三管高压旋喷桩防渗墙施工方案.doc

1.1 三管高压旋喷桩防渗墙施工方案
1.1.1 概述
三管高压旋喷桩施工要求为：
(1) 三管高压旋喷桩旋喷桩径Φ1200，桩距1000，桩身偏斜率不大于0.5%。
(2) 高压旋喷桩材料采用32.5普通硅酸盐水泥，水灰比1:1。
(3) 高压旋喷桩灌浆压力20～30MPa，具体压力需现场试验确定。旋喷灌浆时提速8～10cm/min，高压水流量80L/min，压气流量1200L/min，喷浆浆液流量80～120L/min。喷射管分段提升搭接长度不得小于100mm。
(4) 喷射孔与高压注浆泵的距离不大于50m，钻孔的位置与设计的位置偏差不得大于50mm。
(5) 检测点的数量为施工孔数的1%，并不小于3点，质量检验在高压喷射注浆结束28d后进行。
1.1.2 施工安排
根据施工总进度要求，拟安排1套旋喷桩施工机械设备进行三管高压旋喷桩施工。
1.1.3 三管高压旋喷防渗墙工艺
1.1.3.1 三管高喷灌浆施工工艺流程
1)准备工作：“三通一平”后，在大坝三管高压旋喷防渗墙施工轴线一侧布置二个水泥平台及灌浆平台，沿防渗墙轴线布设宽度不小于8.0m的工作面，按《高压旋喷防渗墙孔位平面布置图》在防渗墙
轴线上测定出高喷孔位，并做好标记。孔位定出后，即可进行钻机、高喷台车就位和安装调试设备，为正式施工做准备。
2) 泥浆制备：由于地层主要为大坝填筑土，将采用泥浆护壁造孔，泥浆制备采用优质粘土造浆，泥浆比重控制在1.08～1.2，粘度17～20s，胶体率＞90%，含砂量＜4%。
3) 钻孔：采用PH-5B型深层搅拌桩机钻进，孔径φ150mm，采用泥浆护壁正循环钻进，孔深按设计要求控制，施工时分二序孔进行，钻孔过程中应注意控制泥浆的比重，避免出现塌孔及埋钻现象，控制孔斜率＜1.0%。
4) 高压旋喷：根据设计要求，采用三重管并列式喷射管，喷射管长度大于孔深，一次提升喷射完毕，保证防渗墙的连续性与完整性。

2
1
3
(a) (b) (c) (d) (e)

图 Error! No text of specified style in document.3 三管高压旋喷法施工工艺流程
(a)钻机就位钻孔；(b)钻孔至设计标高；(c)旋喷开始；(d)边旋喷边提升；(e)旋喷结束成桩；
1—钻孔机械；2—高压泥浆泵；3—高压胶管

1.1.3.2 高压喷射灌浆施工流程图
施工程序为钻孔、下置喷射管、喷射提升、成桩成板或成墙等。

图 Error! No text of specified style in document.4 高压喷射灌浆施工流程图
1.1.3.3 三管高压旋喷凝结体的形状
三管高压旋喷凝结体的形状与喷射形式有关。旋转喷射时，喷嘴一面提升、一面旋转，形成柱状凝结体。
旋喷凝结体如下图所示。图中延伸长度A是喷射中心至凝结体边缘的最大长度。有效长度B是喷射中心至凝结体的均匀连续长度。
A
B
(1)
(2)
(3)
(4)

图 Error! No text of specified style in document.5 旋喷凝结体的形式、结构
A--延伸长度； B—有效长度
1—渗透凝结层(粘性土中无此层);2—挤压层;3—搅拌混合层;4—浆液主体层
1.1.3.4 三管高压旋喷凝结体的特性
三管高压旋喷凝结体的物理力学性质取决于工艺参数、灌浆材料及地层组成条件。纯水泥浆在砂砾石层中喷射，经升扬置换和搅拌混合成水泥砂浆凝结体，而在黏土层中的凝结体的性状相当于水泥土。高压喷射灌浆凝结体的组成不均匀，一般凝结体的各项特性如下述。
(1) 抗冻和抗干湿循环
凝结体抗冻和抗干湿循环在-20℃条件下是稳定的。因此在冻结温度不低于-20℃条件下，高喷凝结体可用于永久性工程。
(2) 渗透系数
喷射凝结体的渗透系数可达10-6～10-7cm/s，具有良好的防渗性能。
(3) 凝结体直径
三管高压旋喷凝结体直径的大小与土的种类和密实程度有较密切的关系。旋喷灌浆凝结体直径见下表。三管法旋喷灌浆凝结体直径0.5～0.9m。
表 Error! No text of specified style in document.1 三管高压旋喷灌浆凝结体的直径
土质
三管法
粘性土
0<N<10
1.2±0.2
11<N<20
0.8±0.2
21<N<30
0.6±0.2
砂性土
0<N<10
1.0±0.2
11<N<20
0.8±0.2
21<N<30
0.6±0.2
砂砾
20<N<30
0.6±0.2
注：N为土层的标准贯入击数。

