超深复杂地层高喷灌浆试验研究

李伟 嵇红光 张占伟 于伟欣

[摘  要]随着现代化建设的飞速发展，现代建筑和施工向纵深发展，隔水帷幕的意义显得越来越大，高喷灌浆施工工艺在不断地施工实践中，优化设计，提高施工水平，力求即经济又可靠。本文阐述在超50m孔深，裂隙粘土、壤土（夹姜石）、中砂（粗砂砾石）、粘土（管状孔隙发育）复杂地层条件下，通过高喷灌浆现场单桩和围井试验，验证和比选合适本工程正式施工参数。

[主题词]   超深  复杂地层  高喷灌浆  试验研究

1 前 言

本文阐述高喷灌浆在坝基地层⑴～⑽层（典型黄河冲积平原地层结构），即第四系中、上更新统坡积洪积堆积的裂隙粘土、壤土（夹姜石）、中砂(粗砂砾石)、粘土（管状孔隙发育）多种地层。各地层特征分布不均、厚度不均一，壤土夹姜石层，厚度不均一，中部多夹有砂层，且厚度不均一，呈团状分布。下部黏土层局部段具蒜瓣状结构，呈透镜体状分布。上部有国内其它地区不多见的裂隙黏土层，该裂隙黏土中裂隙的张开宽度远大于充填物粉土及砂壤土颗粒粒径，因此裂隙中充填的松散颗粒在库水压力作用下，容易被地下水带走，有可能产生管涌破坏。高喷灌浆孔深34.80～54.30m，平均孔深41.63m，且大部分孔深度超过50m，超过以往国内广泛应用和现行规范单排高喷适用的30m深度，高喷灌浆喷射施工难度大。设计单孔孔斜不大于0.5%，超规范标准控制。研究在多种地层且分布厚度不均一的复杂地质、壤土夹姜石板结层喷射难、超50m孔深条件下，通过现场高喷灌浆单桩试验、围井试验，进行现场模拟试验，验证和经济比较，比取合适的施工设备与工艺参数。

2 工程概况

玉清湖水库地处济南市槐荫区和长清区交界处的许寺洼地区，南距 220 国道 3km，北距黄河大堤约2km，东靠南水北调济平干渠约0.5km。该水库是济南市引黄供水工程的水源工程，是济南市缓解城市供水紧张和保护泉城特色的重点工程。水库枢纽主要由围坝、1#、2#入库泵站、3#出库泵站、泄水洞（兼临时应急入库涵洞）、排涝系统等组成。水库总库容为4850万m³，年供水量1.46亿m³；设计水位38.85m，死水位31.10m。工程等别为Ⅱ等，水库围坝等主要建筑物为2级。

3 复杂地质概况

工程地质勘察报告钻探揭示坝基地层⑴～⑽为第四系裂隙粘土、壤土（夹姜石）、中砂(粗砂砾石)、粘土（管状孔隙发育），具有强～中等透水性。水库围坝坝体由壤土和裂隙黏土组成，坝基主要为第四系松散堆积物。古河道在南坝线桩号8+630～8+770和西北坝线桩号2+920～3+180处被揭示。其走向为东南～西北，在坝基范围内，上游河床宽约100m，上部为中细砂，下部为粗砂砾石，厚度为5.5m；下游河床宽约200m，上部为中细砂，下部为粗砂砾石，厚度为7.5m。⑨层壤土夹姜石沿围坝坝基连续分布，但其厚度不均一，最大厚度15.7m，最小厚度仅1.1m，并且该层中部多夹有砂层：⑨-1亚层中砂和⑨-2亚层粗砂砾石。⑩层粗砂砾石在围坝基本上连续分布，厚度一般1.3～5.7m，最厚处为7.2m。⑪层黏土分布连续，控制厚度13.0～20.0m，局部段的上部具蒜瓣状结构，呈透镜体状分布，厚度一般小于1.5～2.7m；夹层⑪-1亚层粗砂砾石厚度较大，一般2.9～4.5m，桩号3+780～4+230处最厚达10.7m。

4 坝基截渗方案与规范比对

4.1 设计坝基截渗方案

设计对围坝全坝段 (桩号0+000～9+639.5)进行截渗，坝体采用多头水泥上搅拌防渗墙截渗，防渗墙轴线距坝轴线1.2m，墙顶高程39.15m;坝基采用高喷灌浆防渗墙截渗，孔深34.80～54.30m，平均深度41.63m，防渗墙轴线距坝轴线1.5m，墙底深入 (11)黏不小于1.0m，墙顶高程29.85m，深入坝体不小于1.0m，墙项与水泥土搅拌桩防渗墙有效搭接长度不小于1.0m。采用“旋喷”和“一旋一摆”搭接，单排布置，“二管法”高喷灌浆防渗墙，旋喷搭接孔间距0.85m，旋摆搭接孔间距1.0m，旋喷喷射有效直径1.20m，摆喷喷射有效长度1.80m。防渗墙墙体抗压强度≥2.0MPa，渗透系数≤5×10-6cm/s。

