第2章 振孔高喷技术发展历程与现状
2.1 振孔高喷技术起源
高压喷射灌浆法是在静压灌浆法基础上发展起来的，主要使用高压射流冲击土体，使浆液与土颗粒强制搅拌混合并最终形成具有一定强度和抗渗性能的固结体，简称高喷灌浆法。振孔高喷技术在20世纪90年代初期开发成功，经过初期近10年的工程实践，历经几次较大技术改进，技术日臻成熟，使高喷灌浆工艺的适用范围、工程质量、施工工效等大幅度提高，工程造价不断降低，现已成为目前应用较为广泛的建造地下连续防渗墙和旋喷桩的施工新技术，目前振孔高喷工艺仍在不断深入研究和开发。同时，根据具体工程实际需要，在振孔高喷技术基础上，相继开发出振动切槽成墙工艺、振孔切喷工艺等系列防渗墙施工新工艺，与振孔高喷工艺共同组成了系列防渗墙施工专利技术。针对不同地质条件和防渗墙技术要求，可灵活选用不同的振孔高喷灌浆系列施工工艺，极大地拓展和改善常规高喷灌浆工艺适用范围和防渗墙性能。
2.1.1 高喷灌浆技术发展历程与现状
高压喷射灌浆法最早创始于日本。在20世纪60年代末，日本N.I.T公司在日本大阪地铁开挖工程施工时，起初采用冻结法固结土体，后因冻冰融化改用静压灌浆法，因地层条件的复杂性，浆液从土层交界面大量流失，导致施工进展困难。中西涉先生创造性将水利采煤技术与静压灌浆技术相结合，以高压水泥浆射流冲击土体，使水泥浆与冲碎的土颗粒混合，在地层中形成一圆柱状固结体，这种全新的施工方法被称为高压喷射灌浆法，也称为高压喷射注浆法。当时定名为CCP工法，我国现称单管法。经过高压喷射灌浆处理后，地基加固效果明显。虽然最初的高压喷射灌浆技术理论还很粗浅，但标志着一种新的施工工法的诞生，意义重大。
传统高压喷射灌浆方法就是利用造孔设备造孔达到预定孔深，用高压发生设备（高压泵）通过装置在高压喷射管底部的两个高压喷射嘴，产生高压固化浆液喷射流冲切搅混地层土体，同时通过旋转和提升装置按某种速度旋转、提升高压喷射管，在高压喷射流作用下，地层的土体结构被破坏，并将土体颗粒和固化浆液搅拌混合，混合浆液固化后形成具有某种性质与形状的固结体，从而改善地基承载力及抗渗等性能。
我国引进高压喷射灌浆技术到目前已有40年历史，1975年铁道部门率先进行了单管法高压喷射试验和应用，1977年冶金部门在宝钢工程建设中进行了三重管法高压喷射灌浆获得成功，随后我国冶金、水电、煤炭、建工等部门和部分高等院校也相继进行了试验和施工，40年来，各相关单位对高压喷射灌浆机理及其影响因素，高压喷射灌浆施工工艺、施工设备、施工机具，高压喷射灌浆材料等进行了大量、系统的试验研究工作，积累了大量宝贵的经验和试验资料，高压喷射灌浆技术得到了长足发展。至今，高压喷射灌浆法已成功应用于已建工程和新建工程的地基处理、深基坑地下工程的支挡和护底、建造地下防渗墙、防止砂土液化等方方面面。
意大利、法国、德国、美国、瑞典、俄罗斯等国家，多起步于20世纪80年代，发展较快，机具设备的效率较高。新加坡、泰国等国家，约在20世纪80年代后期开始有一定应用。
经过多年实践和发展，高压喷射灌浆法已成为我国常用的一种施工方法，并制定了国家标准和行业标准，如国家标准有《地基与基础工程施工及验收规范》（GBJ 202—2002），行业标准有《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002），《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL／T 5200—2004）。