(4) 凝结体形状
在均质土中，旋喷的圆柱体比较均称。在非均质或有裂隙土中，旋喷的圆柱体不均称，甚至在圆柱体旁凸出翼片。由于喷射流脉动和提升速度不均匀，固结体的外表很粗糙。凝结体的形状可以通过改变喷射方法、喷射参数来控制，大致可喷成均匀圆柱状、非均匀圆柱状、圆盘状、板墙状及扇形状。
在深度大的土层中，因受地层密实度和喷射压力阻减的影响，如果不采用其他的措施，旋喷圆柱固结体可能出现上粗下细似胡萝卜的形状。
(5) 凝结体密度
凝结体内部含土粒较少并有一定数量的气泡，因此凝结体的重量较轻，小于或接近于原状土的密度。黏性土高喷凝结体比原状土密度小约10％，但砂类土凝结体密度可能比原状土大10%左右。
(6) 凝结体强度
土体经过喷射灌浆后，土粒重新排列，水泥等浆液含量大。一般外侧土颗粒直径大些，数量也多些，浆液成分多。因此在横断面上中心强度低，外侧强度高，与土交换的边缘处有一层坚硬的外壳。
影响凝结体强度的主要因素是土质和旋喷灌浆材料。有时使用同一浆材配方，软黏土中凝结体强度成倍地小于砂土中凝结体强度。
高喷凝结体弹性模量较低。喷射水泥浆形成凝结体的弹性模量为1000MPa，喷射黏土水泥浆凝结体一般远小于1000MPa，具有较高的变形适应性。通常黏土和水泥的重量比为1:1时，黏土水泥浆凝结体的抗压强度仍不低于3～5MPa。
凝结体的抗拉强度较低，一般是抗压强度的1/5～1/10。
(7) 单桩承载力
旋喷柱状凝结体有较高的强度，外形凸凹不平，因此具有较大的承载力。一般固结土直径愈大，承载力愈高。高压喷射灌浆固结体力学性质见下表。
表 Error! No text of specified style in document.2 三管高压旋喷凝结体性质一览表
固结体性质
三管法
单桩垂直极限荷载(kN)
500～600
单桩水平极限荷载(kN)
30～40
最大抗压强度(MPa)
砂类土10～20,黏性土5～10,黄土5～10,砂砾8～20
平均抗压强度/最大抗压强度
1/5～1/10
干密度(g/cm3)
砂类土1.6～2.0
渗透系数(cm/s)
砂类土10-5～10-6
粘聚力(MPa)
砂类土0.4～0.5,黏性土0.7～1.0
内摩檫角(°)
砂类土30～40,黏性土20～30
标贯击数
砂类土30～50,黏性土20～30
弹性波km/s
P波
砂类土2.0～3.0,黏性土1.5～2.0
S波
砂类土1.0～1.5,黏性土0.8～1.0
1.1.3.5 三管高压旋喷防渗墙的主要结构型式
本工程三管高压旋喷防渗墙采用单排套接，为有效搭接采用单双序孔施工。

