 第一章绪论 和化学浆材相继问世。特别是6 0 年代以来，各国大力发展新型注浆材料，注浆 工艺和设备得到了空前的进步，其应用范围越来越广。 我国对注浆技术的研究和应用起步较晚，但发展较快，某些方面已达到世 界先进水平。我国自2 0 世纪7 0 年代在西南岩溶地区的乌江渡大坝坝基防渗帷 幕注浆采用高压( 6 m p a ) 注浆获得优异成果以后，相继在湖北隔河岩大坝、贵 州东风大坝、辽宁观音阁大坝等岩溶发育地区的大坝中采用高压帷幕注浆，取 得了理想的注浆效果。 近些年来，在我国的铁路建设中，山岭隧道的施工也广泛应用了注浆法。 在地表进行帷幕注浆以截断地下水对隧道开挖的影响，同时在隧道开挖的工作 面上进行预注浆以加固围岩，堵塞地下水。如京广复线上的大瑶山隧道与京九 线的岐山隧道的施工中既使用了地表帷幕注浆，也使用了工作面预注浆方法， 顺利地通过了特大涌水层。 总的来说，经过几十年来注浆工作者的共同努力，在注浆工程领域的许多 方面，如材料品种、施工技术、设备器材、自动控制、检测手段以及处理第四 系黄土层注浆堵水等方面，都获得了重大发展。在注浆材料种类和工艺技术方 面，积累了丰富的工程经验，其中某些方面已达到了相当高的水平，和国际上 也逐步接轨，在某些旌工方法上甚至有其独到之处。 1 1 2 注浆技术在岩土层加固中的应用范围 注浆现阶段在国内外已成为岩土工程中一门专业性很强的学术分支，用注 浆处理各种岩土工程问题，已成为常用的方法。随着注浆技术的日益成熟和发 展，它的应用范围和作用正逐渐扩大。注浆技术在岩土加固中的应用主要包括 以下几个方面： ( 1 ) 大坝注浆加固及防水 大坝注浆始于2 0 世纪2 0 年代，主要有坝基加固和帷幕注浆，兼有防渗与 加固的双重作用。国外典型实例主要有瑞士的m a t t m a r k y 大坝，塞浦路斯的 y e m a s o y i a 大坝，美国的r o c k y - - b e a c h 大坝，德国的f r a l l e n a u 大坝，英国的 w i m b l e b a l l 大坝。在国内有葛州坝，龙羊峡大坝，构皮滩电站及举世瞩目的三 峡工程加】嘲。 ( 2 ) 建筑物基础托换 各类房屋、塔基等。常因各种原因发生沉降并导致上部建筑物的不均匀下沉 和开裂，危及建筑物的安全和使用。用注浆法加固基础下面的孔隙和软弱土层， 可以制止基础继续下沉，而且能将建筑物回升，使不均匀沉降减小叫。 ( 3 ) 隧道及地铁工程 隧道，尤其是水下隧道及城市地铁开挖过程中常常会遇到软弱破碎带及涌 2 工程硕士学位论文第一章绪论 砂涌水现象，致使工程无法正常施工。解决这些难题的首选方法之一就是注浆 法。 ( 4 ) 盾构隧道、基坑工程、管线保护等的跟踪注浆加固 当盾构向前推进时，由于盾构外径比衬砌外径大，随即出现盾尾的空隙， 需采用注浆的方式及时充填处理，减小土体挠动，防止土体坍塌。在基坑工程 中，对支护结构变形，可在壁后跟踪注浆充填法进行加固。 ( 5 ) 竖井注浆 在竖井开挖过程中，常遇到流砂和小稳定地层，用注浆的方法进行加固处 理后再施工。 ( 6 ) 建井穿过含水层注浆 在建井工程中，会遇到井巷穿过含水层，用注浆堵水的方法，加固井巷周 围的含水层，阻止地下水向井巷施工面渗透，保证井巷顺利通过。 ( 7 ) 加固桥索支座岩体 用水泥或高强度化学浆，提高桥梁岩石支座的力学强度和完整性。 ( 8 ) 其它特殊工程的应用 例如，地下核电站土程、混凝土裂纹修补工程和混凝土壁后注浆土程等。 1 1 3 注浆方法的分类 目前注浆方法一般分为两大类，即静压注浆法和高压喷射注浆法口。 ( 1 ) 静压注浆法 静压注浆法是利用液压、气压和电化学的原理，通过注浆管将能强力固化 的浆液注入地层中，浆液以充填、渗透、挤密和劈裂等方式，挤走土颗粒或岩 石裂隙中的水分和空气后占据其位置，浆液固结后将原来松散的土粒或裂隙胶 结成一个整体，从而改变岩土体的物理力学性质。静压注浆法适用土质范围： 中粗砂及砂砾石，破碎岩石与卵砾石，软粘土和湿陷性黄土。 ( 2 ) 高压喷射注浆法 高压喷射注浆法是利用高压射流切割原理，通过带有喷嘴的注浆管在土层 的预定深度以高压设备使浆液或水成为2 0 m p a 左右或更高的高压射流从喷嘴中 喷射出来，冲击切割土体，当喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土 体中剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、 离心力和重力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有 规律的重新排列，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。固结体是浆液与土 以半置换或全置换的方式凝固而成的。 高压喷射注浆具有可灌性、可控性、连接性、灵活性等其它一些特点。 3 工程硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 可灌性 高压喷射注浆是强制性破坏原土层结构，不存在一般注浆的可灌性问题。 尤其是夹杂于地层中的各类土，高喷注浆的效果比一般注浆方法更为明显。 ( 2 ) 可控性 对块石、卵石层的较大孔隙及集中渗漏的空间，以各种射流机理加之绕流、 位移、袱裹等作用将地层颗粒或级配予以充填封堵，已被许多的工程实例证明 效果良好。 ( 3 ) 连接性 高喷板墙与板墙、板墙与已有构筑物及板墙与下部基岩连接时，高喷射流 将原构筑物表面冲刷干净并与其凝结，牢固地溶为一体，不存在接缝问题。 ( 4 ) 灵活性 不需要对地层进行开挖，可以根据工程需要，在钻孔内的任何高度上采用 旋喷、摆喷或定喷工艺在不释放地基应力的情况下构造出各种型式的防渗凝结 体来满足工程需要。亦可通过坝体、涵洞等建筑物对数十米下砂砾层、隐患进 行处理；可在水上对水下隐患或在地下室内对地基进行处理；板墙物理力学指 标可人为通过浆液予以调整。 ( 5 ) 其它一些特点 高压喷射注浆所适应的地层，从8 0 年代中细砂逐步扩展到目前泥、粉土、 砾石、卵( 碎) 石层以及人工回填土和堆石体等：基础处理的深度由早期的2 0 m 左 右，到1 9 9 4 年的5 7 m ，目前已达8 3i n ；相对多种成槽工艺来讲，设备占用场地 小，对施工场所的要求不高：施工速度快、效果好。 高压喷射注浆技术和其它技术一样，其各种工法和喷射方式有一定的适用 范围。 ( 1 ) 单管法：用于加固软土地基，淤泥地层的基坑桩间止水，已有建筑物 纠偏和地基加固。 ( 2 ) 二管法：加固软土地基，及粉土、砂土、砾石、卵( 碎) 石等地层的防 渗加固。 ( 3 ) 三管法：加固除淤泥地层以外的软土地基，以及粉土、各类砂土地层 的防渗加固。 ( 4 ) 定喷适用于粉土、砂土：旋喷、摆喷适用于粉土、砂土、砾石、卵( 碎) 石等地层。 1 1 4 注浆技术理论的研究现状 注浆浆液的流动过程是浆液和介质共同作用的结果，因此，对注浆浆液和 被注介质的认识首先是研究注浆渗流过程的基础。 4 工程硕士学位论文第一章绪论 岩体孔隙或裂隙是浆液流动的通道，由于岩体结构的不同，造成浆液流经 的方式和途径不同，从而产生不同的注浆效果。因此，对岩体结构的研究是整 个注浆理论的基础，现阶段学者主要提出的有以下4 种介质理论。 