目前国内的应用较广泛的是二重管法和三重管法。在大量的基础防渗、加固和补强工程中，基本可以满足设计要求。高压喷射灌浆技术在最近几年发展迅速，新工艺、新方法多种多样，主要有多重管法、MJS工法、RJP工法、卡斯姆工法、超级喷射法、交叉喷射法、喷射搅拌法、低变位喷射搅拌法、扩幅式喷射搅拌法、喷射干粉法及喷射冷沥青技术等。现简要介绍如下：
（1）多重管法。国内目前采用的高压喷射灌浆，基本属于半置换方式，固结体中水泥含量低，水泥随冒浆流失较多，造成材料极大浪费。多重管法主要利用事先钻好的导孔，置入多重管，用旋转的超高压水射流（一般大于40MPa）冲切破坏四周土体，并逐渐向下运动。被冲切搅混在一起的砂石和土浆用真空泵抽出，这样便在地层中形成一个可控的较大空间，通过安装在喷嘴处的超声波传感器，对空洞进行监测并反馈到地面操作台，测出空间大小和形状，按设计要求控制施工。符合要求后便可进行材料填充，填充材料可以是砂浆，也可以是混凝土或其他材料。通过多重管法施工，能在地层中形成较大体积的全置换固结体。这种方法也称为SSS-MAN工法。主要特点是固结体材料全置换，质量可控。
（2）MJS工法。此工法可实现全方位高压喷射灌浆，如在水平、垂直、倾斜方向均可完成高压喷射作业。MJS工法采用了真空泵抽取泥浆，因此，施工深度大大增加，垂直深度可达80m以上，水平深度也可达50m以上。另外，MJS工法针对水平及倾斜方向高压喷射灌浆造成的孔内压力过大，可能引起的地面隆起情况，特别安装了压力传感器，监测孔内压力，防止地面隆起，同时还有地下增压装置，可在孔内侧压力过大时，用于平衡侧压力，保证施工。MJS工法喷射压力一般都在40MPa以上，这样固结体直径大。MJS工法一般还配有一些辅助装置，如泥浆处理装置，可把泥浆分离制成泥饼和水，泥饼运出场外，水可重复利用，现场可保持良好的施工环境。MJS工法设备复杂，占用场地多，搬运不方便。
（3）RJP工法。此工法是在三重管法高压喷射灌浆基础上发展改进形成的。主要特点是进行两次冲切破坏。高压喷射管下部设计有两个喷嘴，两个喷嘴上下有一定间距，高压喷射管下入孔底后高压喷射作业开始，高压喷射管开始提升。上边的喷嘴喷射高压水气流完成第一次冲切土体，紧接着下边的喷嘴喷射超高压浆液气流完成第二次冲切，形成的固结体直径大大提高。
（4）卡斯姆（M.F.Khassme）工法。此工法与RJP工法类似，区别是在上下两个喷嘴之间增加一个低压水流，这样极大地增加了排出土体的量，增加喷射直径，提高搅拌效果和提高固结体水泥含量。
（5）超级喷射法。其主要特点是高压大流量，即高压浆射流大于30MPa，流量高达600L/min以上，采用超级喷射法施工，桩径可达5m以上。
（6）交叉喷射法。此工法主要特点在于两组喷嘴喷射方向交叉成一定角度，使射流的冲切破碎效果更好，搅拌更均匀，弃浆量较小，成桩直径可达2m以上。
（7）喷射搅拌法。此工法是将交叉喷射法、深层搅拌法两种基础处理方法结合产生的新工法，其主要特点是除了在底部设有出浆口外，另将高压喷嘴布置在搅拌叶片端部，在机械搅拌的同时进行交叉高压喷射作业。此工法可获得大断面桩体，桩体质量均匀，施工效率高。
（8）低变位喷射搅拌法。此工法也是高压喷射灌浆与深层搅拌法相结合的一种新工法，与喷射搅拌法不同的是不再使用交叉喷射法。
