高压摆喷在砂砾卵石地层中的作用机理

高压摆喷在砂砾卵石地层中的作用机理

在大型土木工程建设中，高层建筑的井井施工、河床和河床运河的桥梁施工、水工水库的水库建设等都是不可避免的。建造防渗墙的技术很多,但对仅用于施工期的临时工程防渗,需要技术可行、施工方便、造价便宜。相对于混凝土防渗墙,多排钻孔帷幕灌浆而言,高压摆喷建造防渗墙确实是一种比较好的适用技术。1射流冲切的作用机理高压摆喷是在拟建防渗墙的轴线上,按一定的间距和一定的摆喷角度,利用高压水流喷射切割扰动地层,随即注入水泥浆或复合浆体以形成凝结的板状墙体,起到防渗的作用。与360°的高压旋喷相比,作用范围有效集中,切割掺搅效果较好,其在砂砾卵石地层中的作用机理主要有以下几个方面:(1)冲切掺搅作用:高压射流作用于土体将直接产生冲切地层的作用,射流在有限的范围内,使土体承受射流直接的冲击压力和沿孔隙作用的超静水压力的劈裂作用,以及射流的脉动压力和连续喷射造成土体强度的疲劳,甚至液化等综合作用,造成土体原始结构的破坏,在射流产生的卷吸扩散作用下,使浆液与被冲切下来的土体掺搅混合。(2)升扬置换作用:射流冲切过程中沿孔壁产生升扬作用系指在实行浆、气、水喷射时,压缩空气除了起保护射流束的作用外,能量释放后产生的气泡和多余的水流一起能将从孔底冲切下来的较细的土体颗粒沿孔壁向上升扬流出孔口,这样因升扬带出部分土体颗粒剩下的空间被所注入的浆液置换充填,使地层土体的组成成分发生变化,从而改善和提高浆液灌注的密实度和将来形成凝结体的强度及抗渗性能。(3)挤压渗透作用:射流束的末端虽不能冲切土体,但对周边土体产生挤压作用,射流灌浆过程中除在冲切范围内形成凝结体外,还可以在冲切范围外的周边土体中因高浓度的浆液受射流压力的挤压和渗透作用而形成渗透凝结层,使得不同作用形成的凝结体和周边土体形成紧密的结合,尤其是在渗透性良好的砂砾卵石地层中形成较为厚实的渗透凝结层,起到降低渗透性,提高抗渗效果。(4)位移袱裹作用:在砂砾卵石地层中的高压射流作用于漂石和孤石等大颗粒时,冲切掺搅作用较小,可是漂石、孤石受到高压射流的冲击振动作用,其周边的细小颗粒受到冲切掺搅和升扬置换作用,大颗粒将产生位移而被浆液袱裹,同时浆液也可以沿着大颗粒周边直接产生袱裹充填的凝结作用,此作用正是高压喷射灌浆能应用于砂砾卵石地层防渗的根本原因。2通过高压装置施工中的问题和对策2.1高压摆喷防渗墙技术为了获得合理的高压摆喷施工技术参数,并检验施工设备的性能,一般应在施工现场做高压摆喷灌浆试验,根据试验结果确定摆喷孔间距,摆喷角,提升速度,旋转速度,水、浆、气的压力,浆液比重及回浆比重等。可大部分工程因工期等多方面的原因,多选用相似地层条件的已建工程的经验参数,如一般的砂砾卵石地层的高压摆喷防渗墙的技术参数如下:孔距:0.8~1.5m,大颗粒多的取小值;孔径:127mm;摆喷角:30°~60°;提升速度:8~12cm/min;旋转速度:10~15r/min;高压泵水压力:30MPa;水流量:80L/min;空压机气压力:0.5~0.7MPa;气流量:1.0~1.4L/min;灌浆泵压力:0.1~0.2MPa;流量:60L/min;浆液比重:>1.6;回浆比重:>1.3。2.2偏心潜孔锤跟管钻进技术传统的砂砾卵石地层钻孔成孔多用岩芯钻机回转钻进,配合泥浆护壁或套管跟进,一般进度慢,工效低,近年来广泛采用偏心潜孔锤跟管钻进,工效较高,每米进尺仅需3~5min,为了防止塌孔缩径,在起拔套管前插入专用的脆性PVC保护管,高喷时可以利用高压射流击碎PVC管。