多孔介质理论。该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体 的通道，根据其孔隙分布情况，又可分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介 质。 拟连续介质理论。该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过该理论应用等 效原理处理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内 每一点上都同时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流 动。 裂隙介质理论。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体 内通过裂隙网络流动。 孔隙和裂隙双重介质理论。该理论认为岩体是由孔隙性差而透水性强的 裂隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时， 既可在介质中流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。 国内外学者为了深入了解注浆，还在室内及现场作了许多注浆模拟试验， 代表性的有以下一些： ( 1 ) 前苏联学者曾进行了细砂层中浆液扩散参数的试验研究，试验中以确 定注浆压力为条件，得出了注浆压力、浆液流量、渗流速度、注浆时间和浆液 扩散半径之间的关系： r = 2 8 3 8 2 p o 5 3 m 0 2 3 口- 0 8 3 t o 5 5( 卜1 ) q = 15 6 4 5 p 1 0 9 m o 4 3 吨5 3 ( 1 2 ) y = 6 18 6 p 1 m o 4 3 m 5 3( 1 3 ) 式中：r 扩散半径( 咖) 丁一注浆时间( m i n ) 尸注浆压力( m p a ) 一浆液粘度( m p a s ) q 浆液注入量( l h ) m 一砂子的粒度模数，m = 2 5 5 5 x 1 0 2 k k 一介质的渗透系数( m s ) y 一渗流速度( e m s ) ( 2 ) 国内在注浆参数方面也开展了一系列注浆模拟试验研究。如中国水利 水电科学研究院研制的平板型注浆试验台，通过试验，建立了牛顿流体在水平 光滑裂隙面内的扩散方程，得出了扩散半径与注浆压力、浆液粘度及注浆时间 5 工程硕士学位论文第一章绪论 之间的关系： r = 9 0 0 5 + t o ( 1 4 ) 式中：尺一扩散半径 最一注浆压力( m p a ) 只一裂隙内地下水压力( m p a ) 丁一注浆时间( m i n ) 口一裂隙张开度( c m ) 一注浆孔半径( c m ) 一浆液粘度( c p _ 厘泊) 在注浆材料方面，国内外现阶段注浆所用的材料一般可分为水泥浆材和化 学浆材。水泥浆材具有固结体强度高、耐久性好、材料来源丰富、工艺设备简 单、成本较低等特点，所以在各类工程得以广泛应用。但这种浆液容易离析和 沉淀、稳定性较差，此外，因固体颗粒较大，使浆液难以注入岩土层中的细小 裂隙或孔隙中。为改善水泥材料的性质，以适应各种不同工程的需要，可在浆 液中加入各种添加剂。近年来，超细水泥的开发克服了水泥浆材难以渗入较细 ( 0 6m m ) 颗粒岩土层中的缺点，并具有水泥浆材和化学浆材的优点，且对 环境无污染。这种新型水泥为注浆界开辟了新的领域，有逐步取代化学浆材的 趋势。在封堵地下水、加固坝基及隧道防渗、堵漏，复杂地基的处理、深基坑 开挖的基坑支护工程中，取得了良好的效果。