图 Error! No text of specified style in document.1 三管高压旋喷防渗墙结构型式
1.1.4 三管高压旋喷灌浆工艺参数的选择
施工工艺技术参数的选择直接影响着高压喷射灌浆的质量、工效和造价。
高喷施工工艺技术参数包括水、气、浆的压力及其流量、喷嘴直径大小及数量、喷射管旋转速度、摆角及摆动频率、提升速度、浆液配比及密度、孔距与板墙的布置形式等。施工实践表明，要获得较大的防渗加固体，一般应加大泵压，国内常用的喷射水压力为20～40MPa，最大达70MPa。
我国目前高喷灌浆常用的工艺参数如下表。
表 Error! No text of specified style in document.3 三管高压旋喷灌浆常用工艺参数
项 目
三管法
水泥浆
压力(MPa)
22～35
流量(L/min)
70～120
密度(g/cm3)
1.4～1.5
喷嘴(出浆口)(个)
2
喷嘴直径(mm)
2.0～3.2
孔口回浆密度(g/cm3)
≥1.3
提升
速度
V (cm/min)
粉土
15～25
砂土
15～30
砾石
10～20
卵(碎)石
8～15
旋喷速度
宜取V值的0.8～1.0倍
三管高压旋喷灌浆孔的孔距应根据墙体结构型式、墙深、防渗要求和地层条件，综合考虑确定。
三管高压旋喷灌浆的工艺参数和钻孔布置初步确定以后，一般宜进行现场试验予以验证和调整。特别是重要的、地层复杂的或深度较大(≥40m)的高喷灌浆防渗工程，一定要进行现场试验。高喷灌浆试验可按照下述原则进行：
(1) 确定有效桩径或喷射范围、施工工艺参数和浆液种类等技术指
标时，宜分别采用不同的技术参数进行单孔高喷灌浆试验。
(2) 确定孔距和墙体的防渗性能时，宜分别采用不同的孔距和结构型式进行群孔高喷灌浆试验。
1.1.5 浆液材料
三管高压旋喷灌浆最常用的材料为水泥浆。高喷用的水泥应根据灌浆目的和坝堤地基的地质情况而定。一般应采用较高的强度等级。在地下水有侵蚀性的地方应选用有抗侵蚀性的水泥，以保证防渗板墙或帷幕的耐久性。
为了提高浆液的流动性和稳定性，改变浆液的凝胶时间或提高凝结体的抗压强度，可在水泥浆液中加入外加剂。根据加入的外加剂及注浆目的不同，高喷水泥浆液可分为以下几种类型。
(1) 普通型
普通型浆液一般采用强度等级为32.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.6:1～1.5:1，凝结体的抗压强度(28d)最大可达20MPa。对于无特殊要求的工程宜采用普通型浆液。
(2) 速凝一早强型
对地下水位较高或要求早期承担荷载的工程，需在水泥浆中加入氯化钙、三乙醇胺等速凝早强剂。其用量为水泥用量的2％～4％。纯水泥浆与土的凝结体的抗压强度(1d)为1MPa，而掺人2％氯化钙的水泥一土的凝结体的抗压强度为1.6MPa，掺人4％氯化钙后为2.4MPa。
(3) 高强型
凡喷射凝结体的28d平均抗压强度在20MPa以上的称为高强型。若想提高凝结体的抗压强度，可以选择强度等级高的水泥，或选择高效能的扩散剂和外加剂组成的复合配方等，外加剂对凝结体强度的影响见下表。
表 Error! No text of specified style in document.4 外加剂对固结体抗压强度的影响
主剂
外加剂
抗压强度(MPa)
抗折强度(MPa)
名称
用量
名称
掺量(%)
28d
3个月
6个月
1年
32.5普
通硅酸
盐水泥
100
NNO
0.5