（9）扩幅式喷射搅拌法。与低变位喷射搅拌法类似，不同之处在于本工法的搅拌叶片是可以在高压喷射管任何位置工作，并先行将孔径扩大，再经高压喷射射流喷射后，可得到较大的桩径。
（10）喷射干粉法。直接喷射水泥干粉，增加固结体水泥含量，一般用于含水量较高的淤泥质地层，也可用于基岩裂隙的充填。
（11）喷射冷沥青技术。此技术由苏联开发，以沥青乳剂为胶凝材料，施工过程与高压喷射类似。形成的固结体有较高的弹性和防水性。
2.1.2 振孔高喷技术起源与发展
高喷灌浆法引入我国后最初主要应用于软土地基的加固，以提高软土地基承载力为主，随着我国经济建设的飞速发展，高压喷射灌浆方法已经在各行业的建设工程基础处理领域得到广泛的应用，应用范围不断扩大，高喷机理和高喷设备得到了快速发展。在水利系统高压喷射灌浆方法被大量应用于基础防渗处理，在我国已建和在建水利水电工程的防渗加固工程中发挥了重要作用。到了20世纪90年代初，高喷灌浆已能够在各种水利水电工程复杂地基条件下修建地下防渗墙，特别是在大漂（孤）卵砾层中已经能够用高压喷射灌浆方法修建地下防渗墙。但在大颗粒地层，如含有卵漂石地层中钻孔难度极大，传统钻孔方法施工效率很低，质量控制难度较大，同时，从现有的应用中可以发现，常规钻孔高压喷射灌浆方法仍存在着一些不足，具体有以下几个方面：
（1）钻孔高喷方法受钻孔和高喷作业两道工序的相互制约，必须分序施工，然而即便分序施工也无法避免出现钻孔的“塌孔”现象，进而导致高喷管不能到达孔底预定深度而必须反复扫孔、反复起下高喷管。这种弊端会产生施工效率低、成本高、质量控制难度大等问题。造成塌孔的原因包括护壁不好、相邻孔施工窜浆窜风，或者在高喷作业时出现喷嘴堵塞等孔内事故时，在提出高喷管处理事故过程中发生钻孔坍塌。
（2）钻孔过程中使用泥浆进行护壁使传统高喷灌浆工艺工序复杂化，环保条件恶化。需要增加备料（优质黏土或膨润土）、现场堆放、预水化处理、制浆供浆、泥浆净化、弃浆处理等施工过程，加大高喷灌浆施工成本。同时，由于护壁泥浆实质上已对需要处理的渗漏地层进行了灌浆堵漏，高压喷射作业时注入的水泥浆无法完全置换出已灌注的黏土浆液，产生假灌现象。而产生假灌的高喷墙体寿命低、耐久性极差，在高水头的作用下极易被击穿，严重影响高喷质量。
（3）由于钻孔的分序施工，往往在一序孔高喷作业完成，高喷固结体已经达到初凝甚至已达到一定强度后，二序孔才能进行高喷作业，这样，在一序孔和二序孔之间的高喷墙接触部位存在接缝，导致防渗墙体形成难以避免的渗漏隐患。
（4）高喷孔距的大小既制约工程造价又制约工程质量。为了追求高效率、低成本，钻孔高喷的孔距设计往往偏大，进而无法更有效地利用高压射流近喷嘴高能区的强力破坏作用。在局部地层条件发生不利变化，又不能及时发现时，由于高压射流喷射半径变小，会导致出现墙体空洞，影响施工质量。
为了更有效利用高压射流近喷嘴高能区的强力破坏作用，提高地层变化时的适应性、安全性，增加防渗墙体的连续和防渗性能，选择小孔距是必要的。但对钻孔高喷工艺却意味着工程造价的大幅提高和施工效率的大幅降低，使得高喷灌浆工艺的使用条件和优势大打折扣。
综上所述，由于钻孔高喷存在的不足，严重制约了高喷灌浆工艺的发展，近十几年来，我国高喷相关单位和技术人员先后研发了钻喷一体化高喷设备和工艺，使钻孔、高喷一次性完成，避免反复起下高喷管，简化施工工序，使高喷灌浆适应性大为提高，质量控制更加简单、可靠。
鉴于钻孔高喷的种种弊端，中水东北勘测设计研究有限责任公司（原水利部东北勘测设计研究院）东北岩土工程公司组织以总工程师李绍基为首的相关专业技术人员组成课题组，开始研发振孔高压喷射灌浆工艺技术。
