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二期圍堰高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗
二期圍堰高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗 摘要:通過高壓噴射高噴灌漿生產(chǎn)試驗,為將高噴作為二期圍堰防滲的輔助手段提供可靠依據(jù),同時將高壓噴射灌漿技術(shù)提高到了一個新水平。
關(guān)鍵詞:二期圍堰 高壓噴射 生產(chǎn)性試驗
1 概況
1.1 前言
高噴灌漿作為一種新型技術(shù)在一期土石圍堰塊球體處理及下游引航道防滲工程中發(fā)揮過重要作用,是一種工效很高的防滲工藝。二期圍堰是三峽工程關(guān)鍵項目之一,其特點在于防滲工程難度大、工期短、施工強度高。高噴灌漿防滲主要技術(shù)難點有水下拋填風(fēng)化砂和平拋墊底造孔孔壁穩(wěn)定問題;殘積塊球體和強風(fēng)化巖層中的團塊造孔難度大,工效低,造孔精度和噴射成墻問題;深槽陡坡段成墻工藝等。為探索在這樣的地層解決高壓旋噴灌漿難點的措施,保證旋噴成墻工藝作為一種輔助手段在二期圍堰防滲工程中順利進行,同時,通過二期圍堰高壓旋噴生產(chǎn)性試驗。引進較為先進的造孔與噴射工藝,將高壓噴射灌漿技術(shù)提高到一個新水平。在二期圍堰防滲施工前,選擇左上接頭進行二管法和新三管法高壓旋噴生產(chǎn)性試驗。本次試驗根據(jù)不同的試驗?zāi)康?先后進行了高噴柔性漿材試驗、單樁試驗、雙排旋噴試驗、三排旋噴試驗、雙排旋噴圍井試驗、三排旋噴圍井試驗、巖面結(jié)合試驗、700陡坡模擬試驗及儀器配套試驗等。本次試驗歷時3個多月,完成鉆孔8960.1m,噴射8215.5m。本文主要就生產(chǎn)性試驗進行一些總結(jié)。
1.2 地質(zhì)條件
高壓噴射灌漿試驗安排在二期上游圍堰左岸坡部位,主要由風(fēng)化砂回填層、覆蓋層(上部為厚度不等的粉細(xì)砂層,下部為沖擊砂卵石層,局部含棕色漂石層、塊球體等)和基巖組成�；鶐r強風(fēng)化層呈兩端厚,中間薄的分布狀態(tài)。左右端最大厚度分別為13.0m和10.0m,其中部分區(qū)域存在風(fēng)化團塊、石蛋等。
1.3 施工布置
試驗區(qū)自0+78.58~0+150.08共72.5m,根據(jù)孔排距的組合及工法的不同分為10個區(qū),依次為 V、IV、Ⅲ、II、I、A、B、C、D、E,另外在軸線下游側(cè)還布置有 M、N、X、Y四個圍井,其布置見平面布置圖,其中 V、IV、III、II、區(qū)及N、X圍井為新三管法試驗,其余為二管法試驗。
2 旋噴試驗工藝
試驗同時采用了兩管法和新三管法兩種工法進行。
2.1 新三管法
新三管法是以水、氣、漿為介質(zhì)噴射的工法,是在老三管法的基礎(chǔ)上改低壓注漿為高壓射漿,形成雙介質(zhì)高壓噴射的施工方法。新三管法的工藝特點是首先用高壓水切割沖擊原始地層,然后再用高壓漿對地層進行二次切割。同時由于漿、水嘴間距較大,水對漿的稀釋作用大大減小。新三管法與原三管法相比,不僅增大了噴射半徑,也提高了凝結(jié)體的結(jié)石率及強度。
2.2 兩管法
這里介紹的兩管法,是在原兩管法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,與目前國內(nèi)流行的以加固軟基為主的兩管法不同,該工法具有超高壓力和大流量、以防滲加固為主,應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛的一種工法,其射漿壓力可達50MPa。其工藝特點是直接用漿氣噴射原始地層,采用高性能的高噴設(shè)備,使射漿有足夠的射流強度和比能對地層進行切割、攪拌。由于漿液粘度較大,對地層中小顆粒的升揚置換壓密作用明顯,因此無需采用高壓水切割地層,噴出的漿液不易被稀釋,形成的墻體水泥含量大、強度高,對于處理大孔隙地層具有獨特優(yōu)點,是適應(yīng)較廣的工藝方法。