如浙江新安江大坝及济南铁矿采 用超细水泥注裂缝均达到了预期的目的。但是目前我国超细水泥价格较贵，另 外对超细水泥的渗透机理还有待进一步研究。化学浆液可注性好，能注入岩土 层的细小裂隙或孔隙，但通常化学浆材的结石体强度较低、耐久性较差、对周 围环境和地下水源有污染、价格较贵，因此，对以加固为目的的工程，一般较 少采用化学浆材【1 5 1 。化学浆材有两大类，一是水玻璃化学注浆材料，分为碱性 水玻璃和酸性水玻璃。碱性水玻璃浆材的主要缺点是凝胶体有脱水收缩和腐蚀 现象、耐久性较差并对环境有污染。酸性水玻璃浆材可在中性区域内凝胶，凝 胶体没有碱溶出，不存在碱性水玻璃的腐蚀和环境污染现象，耐久性较好。最 近，铁道科学研究院西南分院研制出耐久性好和抗干缩的水泥一水玻璃浆材， 即在水泥一水玻璃浆材中加入x n 型浆液增塑剂( 硅酸盐体系；低钙铝酸盐和单 质用膨胀剂) ，耐久性达1 0 年以上。二是有机高分子化学注浆材料。此类浆材 具有渗透能力强、固结性能好、抗渗性高和凝胶时间可调的优点，可以解决水 泥浆液无法解决的工程问题。近年来，对原有高分子浆材进行了有效的改进， 如出现了无酸及甲醛溶出的矿用脲醛树脂浆材、无单体溶出的丙烯酰胺浆材及 6 工程硕士学位论文第一章绪论 丙烯酸盐浆材等。而中化一7 8 9 浆材在青海龙羊峡大坝泥化夹层地基中的应用， 使化学注浆材料的研究与应用进入了新的阶段。注浆浆液的性质取决于浆液组 成成分及温度、时间和渗透速度等。最近十多年来，根据注浆的目的、岩土条 件、工程性质、施工技术及造价高低等因素来选择适宜的浆材及合适的浆液配 合比，并采用较稠浆液和使用增塑剂及高效减水剂已成为一种新的发展趋势。 为改善实际工程的注浆效果，除研制合适的注浆材料以外，注浆方法也逐 渐被人们重视。最初采用比较经济简便的钻杆注浆法，继而有用过滤管注浆法 及多重管注浆法、电渗法等。并通过预处理及孔内爆破法，扩大了注浆技术的 应用范围，大大改善了钻杆注浆法等在地基内浆液渗透不均匀的问题【8 】。 1 1 5 注浆技术的发展方向 随着注浆技术的发展，注浆理论研究取得了可喜的成果，但由于受注介质 条件的复杂及注浆工程的隐蔽性，模拟研究比较困难，因此，注浆理论的发展 落后于其它学科专业。 在注浆技术的发展上，要研究出适于注浆方法的注浆材料，同时，注浆方 法应适应注浆材料的改进，并与此同时改进注浆设备、注浆技术的管理以及注 浆效果的检测方法。目前，注浆材料开发了高强度的水玻璃浆液和消除了碱污 染的中性、酸性水玻璃浆液，研制了非石油来源的多种高分子浆液，可注性好 的超细水泥浆液也得到了进一步的应用【4 9 】。注浆机具方面，使用轻小型全液压 高速钻机，注浆设备出现了专用化、机组化、系列化的趋势，研制了高速搅拌 机和各种新型止浆塞和混合器。在施工工艺管理方面更是取得了长足的进步。 注浆方法上，从脉状注浆、渗透注浆发展到应用多种材料、多种工艺的复合注 浆，从钻杆法、过滤管法发展到双层过滤管法和多种形式的双层管瞬凝注浆法， 从无向压注法发展到通电、抽水、压气和喷射等多种诱导注浆法。通过预处理 及孔内爆破等方法，大大提高了浆液的可注性，应用定向钻进、多孔同时注浆 以及增大注浆段长度等综合注浆方法，缩短了注浆工期，加快了施工速度。对 注浆过程的控制，实现了自动记录、集中管理和自动化监控。同时，应用了电 探测、弹性波探测、放射能探测等多种检测仪器。因此，随着化学、机械、电 子、计算机等工业的发展，注浆理论将进一步完善，注浆技术也必将得以更广 泛的应用及高速发展。 