振孔高压喷射灌浆工艺率先实现了钻喷一体化高喷灌浆工艺，具有自身独有的工艺特点和优势。
20世纪90年代初期，振孔高喷工艺及相关设备研制和试验成功，于1993年初次用于莲花电站隧洞出口围堰防渗工程。该工程围堰堰体由当地土石料堆填而成，块径极不均匀，河床中块径大于0.6m的孤石、漂石分布为5%～10%，采用常规防渗处理手段很难完成。使用振孔高压定喷工艺，仅20d即完成任务。共处理段长350延米，造孔446个，成墙面积3000m2，平均台效达到180m2/台日。经围井试验和工程开挖验证，成墙质量高、抗渗效果好（K<10-6cm/s），完全满足设计要求。该项目是振孔高喷工艺及专用设备第一次工程实例应用，并取得巨大成功，极大地拓宽了高喷灌浆技术的应用领域，为地基与基础处理工程提供了一种高效施工新方法。
随后又在酒泉卫星发射基地五一水库防渗加固等工程中进行振孔定喷的施工，取得了成功，标志着振孔高喷工艺及设备日趋成熟。
在振孔定喷技术的基础上，振孔高喷技术进入快速发展期，先后实现二管法摆喷、旋喷和三管法的摆喷、旋喷工艺，并在工程实例中得到验证。
振孔摆喷工艺和设备首次应用于广东岭澳核电站联合泵站防渗工程，取得了成功。该工程于1996年5月27日开工，1996年7月1日竣工。共完成高喷孔476个，造孔深度4033.66m，防渗墙面积2108.22m2。该工程设计基坑入渗量为70m3/h，基坑开挖时入渗量只有11.2m3/h，完全满足了设计要求。该工程完成后，摆动振孔高喷工艺获得了国家发明专利权，并在第六届中国专利技术博览会上获得银奖。还获得水利部科技进步三等奖，获得松辽水利委员会科技进步一等奖。
振孔旋喷工艺和设备首次应用于老松江水电站导流涵管旋喷桩工程。该工程施工部位上部2～5m厚的强透水砂卵砾石层，下部为厚20～30m透水性较强的含泥砂卵砾石层，下伏基岩为安山岩。砂卵砾石层中卵石含量约占60%，并且有漂石分布于该层中。含水层厚23～25m，地下水埋深1～3m，该地区砂卵砾石不均匀系数Cu=91，缺少中间粒径，微弱胶结，相对较密实。共成桩60根，桩深度为9m和12m，施工过程中最高施工速度每天单机可完成12根旋喷桩，极大地提高了工程施工进度，提前完成了施工任务，对50%的桩体进行了开挖质量检查，桩径均大于80cm，桩体表面强度不低于7.5MPa，其指标完全满足设计要求。
之后，对在工程实践中发现的一些技术缺陷进行了分析和总结，并进行系统的改进，特别是摆动装置和旋转装置，先后进行了多次改进，结构更加紧凑、合理，检修简单、方便，运转顺畅、可靠，施工过程中的事故率大幅减少。到2000年，振孔高喷已经可以实现单管法、双管法和三管法3种高喷类型，进行定喷、摆喷、旋喷3种基本高喷形式的施工，实现了高喷灌浆类型和喷射形式的全覆盖。该工艺目前已广泛应用于水库、堤防、水利水电围堰坝基等防渗与加固工程以及港口、码头、地铁、交通等地基基础处理工程中，成功案例百余项。
摆动振孔高喷工艺取得发明专利证书，摆动振孔高喷工艺（技术）被水利部认定为水利先进实用技术，并列入《2011年度水利先进实用技术重点推广指导目录》，2012年10月，摆动振孔高喷工艺研发与推广应用获“大禹水利科学技术”二等奖。