NR3
0.05
13.59
18.62
22.8
24.68
6.27
NaNO2
1

NF
0.5

NR3
0.05
14.14
19.37
27.8
29.0
7.36
(4) 抗渗型
在水泥浆中掺人2％～4％的水玻璃，其凝结体渗透性降低，如下表所示。如工程以抗渗为目的，最好使用“柔性材料”。可在水泥浆液中掺入10％～50％的膨润土(占水泥重量的百分比)。此时不宜使用矿渣水泥，如仅有抗渗要求而无抗冻要求者，可使用火山灰水泥。
表 Error! No text of specified style in document.5 掺入水玻璃的水泥浆凝结体的渗透系数
土的类别
水泥品种
水泥含量(%)
水玻璃含量(%)
渗透系数(cm/s)
细砂
32.5硅酸盐水泥
40
0
2.3×10-6
40
2
8.5×10-8
粗砂
32.5硅酸盐水泥
40
0
1.4×10-6
40
2
2.1×10-8
注：水玻璃模数2.4～3.0,浓度30～45波美度。
普通水泥浆液可不进行室内试验，其它浆液根据需要进行一些必要的试验，如测定浆液的密度、含砂量、静切力、粘度、失水量、胶体率(或析水率)、酸碱度、流散直径、凝结时间等。
1.1.6 施工机械的选择
高压喷射灌浆的施工机械设备由普通地质钻机或特种钻机、高压泵等组成。由于喷射方法不同，所使用的机械设备也不尽相同。下表为三管高压旋喷使用的主要施工设备表。
表 Error! No text of specified style in document.6 三管高压喷射灌浆主要施工机具表
设备名称
规 格
三管
提升台车
起重2～6t，起升高度15m。深孔或振孔高喷宜用高架台车或履带吊车式高喷台车
√
钻机
100m～300m型地质钻机，跟管钻进钻机等
√
灌浆泵
超高压泥浆泵，最大压力60～80MPa，流量150～200 L/min
√
搅拌机
卧式或立式
√
喷射管
三管
√

1.1.6.1 钻孔设备
根据本工程情况，钻孔设备拟选用XY-1A型深层搅拌桩机，该机适用于高喷灌浆、帷幕灌浆的钻孔，是一种具有油压给进的高速轻便钻机。最大开孔直径允许为150mm。其主要特点：
(1) 具有油压自动给进机构，提高钻进效率，减轻工人劳动强度。
(2) 钻机配有上球卡式夹持机构并带有六方主动钻杆，可实行不停倒杆工作效率高，安全可靠。
(3) 配有孔底压力表指示压力，便于掌握孔内情况。
(4) 手柄集中，操作方便，安全可靠。
(5) 钻机结构紧凑，体积小，重量轻，便于解体和搬运，适合于平
原和山区工作。
1.1.6.2 搅浆机
搅浆机现常用的有卧式搅浆机和立式搅浆机两种。制浆作业时，将水泥和水等灌浆材料，按设计配合比，经过料斗送入搅浆筒内。卧式搅浆机搅浆时，灌浆材料从进料端至出浆端连续受到10根搅臂和8根定臂的高速搅拌粉碎成浆。浆体由甩浆板通过离心作用甩至滚动筛中。搅臂的最大线速度达16m/s。立式搅浆机原理与卧式搅浆机基本相同，分为上、下两只浆筒，由电动机通过减速器带动搅臂旋转。
1.1.6.3 灌浆泵
灌浆机WB80/10型最大压力60MPa，排量90～160L/min，功率4kW。
1.1.6.4 水泥上料机
水泥上料机有皮带上料机、气动上料机和螺旋上料机等许多种类，工地上常用的是螺旋上料机。螺旋上料机是一种不带挠性牵引件的输送装置，它的主要部件是螺旋(搅龙)，螺旋体在固定的倾斜输送管(或槽)内旋转，输送水泥至储料罐。易变质的、粘性大的、易结块的及大块的物料不容易输送。
1.1.6.5 三管喷射装置
三管喷射装置用以输送一种高压浆液，使高压浆液在地层中切割掺搅升扬置换土体。三管水龙头安装在喷射管的顶部，它将高压胶管和旋摆的喷射管连接起来，而将高压浆液从胶管输送给喷射管、喷头。单介质喷射管一般采用φ50mm或φ42mm普通地质钻杆，每根长
1～3.5m。钻杆的上下连接采用方扣螺纹，螺纹接头处应加铜垫圈，保证有良好的密封性。用于摆动喷射时，应加配销钉孔，在反摆时用以阻止销钉倒移。单介质喷头装在钻杆的最下端。喷头的圆锥形（如下图）。。圆锥型喷头结构，端部没有合金块，用45号钢加工而成。圆锥型喷头对粘性土或砂类土等小粒径地层中喷射，较为理想。
4
3
1
2

图 Error! No text of specified style in document.7 圆锥型喷头结构
1—喷嘴套；2—喷嘴；3—喷嘴接头；4—钻头
喷头上各装有高压喷嘴两个，喷嘴装在喷头的两侧，高压射流可横向射入地层。喷嘴结构如下图所示，其直径一般为1.6～3.5mm。喷射水泥浆的喷嘴一般用硬质合金钢制成(多用YG8或YG11)。

D
3～4D
13°～14°

图 Error! No text of specified style in document.8 喷嘴结构