1 2 高压喷射注浆技术 1 2 1 高压喷射注浆在国内外的应用和研究现状 高压喷射注浆是利用钻机造孔，然后把带有喷头的注浆管下至土层预定位 7 工程硕士学位论文第一章绪论 置，以高压把浆液或水、气从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，土 粒从土体剥落下来，一部分细颗粒随浆液冒出地面，其余部分与灌入浆液掺混， 在土体中形成凝结体【l 6 i 。 高压喷射注浆技术是日本于2 0 世纪6 0 年代创造出来的一种全新的施工方 法，是在静压注浆的基础上，引进水力采煤技术，发明了高压旋喷加固软弱地 基技术，当时定名为c c p ( c h e m i c a lc h a r n i n gp i l e ) 工法，即单管法。在7 0 年代中期，日本又相继开发出j s g ( j u m b os p e c i a lg r o u t ) 工法，即二重管法。 c j g ( c o l u m nj e tg r o u t ) 工法，即三重管法。上述工法皆为旋喷桩，主要用来 加固滨海淤泥地层，提高地基承载力。目前，日本在原有工法的基础上又开发 了一系列新的工法，例如多管法、超级旋喷法( 直径达3 m ) 以及高压喷射注浆和 深层搅拌法相结合的多种喷射搅拌法【1 4 】。欧洲在引进该项技术后，在施工机械 方面有其自身特点，特别是在隧道建设中有很多水平旋喷加固的工程实例。美 国从日本引进该技术后，对该技术进行了不断研究和发展，9 0 年代以后应用范 围进一步扩大，在基础托换工程、隧道工程、水利工程中均有应用，而且有的 单项工程中使用的规模很大。高压喷射注浆在国外单指旋喷桩工艺【】。 我国是在日本之后对高压喷射注浆技术研究开发较早和应用范围较广的国 家。铁道部科学研究院于七十年代年初率先开始试验旋喷桩并获得成功，此后 该项技术被广泛应用于铁路、市政、建筑工程中的粉砂、淤泥、粘土、黄土等 软土地基的加固。八十年代初山东水利科学研究所运用该项技术原理，先后对 高压喷射注浆设备及工艺进行了系统的研究，使改进后的高压喷射注浆设备及 工艺更加适合堤坝防渗施工的要求，并先后在白浪河水库、大冶水库、乔店水 库进行了高喷注浆防渗试验，之后又进行了多次中间试验和工程应用，取得了 丰富的试验资料和成果，总结出了能够满足不同工程需要的不同性状板墙的旋、 定、摆高喷注浆施工工艺，提出了一整套较为完善的三管法高压喷射注浆( 简称 高喷注浆或高喷) 防渗加固技术，并开始用于水利工程防渗。定喷、摆喷是我国 研究出来的两种喷射方式。9 0 年代，在钻孔工艺及适应地层方面又开展了一系 列研究，取得了许多先进成果【4 引。东北岩土工程公司进行了振孔高喷工艺研 究，大大提高了成孔速度，简化了施工程序，随着成孔效率的提高，也为改进 高喷操作工艺、提高墙体的连续完整性创造了条件。山东水利科学研究院开展 了大粒径地层高压喷射注浆构筑防渗墙技术研究，为高压喷射注浆技术扩大地 层适应范围提供了理论及技术依据【1 3 】。 九十年代中期高喷注浆技术在全国进行了推广应用，并得到了迅速的发展， 广泛应用于水利工程防渗、建筑深基坑止水等，解决了一些其它方法难以奏效 的复杂工程的施工难题。尤其是在堤坝防渗加固方面更为突出，据不完全统计， 8 工程硕士学位论文第一章绪论 目前全国用该项技术处理大工程的、中、小型防渗工程约数百项，构筑防渗板 墙约数百万平方米，大都取得了较好的效果，为我国已建和在建工程的防渗加 固发挥了重要作用。在这一时期，由于受国内机械制造水平的限制，我国用于 防渗工程最多的是三管法( 高压水压力4 0 m p a 左右) ，用于软土地基加固工程最 多的是压力2 0 m p a 左右的二重管法和单管法【3 哪j 。 