3單樁試驗
3.1 單樁試驗?zāi)康?br> 對不同密實度的地層分別進行不同高噴參數(shù)組合的噴射試驗,探求其相應(yīng)層位的旋噴樁形態(tài),通過開挖觀測其有效樁徑、膠結(jié)情況及結(jié)石強度,尋求不同地層中孔、排距的最佳參數(shù)組合,為旋噴生產(chǎn)提供參數(shù)及工藝措施。
3.2 單樁試驗布置及實施
兩管法布設(shè)在高噴軸線下游側(cè) 5~9m范圍內(nèi),呈梅花狀三排布置,孔排距均為2.0m。根據(jù)地層標(biāo)貫度N63.5值的差異,分6組做不同提速和漿液配比的試驗。
3.3單樁試驗開挖及數(shù)值分析
二管法噴射在正常情況下可得出以下結(jié)論,開挖出的樁徑比較均勻完整。規(guī)律性較強。
(1)在提速相同,N值差異大的情況下,保持噴射參數(shù)P與流量Q不變,慢速(10~15cm/min)提升最小半徑Dmin>1.6m;中速(20~25cm/min)提升Dmin>1.4m;快速(30cm/min)提升Dmin>1.35m。說明在噴射能量達到一定值時.提升速度及N值與最小樁徑成反比。
(2)N值相同,提升速度從中速到快速,最小樁徑分別為1.4m與1.35m,進一步證實噴射能量達到定程度后,提升速度對最小樁徑的影響呈緩慢遞減的趨勢。
(3)N值在中等范圍內(nèi)不同提速下的最小樁徑:中速提升Dmin>1.43m、快速提升Dmin>1.4m。
(4)通過剖切旋噴樁內(nèi)部直觀檢查:二管法在能量達到定程度后。成樁直徑較大,對噴射有效范圍內(nèi)地層的攪拌及半置換作用比較明顯,密實性好。
新三管法單樁開挖后得出最大直徑1.80m,最小1.00m,一般1.40m左右;顯著特點是大小不均,呈層狀有規(guī)律地同時擴大或縮小,分析其原因有以下兩點:單樁試驗區(qū)緊靠路邊。在填筑過程中大型汽車往來碾壓,使得本區(qū)地層密實程度較高;回填風(fēng)化砂分層碾壓,層面處與層下密實度差別較大,樁徑變化明顯。不同類型風(fēng)化砂樁徑也有很大變化,在含粘土量多的風(fēng)化砂中樁徑較小,反之則大。單樁開挖共挖深5.0m,揭露出7層風(fēng)化砂填筑層,為了摸清每層風(fēng)化砂的密實度,根據(jù)其深度逐層進行了標(biāo)貫試驗,以便對應(yīng)樁徑分析各種變化規(guī)律。通過對新三管法單樁數(shù)值分析初步得出以下結(jié)論:
(1)回填細(xì)顆粒含粘土類風(fēng)化砂標(biāo)貫度13~20之間,當(dāng)N=15,噴射有效直徑1.3m,需要噴射比能約40MJ/m;密實度每增減一擊,相應(yīng)需要增減約10MJ/m的比能才能保證樁徑1.3m左右。
(2)回填粗粒風(fēng)化砂標(biāo)貫度在15~26之間,當(dāng)N=15,噴射有效直徑1.3m,噴射比能不低于55MJ/m;
(3)強風(fēng)化巖上部標(biāo)貫度70~120,與粗粒風(fēng)化砂層相比,要達到同樣的噴射效果,噴射比能要增加3~4倍。
4 高噴墻生產(chǎn)性試驗
4.1 高噴墻主要性能設(shè)計指標(biāo)
高噴墻主要性能指標(biāo)應(yīng)與二期圍堰塑性混凝土防滲墻的性能指標(biāo)相匹配,具體要求如下:
抗壓強度:R28=4~5MPa
抗折強度:T28>1.5MPa
滲透系數(shù):K20=i×10-5~10-6cm/s
初始切線模量:EO=500~700MPa
滲透比降:J>80
4.2試驗參數(shù)的確定
根據(jù)單樁試驗結(jié)果及生產(chǎn)性試驗高噴墻設(shè)計性能指標(biāo),確定高噴參數(shù)見表1,表2。