目前利用国产锚固工程钻机配偏心潜孔锤跟管钻进比较合适,设备投资较少,工程成本相对较低;如果工程量很大,最好还是优先选用进口专用设备,工效提高,经济效益显著。2.3微胶囊的灌浆、pvc管间隙控制砂砾卵石地层中的高压摆喷作业经常遇到地层漏浆,孔口出现无回浆现象,多半是遇到由大颗粒组成的孔隙大、渗透性好的地层,此时应减慢提升速度,加大浆液比重(稠浆),必要时,可以顺灌浆管和PVC管间隙注入适量的速凝剂,如氯化钙、水玻璃等。直到孔口出现正常回浆,才可以按正常的施工参数施工。2.4中断、续喷高压摆喷作业中经常遇到异常中断情况,如突然停电、机械故障等突发事件,此时面临高喷管路中浆液沉淀、凝固以致于堵管和后面续灌时在连接处出现凝结体不连续而出现渗漏的可能,为此必须在中断作业时,尽快放空灌浆管里的浆液,必要时用高压空气吹净管内残液,这时会感觉到在高喷设备中配备柴油空压机是很有必要的。如果中断时间较短,小于浆液的初凝时间,可以在下灌浆管时将喷浆管直接下到突然中断时的喷灌面以下0.5m左右处,开始续喷;如果中断时间较长(超过浆液的初凝时间)时,则应在原孔中重新钻进至突然中断时的喷灌面以下0.5m左右处,开始续喷,以保证凝结的防渗墙体的连续完整性。2.5回浆回浆的利用高压摆喷的回浆成分主要为夹杂泥砂的水泥浆或复合浆液,用于防渗工程的回浆只要过滤掉砂粒等大的颗粒,理论上是完全可以利用的,因为含泥质浆液可以增加浆液的可灌性,同时节约水泥等灌浆主材,有利于降低工程成本。多余的回浆需要有组织的排放,不能直接排向地表水体,防止污染地表水;也不可以直接排至城市下水道,以免浆液沉淀凝固堵塞下水管道。最好在工地开挖大蓄浆池,尽可能多的利用部分回浆,多余部分经沉淀、初凝后,运至弃土区堆放。3高压摆喷防渗墙工程某水库大坝工程的上下游围堰地基主要土层为山区河流现代河床和漫滩相的砂砾卵石地层,卵石粒径40~120mm,其间夹杂着砂砾、漂石、孤石和大块石,厚度6.5~10.2m,渗透系数K=375~464m/d。其下伏地层为寒武系灰岩及灰岩夹页岩。为保证坝基开挖施工,上游围堰两侧水头差将达20m。围堰的防渗方案为:地基采用高压摆喷形成防渗板墙,板墙上部进入堰坝的黏土芯墙1~2m,为保证在砂砾卵石层和基岩表层形成完整的防渗墙,要求钻孔钻至完整基岩不少于0.5m。该高压摆喷防渗墙工程结合已往相似工程经验采用如下技术参数:孔距:1.2m;孔径:127mm;摆喷角:30°~60°;提升速度:8~12cm/min;旋转速度:10~15r/min;高压泵:水压力30.0MPa;水流量80.0L/min;空压机:气压力0.6~0.7MPa;气流量1.0~1.4L/min;灌浆泵:压力0.1~0.2MPa;流量60L/min;浆液比重:>1.6;回浆比重:>1.3。按三序法施工(图1),第Ⅰ序为成孔、喷浆的是第1,5,9……号孔位;第Ⅱ序为第3,7,11……号孔位;第Ⅲ序为第2,4,6,8,10……号孔位。采用纯水泥浆,在局部漏浆地段加注了水玻璃。开始上游围堰防渗墙成孔施工采用传统的回转加冲击钻进,工效很低,机械损坏严重,后来全部改为偏心潜孔锤带套管钻进工艺,工效提高近10倍。防渗墙工程于2001年11月25日截流前完工,当时在防渗板墙的轴线上随机抽取4个点,钻孔做压水试验,渗透系数K值均达设计要求,小于1×10-5cm/d。到2002年3月中旬止,上游围堰两侧水头差已达10m,坝基开挖施工正常,基坑排水量较小。在现代河床地段发现若干渗漏点渗水,沿河床轴线呈线状分布,