九十年代后期，我国机械制造水平有了很大提高，特别是高压泥浆泵的研 制成功的将压力提高到4 0 m p a ，新的施工设备和施工工艺的开发应用极大地提 高了高喷注浆的技术水平，提高了高喷板墙的整体性和连续性，增强了高喷板 墙的防渗性能，推动了高喷注浆技术的发展。特别是高喷注浆技术在长江三峡 一期工程及北京、上海、广州地铁建设工程中得到应用，拓宽了高喷注浆技术 的应用范围，使我国成为世界上高喷注浆技术应用工程量最多的国家之一。 高压喷射注浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土 等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固【1 7 】。但对砾石直径过大、含 量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差，有时甚至不如静压注浆的效果。 对地下水流速过大，喷射的浆液无法在注浆管周围凝结，无填充物的岩溶地段， 永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基，一般不宜采用高压喷射注浆法。 随着高压喷射注浆技术的不断发展，在适应地层方面有很大的拓展，工程 应用范围也日益扩大。在开始只用在软土地基加固的基础上，逐渐拓宽为基坑 支护及防渗、滑坡稳定加固、地下管道加固、防止地基冻胀及液化、堤防及大 坝基础防渗等工程领域。 1 2 2 高压喷射注浆类型和方法特点 高压喷射注浆技术的发明，完善了注浆技术体系，使施工注浆结构体成为 现实。低压的渗透注浆可使土体不变形、浆液充填土颗粒间孔隙、附加地应力 较小，中压的压密注浆造成土体变形、浆液与土体共同形成似柱状固结体、附 加地应力较大，较高压的劈裂注浆能够破坏土体、产生树状固结体、附加地应 力较大，而高压喷射注浆利用高压将土体切割后部分获全部排出、浆液在切割 范围内均匀搅拌或置换形成高强度的结构体、附加地应力小，注浆技术成为较 完整的技术体系。高压喷射注浆技术的发展促进了注浆材料的发展，使成本低 廉的水泥浆材逐步替代化学浆材，进一步减小了对环境的污染和降低工程造价。 我国注浆技术起步较晚但发展迅速，上世纪5 0 年代开始初步掌握注浆技 术，6 0 年代开始在继水电行业进行坝基基础注浆，静压注浆法在许多行业的矿 山井巷、软基加固、边坡治理等领域得到应用，7 0 年代末在铁路行业开始进行 高压喷射注浆法的研究和应用，随后在冶金、煤炭、水电、建筑、交通等各部 9 工程硕士学位论文 第一章绪论 门进行了大量的工程应用。历经四十余年的发展，我国注浆技术得到了成熟的 进步，注浆材料和注浆设备均实现了自行研制和生产，注浆技术水平已可跻身 国际先进行列。 高压喷射注浆法以压力较高( 2 0 m p a 3 0 m p a ) 为其特点，流体在喷嘴外呈 射流状。根据喷射管类型将高压喷射注浆分为单管法、二重管法、三重管法和 多重管法等( 如表1 - 1 所示) 。按喷射方式分为旋喷( 提升旋转喷浆) 、摆喷( 提 升摆动喷浆) 和定喷( 提升定向喷浆) 三种，如图卜l 所示。按持续时间又可 分为复喷重复喷射和驻喷( 只摆动不提升) 。 表1 - 1 高压喷射注浆法分类表 图1 - 1 高压喷射注浆的三种形式 单管法 单管法( 如图1 - 2 所示) 利用高压泵等装置，以2 0 m p a 左右的压力，将浆液 从喷嘴中喷射出去，冲击破坏土体，同时借助注浆管的提升和旋转，使浆液与 l o 工程硕士学位论文第一章绪论 从土体上崩落下来的土混合搅拌，经过一定时间的凝固，在土中形成圆柱状的 固结体，日本称为c c p 工法( c h e m i c a lc h u r n i n gp i l e ) 。