4.2 设计方案与规范对比

现行《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T 5200-2019)中高压喷射灌浆适应条件：

（1）规范中大角度(30~90°)摆喷和旋喷适用于淤泥质土、粉质黏土等黏粒含量较高的地层，以及粉土、砂土、砾石含量小于50%的松软~中等密实地层；定喷和小角度(15~30°)摆喷适用于粉土、砂土等松软地层。本工程坝基为裂隙粘土、壤土（夹姜石）、中砂、粗砂砾石地层，方案突破规范设计。

（2）规范中深度小于20m时，可采用定喷折接、摆喷对接折接形式;深度20 m~30m 时，可采用单排或二排旋喷套接、旋摆搭接形式;当深度大于30m时，宜采用两排或三排旋喷套接形式。本工程设计高压喷射灌浆防渗墙孔深34.80～54.30m，单排布置，在深度和布置上超出规范适宜范围。

（3）规范中高压喷射灌浆孔的排数、排距和孔距，主要取决于高喷体（旋喷、摆喷、定喷形成的桩柱体或墙段）的直径或长度范围。目前比较可行的方法多是通过现场试验和工程类比加以确定。一些工程经验资料，旋喷直径选用表如下：

注：N为标准贯入击数；摆、定喷有效长度约为旋喷桩径1.5倍。

工程地质勘察报告钻探揭示坝基地层⑴～⑽为第四系裂隙粘土（标贯击数建议值为7）、壤土（夹姜石）（标贯击数建议值为14）、中砂(粗砂砾石)（标贯击数建议值为10）。设计为“二管法”高压喷射灌浆，旋喷搭接孔间距0.85m，旋摆搭接孔间距1.0m，旋喷喷射有效直径1.20m，摆喷喷射有效长度1.80m。规范经验资料内无本工程裂隙黏土（黏土）参考值，壤土(夹姜石）标贯击数建议为14，参考粉质黏土经验值，宜用“三管法”高压喷射灌浆。设计选用“二管法”，旋喷喷射有效直径1.2m偏大。

5 施工参数试验选定

依据现行《水电水利工程高喷灌浆技术规范》(DL/T 5200-2019)规定：复杂地层的、重大的或深度较大的高喷灌浆工程应选择有代表性的部位进行高喷灌浆现场试验。本工程同时具有裂隙粘土、壤土（夹姜石）、中砂（粗砂砾石）、粘土（管状孔隙发育）坝基复杂地层、超50m高喷灌浆深度等条件，且设计高喷灌浆防渗墙为单排“旋喷”或“旋摆”搭接形式，按设计技术文件要求，正式施工前进行高喷灌浆现场试验。

5.1 试验目的

通过单桩试验验证旋喷桩、摆喷单桩有效喷射直径或长度、浆压、气压、提升速度等参数；通过围井试验检查旋喷桩和摆喷桩的连接情况；综合单孔现场试验、围井现场试验成果，确定符合设计指标要求的正式施工参数。

5.2 试验位置

试验位置选择地层复杂的、深度较大的、重要的、和有代表性的坝段进行，根据设计图纸文件要求，单桩试验布置于南坝.桩号8+850、2+860、5+890及4+800。共6个围井，18根试验单桩。

5.3 施工工艺和机具

（1）高喷灌浆施工工艺流程，如下图所示。

（2）施工方法

选用XY-II型地质钻机引孔，CYP-50型高喷液压台车灌浆，采用隔孔跳打跳喷施工工艺，分Ⅰ、Ⅱ序孔施工，Ⅰ序孔喷完修凝后再施工Ⅱ序孔，相邻Ⅰ序孔和Ⅱ序孔之间的喷射间隔不小于24h。 