表1三管法高噴參數(shù)
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噴射參數(shù)
回填及
含塊球體強
弱風(fēng)化層
覆蓋層
風(fēng)化層
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漿壓/MPa
40
漿量/L·min-1
80~100
水壓/MPa
40
水量/L·min-1
75
氣壓/MPa
1.0
氣量/m3·min-1
1.5
孔距
轉(zhuǎn)速/r/min
10
8
10
0.8m
提速/cm·min-1
10~12
8~10
10~12
孔距
轉(zhuǎn)速/r·min-1
10
8
10
1.0m
提速cm·min-1
10~12
8~10
10~12
孔距
轉(zhuǎn)速r·min-1
8
二期圍堰高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗8
10
1.2m
提速cm·min-1
8~12
8~10
10~12
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注:三管法高噴灌漿,水量除75/min以外,還做了150/min試驗
表2二管法高噴參數(shù)
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噴射參數(shù)
回填及全
砂卵石及強
弱風(fēng)化層
風(fēng)化層
風(fēng)化層
--------------------------------------------------------------------------------
漿壓/MPa
40~50
20~30
漿/L·min-1
198~201
氣壓/MPa
1.0~1.7
氣量/m3·min-1
10~17
轉(zhuǎn)速/r·min-1
15~20
水灰比
1∶1~0.8∶1
孔距0.8m
提速/cm·min-1
30
25
30
孔距1.0m
提速/cm·min-1
25
20
25
孔距1.2m
提速/cm·min-1
20
20
15
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注:當(dāng)供槳量小于1681/min時.提速成比例減慢。
4.3試驗實施
試驗順序:先施工下游排,然后上游排,最后施工中間排;圍井先施工外排,后施工內(nèi)排,最后施工中間排;新三管法每排分兩序施工,先鉆、噴 I序孔,后鉆噴序孔;二管法因影響范圍大,初期按三序施工,后期按兩序施工。
試驗工藝流程如下:
測孔定位→鉆孔→下噴射管→制漿→噴射、提升→靜壓充填灌漿→噴射成墻
5 圍井試驗
5.1 圍井試驗?zāi)康募安贾?br> 圍井試驗的主要目的首先是為了開挖后能夠直觀檢查樁體間的膠結(jié)情況,以及在不同地層中旋噴樁直徑,特別是在強風(fēng)化層中旋噴樁在1.0m孔距下能否實現(xiàn)連接;其次通過注、壓水試驗了解圍井的整體防滲性能。兩種工法各布置一個二排和三排圍井,二管法為 M、Y,新三管法為 N、X,孔排距均為1.0m和0.8m,其中 M、N、Y借助于試驗軸線上同樣孔排距段作為圍井的一邊構(gòu)筑而成(Y為封底圍井),X圍井為了進行破壞性壓水試驗的需要而遠離墻體軸線,單獨構(gòu)成封底圍井。布置見試驗總布置圖。
5.2 圍井開挖描術(shù)
二管法構(gòu)筑 Y、M圍井開挖情況如下:Y圍井封底深度為21.0m,在挖深至17.0m時底部互相膠結(jié)成一體,無法繼續(xù)下挖;M圍井挖至強風(fēng)化層頂板以下1.0m左右。