单管法施工的固结体 直径较小，一般桩径为0 4 m 1 4 m ，单桩垂直极限荷载5 0 0 - 6 0 0 k n 。 图i - 2 单管旋喷注浆示意图 二重管法 二重管法( 如图卜3 所示) 即日本的j s g 工法( j u m b os p e c i a lp i l e ) ，利用 双管同时输送两种介质，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射高 压浆液( 2 0 m p a 左右) 和空气( 0 7 m p a 左右) 两种介质喷射流冲击破坏土体。固结 体的直径比单管法有明显增加，一般桩径为0 5 m 1 9 m ，单桩垂直极限荷载 】o o o 12 0 0 k n 。 图1 - 3 二管旋喷注浆示意图 当采用水为介质切割土体时，可克服单管法浆液粘度大、切割能力弱和高 压喷嘴磨损易堵得缺点。长沙矿山研究院研制的单管分喷法，采用2 0 m p a - - - 3 0 m p a 的高压水切割土体，然后下注浆管用5 o m p a 一- 6 o m p a 中压注浆，除可达到水浆 二管法效果外，还有返浆量少节省浆材的优点。 工程硕士学位论文第一章绪论 三重管法 三重管法( 如图1 - 4 所示) 使用分别输送水、气、浆三种介质的三管( 三重管 或并行管) ，在压力2 0 m p a - - 一5 0 m p a 的高压或超高压水射流的周围环绕0 7 m p a 左 右的圆筒状气流，利用高压水气同轴喷射流冲切土体，另由泥浆泵注入压力为 2 m p a - - - ，5 m p a 的浆液充填。当采用不同的喷射方式时，可形成各种形状的凝固体。 该法日本称为c j p 工法( c o l u m uj e tp i l e ) 。固结体的直径旋喷一般达0 9 m 2 5 m ，定喷有效长度可达1 o m 一- 2 5 m ，单桩垂直极限荷载2 0 0 0 k n 。 图1 - 4 三管旋喷注浆示意图 日本的r j p 工法，分别采用水气、浆气两次切割，可形成直径2 o m - - 一3 2 m 的旋喷桩。s u p e rj e t 工法在3 0 m p a 的压力下，采用大流量( 6 0 0 l m i n ) 浆液喷 射，成桩直径达到5 o m 。 多重管法 多重管法( 如图卜5 所示) ，日本称之为s s s - m a n 法) 采用逐渐向上运动、并 同时摆动的超高压力水射流( 约4 0 m p a ) 切削破坏四周土体，经高压水冲击下来 的土随泥浆立即用真空泵从多重管内抽出地面。反复冲击土体和抽取泥浆，最 后在地层中形成较大的空间，装在喷嘴附近的超声波传感器及时测出空间直径 和形状，最后根据工程要求选用浆液、砂浆、砾石等材料充填。固结体的直径 旋喷一般达2 o m 4 o m ，该法在砂性土层中形成的柱状固结体最大直径可达 4 o m 。 由日本中西涉等人研制的m j s 工法，还可进行全方位喷射注浆，并在孔内 监测和废浆处理方面进行了革新，在实现更大直径固结体的同时，有效防止地 面隆起，且更加智能和环保。 1 2 工程硕士学位论文 第一章绪论 铬纠黼机 置 ， _ 分 ：3 n 奋f 耐芽且 内 孔口管一。l 高未水泵矗泵 = h多重估杆 e 射水喷嘴 、 一一随声波传感磷 。j - 。二p i i i 、钻头 u 图1 - 5 多管旋喷注浆示意图 1 2 3 高压喷射注浆法的适用范围 高压喷射注浆技术将水力采煤技术与注浆技术结合起来，用水或浆切割土 层形成空穴再将浆液与土层搅拌固结成形，克服了软土注浆难以控制的不足。 