5.4 单桩试验

5.4.1 单桩设计参数

表1  设计单桩试验桩施工参数表（以桩号2+850试验区为例）

5.4.2 单桩试验分析和总结

试验单桩采用桩头开挖和桩体钻芯检查法。

（1）从单桩桩顶开挖检查、钻孔、取芯、室内试验几方面对比验证设计试验参数：

单桩旋喷孔钻孔取芯位置选在距原孔位中心45cm处；单桩摆喷孔钻孔取芯位置选在距原孔位中心轴线60~70cm处。一是单桩旋喷灌浆效果优于摆喷，不同参数的旋喷孔比较，以单桩旋喷8cm/min）效果相对较好，满足设计，旋喷提速10cm/min次之，判断单桩旋喷喷射有效桩径1.0~1.2m，摆喷喷射有效长度1.3~1.8m。因开挖深度局限性，开挖桩顶距离坝顶高度0.5m，且为坝体心墙裂隙粘土和回填压实壤土，不能完全反映设计坝基高喷单桩喷射效果。通过钻孔、取芯做室内抗压强度和渗透系数试验，试验结果显示：各检查孔取芯室内抗压强度检测结果为3.1～6.6MPa，渗透系数试验结果为5.76×10-7～6.17×10-7cm/s，均满足设计要求；二是整体取芯效果看：旋喷灌浆效果优于摆喷，从单桩旋喷孔芯样比较，提速8cm/min优于提速10和12cm/min，提速10cm/min次之。

（2）建议通过围井试验进一步验证“旋喷或一旋一摆搭接”质量，获取正式施工参数：一是采用单桩试验验证确定的设计旋喷和摆喷参数各做一组围井试验；二是调整旋喷和摆喷桩的提升速度等参数的各做一组围井试验。

5.4.3 单桩试验结论

按设计确定的位置进行围井试验，根据单桩试验成果调整围井试验桩参数按照旋（摆）喷提升速度 （8+8、6+ 8、5+7）cm/min，共6个试验围井。注浆压力、气压按照《水电水利工程高喷灌浆技术规范》(DL/T 5200-2019)规定的上限执行。

5.4 围井试验

5.4.1 试验桩参数

表2  围井试验桩参数表

5.4.2 试验桩布置

围井适用于各种结构型式的高喷防渗板墙的质量检查。它的作法是在已施工完毕的板墙的一侧加喷若干个孔，与原板墙形成三边、四边或多边形围井。本工程设计试验围井采用四边，考虑高喷防渗墙底部为相对不透水层，作不封底围井，围井围成平面面积不小于4.5㎡。

5.4.3 围井注水试验

采用不封底试验围井，在围井中心部位钻孔，钻孔孔径不小于110mm，钻孔深至围井底部(不超过围井深度)，下入过滤花管，在管内进行注水试验。围井注水试验渗透系数K按《水利水电工程高喷灌浆技术规范》（DL/T 5200-2019）附录A（B.1）式进行计算。

5.4.4 围井试验分析总结

5.4.4.1 围井试验桩头开挖检查情况及分析

经检查防渗墙墙体连续、外观质量和搭接质量良好，量测高压旋喷或旋摆搭接有效长度6组，分别满足设计不小于0.85m和0.55m的要求。

2.7.4.2 试验围井现场注水6组，试验结果6.0×10-7～9.46×10-7cm/s，满足设计≤5×10-6cm/s要求。5.4.4.3围井试验总结

（1）从围井的桩顶开挖检查结果显示：高喷灌浆防渗墙墙体连续、外观质量和搭接质量良好，搭接有效厚度满足设计要求。

（2）从试验围井现场注水试验成果分析：6个试验围井的现场注水试验结果为6.0×10-7～9.46×10-7cm/s，满足设计指标≤5×10-6cm/s。

5.4.4.4 围井试验建议

一是调整气压参数按原设计气压0.8～1.0MPa控制；二是经现场试验验证提升速度(8+8)全旋和旋摆围井试验结果满足设计要求，且经济、合理。从符合设计指标、施工工效和经济合理性等几方面优化对比，专家评审，高喷灌浆正式施工参数见表3。

表3  高喷灌浆正式施工参数表

5.4.5 围井试验结论

一是高喷灌浆围井注水试验渗透系数满足设计要求；二是正式施工参数：旋喷套接、旋摆搭接的提升速度 I序孔、II序孔均不大于 8cm/min，确保墙体连续。其它参数按照围井试验方案执行。

6 结 语

本文结合工程实际，阐述在超深，坝基裂隙粘土、壤土（夹姜石）、中砂(粗砂砾石)、粘土（管状孔隙发育）多种复杂地层条件下，通过高喷灌浆现场单桩和围井模拟试验，验证和经济比较，选取了合适的施工设备与工艺参数，在粘性土、砂性土等软土层中的地基加固技术积累了经验，也为该项目下一步大规模应用施工参数提供依据。

参考文献

[1]《水利水电工程高喷灌浆技术规范》（DL/T 5200-2019）.

[2] 济南市玉清湖水库除险加固工程地质勘察报告.山东省水利勘测设计院有限公司.

[3] 李志斌，涂建湘，何培章.九江长江干流赤心堤段高喷灌浆施工.西部探矿工程，2000（5）.

[4] 赵毅，江道远.深孔复杂地层“两管法”高压灌浆技术的研究与应用[J].2013水利水电地基与基础工程技术-中国水利学会地基与基础工程专业委员会第12次全国学术会议论文集.