直觀檢查:樁間膠結(jié)性良好,在填筑層其最小搭接厚度大于40cm,平均搭接厚度為45cm,最小樁徑≥140.0cm平均為150.0cm。井壁四周樁體自上而下向井內(nèi)擠壓,個別樁比較明顯。Y圍井的 Y1-2,M圍井的 M1-3、M1-12,樁體在10.0m處上下錯位,是因為噴嘴堵塞后,拔出噴管清洗時塌孔,重新移孔位再噴之故。在各種地層交接面,樁徑變化較小,如粉細(xì)砂層與砂礫石層等不同地層,相對填筑層樁徑變化不大,膠結(jié)情況良好,砂礫石層樁徑外表均勻性稍差,底部強風(fēng)化頂板蝕余塊球體與墻體膠結(jié)良好,但局部存在噴射盲區(qū)。在M圍井樁體進入強風(fēng)化層頂板0.5m深處,發(fā)現(xiàn)四處滲漏,在圍井上游面靠左岸的拐角處滲水量達12.5L/min,因此,樁體在強風(fēng)化巖層內(nèi)成墻的范圍尚待進一部論證。
新三管法構(gòu)筑完成的 N、X圍井開挖情況是:N圍井為不封底井。挖深至9.5m時遇強風(fēng)化內(nèi)塊球體,并逐漸進入強風(fēng)化,在14.0m處井底被一塊大石封住,停止下挖;X圍井為封底圍井,挖至12.5m時遇封底層開挖結(jié)束。統(tǒng)觀兩圍井井壁結(jié)構(gòu)可以看出:墻壁直立,結(jié)構(gòu)規(guī)則,與設(shè)計圖形狀致。兩井樁間連接無明顯的凹凸?fàn)?在填筑層內(nèi)有效樁徑為1.4~1.6 m,樁間連接厚度與樁徑差別不大。N圍井開挖的井壁中填筑層內(nèi)含塊石.墻體與下部塊球體的連接較好,在強風(fēng)化中樁徑收縮較大,據(jù)在13.0m(強風(fēng)化內(nèi)3.5m)幾處探坑實測,樁徑約1.0m,與上部回填層相比樁徑減小40%,部分含蝕余塊球體的地方樁體難以連接。
6 巖面結(jié)合試驗
6.1 試驗?zāi)康募安贾?br> 驗證強風(fēng)化巖層中的噴射樁徑及連接情況,為強風(fēng)化層中設(shè)定噴射參數(shù)提供依據(jù),巖面結(jié)合共布置8個孔,其中5個孔孔距1.2m。連成墻體。另外3孔為單樁,分別試驗雙水泵、單水泵及單水泵加高壓泥漿泵噴射狀態(tài)下的樁體直徑,基本參數(shù)為水壓40MPa,漿壓39MPa。
6.2 開挖檢查
5個1.2m孔距連鎖樁開挖深度7.5m,在4.5m深處有一條巖脈斜穿過墻體,墻體與巖脈連接較好。沒有發(fā)現(xiàn)漏噴孔洞。5.5m深處開始進入全、強風(fēng)化,開挖證明樁體間已經(jīng)實現(xiàn)連接,樁徑約1.2m,上部風(fēng)化砂中樁徑1.6m。
通過開挖檢查可以看出墻體在強風(fēng)化層中能夠形成樁體.但樁徑已大為減小,如要達到和上部回填層同樣的樁徑,噴射比能需增加。
770°陡坡高噴試驗
7.1目的及實施
為尋求二期圍堰深槽陡坡段防滲處理采用高噴的可能性,利用單樁開挖的斜面人工澆筑700混凝土試驗槽,模擬二期圍堰深槽陡坡,在斜面上以孔距1.0m布置2孔,采用三管法進行高噴試驗。
7.2開挖檢查
開挖檢查發(fā)現(xiàn),旋噴樁與斜面聯(lián)結(jié)牢固緊密,局部樁體擴大,與斜面接觸面增大,在兩樁中間與斜面接觸部位,沒有出現(xiàn)預(yù)想中的噴射盲區(qū),接縫連接緊密,最簿弱部位37cm。
以上表明,利用高壓旋噴樁在噴射參數(shù)恰當(dāng)?shù)那闆r下,可以作為輔助手段解決700陡坡段的防滲處理,之所以沒有出現(xiàn)漏噴現(xiàn)象,主要是因為噴射樁徑大于設(shè)計樁徑;因此要解決噴射盲區(qū),及增大噴射厚度可以加大噴射能量,通過增加樁徑加以解決。
8綜合評價
8.1最佳孔排距組合
通過高噴墻鉆孔取芯及壓水滲透系數(shù)K值分析,孔距1.0m,排距0.8m的布孔方式高噴墻效果最為理想,芯樣水泥含量較均勻,K值全部合格,離散性較小,從圍井直觀檢測樁間搭接厚度大于30cm。