表1 - 2 高压喷射注浆法适用工程种类一览表 高压喷射注浆加国土体 一、增加地基强度 二、挡土围堰及地下工程 建设 三、增大土的摩擦力及粘 聚力 四、减小振动防止液化 五、降低土的含水量 六、防渗帷幕 1 提高地基承载力 2 整治局部地表下沉 3 桩基础 4 应力扩散 5 保护邻近建筑物 6 地下工程建设 7 市政排水管道工程 8 防止基坑底部隆起 9 防止小型塌方滑坡 1o 锚固基础 11 减小设备基础振动 12 防止砂土液化 13 整治路基翻浆冒泥 l4 防止地基冻胀 15 水库坝基防渗 16 矿山井巷帷幕 17 防止管道漏气 l8 地下连续墙的补缺 19 防止涌砂冒水 七、防止洪水冲刷2 0 防止桥渡、河堤及水工建筑物基础的冲刷 高压喷射注浆法加固地基时，浆液在喷切割土体极限范围之内固结，浆液 1 3 工程硕士学位论文第一章绪论 可控性好，不易流失到加固区域之外，以置换土体方式固结，固结体强度高。 ( 1 ) 适用土质条件 高压喷射注浆法主要适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、 砂土、人工填土和碎石土等地基。高压喷射加固软弱土层效果较好，但对土中 含有较多的大粒径块石、坚硬粘性土、卵砾石、大量植物根茎或有较多的有机 质地层，喷射质量稍差，应根据现场试验结果确定其适用程度嘲删。 对地下水流速过大，浆液无法在注浆管周围凝固的情况，对无填充物的岩 溶地段、永冻土以及对水泥有严重腐蚀的地基，则不宜采用高压喷射注浆。 ( 2 ) 工程使用范围 高压喷射注浆法可进行地基加固和基础防渗，己有文献根据用途，分为七 类工程二十个方面，如表i - 2 所示。 1 2 4 高压喷射注浆法应用前景 高压喷射注浆技术首创于日本，并得到较快发展，目前在日本形成的主要 特点为：旌工压力已达4 0 m p a 以上，并细分成高压与超高压两种工法：高压施工 深度可达2 5 m ，超高压达4 0 m ；加固体最大直径可大于2 m ，且达到稳定的强度 参数铡。 我国于1 9 7 5 年将高压喷射技术正式用于工程建设，现在己在全国进行了推 广应用，并在长江三峡、东风电站等大型水利工程发挥效能。 重庆奉节库岸防护旋喷技术示范工程，采用高压旋喷注浆技术对松散堆积 体进行了原位改性试验。研究表明，高压旋喷注浆对崩积体地层进行改性后， 岩土体工程力学性能有较大提高，旋喷固结体强度平均值1 9 9 m p a ，远远高于 岩土体强度，随工艺技术调整，强度还能有较大提高。旋喷固结体采用纯水泥 浆，具有稳定的加固效果并有较好的耐久、耐侵蚀性能；声波测试显示注浆孔 周围动弹模量有明显提高。利用7 5 m m 钻孔，便可旋喷出直径为6 5 0 7 5 0 m m 直径的旋喷固结体，施工简便。旋喷固结体具有透水透气性差等特点，具有一 定的防渗能力。 三峡二期围堰的主要技术关键在于防渗墙施工。围堰堰基存在淤砂、砂砾 石和残积块球体等覆盖层，基岩以前震旦系闪云斜长花岗岩为主，局部有花岗 岩脉、辉绿岩脉穿插，基础地质条件复杂，生产性试验中通过单桩试验以了解 不同高喷参数情况下旋喷桩直径和形态。试验采用二管法和新三管两种高喷新 工艺，新三管法是以水气浆为介质的喷射方法，系在老三管法的基础上，改低 压注浆为高压射浆，形成高能介质高压喷射的新工艺( 又称r j p 工法) 。高压旋 喷注浆生产性试验确定了适应三峡工程二期围堰特定地质条件下的施工参数， 1 4 工程硕士学位论文 第一章绪论 所形成的高压旋喷墙体渗透系数i l o m s 。参加生产性试验成果评审的专家 认为：三峡工程高压旋喷注浆试验规模大，施工设备及工法先进，试验项目及 获取的成果多，在国内处于领先水平。不仅为三峡二期