孔距為0.8m,排距為0.6m的區(qū)域。檢查孔取出的芯樣水泥含量不均勻,局部含量很高,K值全部合格。查閱鉆孔原始記錄及噴射記錄可知,一序孔風(fēng)動沖擊鉆孔及噴射時,該區(qū)域均發(fā)生串通現(xiàn)象,因此Ⅰ序孔噴射完后、其成樁范圍接近Ⅱ序孔孔位,局部還超過Ⅱ序孔孔位,使Ⅱ序孔噴射范圍大小不均,并不理想。
孔距為1.2m,排距為1.0m的區(qū)段在覆蓋層中漿液與粉砂及砂礫石膠結(jié)強度較高,填筑層內(nèi)膠結(jié)一般,局部水泥含量低。壓水滲透系數(shù)K值全部合格�？紤]到地層不均勻及塊球體對噴射范圍影響,樁體之間成墻搭接不可靠,因此不宜采用此種孔排距組合。
在進入強風(fēng)化層后,各區(qū)段壓水時均發(fā)現(xiàn)有強風(fēng)化層上部漏水現(xiàn)象,說明旋噴樁進入強風(fēng)化層后產(chǎn)生縮徑。
從對試驗墻體檢查結(jié)果來看,三種孔、排距在填筑層中能實現(xiàn)可靠連接,但孔距1.0m排距0.8m為最佳孔排距組合。在強風(fēng)化層中,孔排距尚需進一步通過試驗選定。
8.2 擴散性、均勻性評價
兩種工法噴射形成的高壓旋噴樁體,有效樁徑較大。對于填筑層、沖積層等軟弱地層,其外形較均勻,樁體間膠結(jié)良好,從剖切單樁剖面可以看出水泥與地層攪拌充分,膠結(jié)良好、密實。在強風(fēng)化層中樁體形狀受地層破碎程度的影響較大,水泥漿擴散范圍減小。高噴樁屬用射流將水泥漿與地層顆粒就地攪拌(填充并膠結(jié))地層顆粒而成,對樁周圍的地層還有擠壓 滲透作用。因此,高噴樁墻體性能隨地層變化而變化。含砂礫石較多的地層,其抗壓抗折強度高;含風(fēng)化砂、粘土較多的地層,其抗壓抗折強度低。
8.3適應(yīng)性評價
試驗結(jié)果表明,選擇適當(dāng)孔、排距和噴射參數(shù),在回填層、覆蓋層、全風(fēng)化 二期圍堰高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗層中以及強風(fēng)化層上部,高壓噴射灌漿可以形成有效的防滲墻體,在強風(fēng)化層下部需要配合帷幕灌漿,共同組成防滲體系。對于復(fù)雜的塊球體架空層也能達到較好防滲效果,對于陡坡段的防滲,高壓噴射灌漿可以作為輔助手段。
9 結(jié)語
本次試驗采用的兩種工法均系目前世界新水平。新三管法采用二次沖切,適宜于較密實地層,能獲得一定的樁徑,且樁體能達到一定的強度。二管法直接用大壓力大流量的漿液直接沖射地層,結(jié)石強度較高,密實性好,工效高(相當(dāng)于新三管法二倍)。是目前較為理想應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛的高噴工藝。大壓力大流量在一定程度上也代表了高噴灌漿的發(fā)展方向。
試驗所構(gòu)筑的高壓旋噴防滲墻基本達到設(shè)計指標(biāo),整個試驗是成功的,取得了較為豐富的成果。通過試驗摸清了三峽這種地質(zhì)條件下的最佳孔排距組合,針對不同的地層,完善了噴射參數(shù),同時通過改進鉆孔設(shè)備,為深槽鉆孔施工積累了經(jīng)驗,完成了二種工法的設(shè)備配套工作。進一步證實高壓旋噴是一種能與周圍介質(zhì)實現(xiàn)可靠連接、速度快、機動靈活的一種有效防滲措施,可作為二期圍堰較為理想的輔助和突擊手段。
在鉆孔過程中,深孔孔斜的控制手段需進一步提高。高噴灌漿自動監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、進口設(shè)備與國產(chǎn)設(shè)備配套及配件的國產(chǎn)化尚需進一步改進和提高。強風(fēng)化層高壓噴射的范圍尚需進一步探明。
二期圍堰高壓噴射灌漿生產(chǎn)性試驗平面布置圖
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