在振孔高喷灌浆工艺及设备研制和工程应用过程中，根据具体工程的需要，中水东北公司又相继开发出振动切槽成墙工艺、振孔切喷工艺等一系列防渗墙施工新工艺，与振孔高喷工艺共同组成了系列防渗墙施工专利技术。在1998年特大洪水后，长江、黄河等大江大河堤防急需除险加固，公司抓住机遇，依靠振孔高喷工艺、振动切槽成墙工艺、振孔切喷工艺等系列专利技术优势，依靠进度快、质量好、造价低的特点迅速占领市场。先后承揽完成了长江、黄河、松花江干堤除险加固工程数十项，均取得了骄人的成绩，在防洪、供水、基础设施建设过程中，做出了突出的贡献。
其中振动切槽技术已于2000年4月通过水利部组织的鉴定，一致认为该技术为国内首创达到国际先进水平。振动切槽成墙工艺及其专用设备获得了国家发明专利（专利号为ZL99223653.3），并在第九届中国专利新技术新产品博览会上获得特别金奖。振动切槽成墙工艺是采用大功率高频振动锤带动切头切挤地层成槽，在切入的同时，向槽内注入成墙材料形成墙体，相邻槽段保持一定量的重复段，并靠切头上的测斜和纠偏装置，保证墙体的连续和垂直。振动切槽是直接挤压成形，没有废渣和废浆，环境污染小，适合在土壤、砂、砂砾等松散地层中应用，成墙材料可采用砂浆、塑性混凝土、普通混凝土或其他成墙材料。
振动切槽成墙工艺首次应用于长江干流永安堤堤基加固整治工程。该工程位于长江南岸九江市永安乡境内，距九江市区约2km，为江西省长江干流加固整治的Ⅱ期工程，按设计要求26+000～27+900堤段采用振动切槽成墙技术建造防渗墙。工程于2000年2月18日开工，2000年4月8日竣工。完成防渗轴线长2012.4m，成墙面积38831.22m2。质量检查结果表明，墙体质量好，切槽墙体连续完整、厚度均一，墙体坚实、光滑平整；施工效率极高，单机最高效率达860m2/d，平均施工效率达420m2/d；成本低，在施工过程中，没有水泥浆的过多浪费；污染小，由于是挤压成槽，不存在排渣、排浆等污染环境的施工工序，槽内土体被强力挤压至槽壁两侧，使周边介质具有明显的挤密加固效果。振动切槽成墙工艺在长江大堤、黄河大堤、松花江大堤、上海老港城市固体废弃物填埋场四期场地建设工程等十多个工程中，已建造薄防渗墙20余万m2，工程质量均达到优良等级，综合效益极好。
振动切喷成墙工艺是在振动切槽成墙工艺基础上发展起来的一种成墙新工艺，振孔切喷成墙工艺既有振孔高喷的工艺特点，又保留了振动切槽成墙工艺的一些工艺特点，主要是为了扩展振动切槽成墙工艺地层适应性。振动切喷成墙工艺原理是利用大功率高频振动设备将振管和切喷头振入地层一定深度，直接挤压形成一定长度的槽段，同时高压浆（水）喷射流切割地层保证墙体的连续性和减少切割地层的阻力。浆泵通过切喷体上的浆孔把水泥浆液灌入地层，边冲切边充填。切完第一槽段连续切第二槽段，主切刀上设有副切刀，重复第一槽段切过的部位，保证槽段内有重复搭接段，在重复搭接段和高压射流的双重保证下，形成一道连续完整的防渗墙体。
振动切喷成墙工艺首次应用于长江干流梁公堤振孔切喷除险加固工程。江西省长江干流梁公堤位于瑞昌市码头镇以北，距九江市约60km。堤长5605m，堤高8m，堤顶宽7～10m，为堆石护坡土堤，主要以防洪为主。1998年洪水期间，梁公堤曾出现6处堤基严重渗漏的险情，严重威胁着附近九江市人民生命和财产的安全。1999年水利部将梁公堤段列为首批加固处理的病险堤之一。设计采用振孔切喷工艺进行施工。工程于1999年2月4日开工，1999年5月20日竣工。该工程防渗轴线总长2391m，共完成切喷孔2997个，累计进尺47342m，成墙面积37800m2。工程完成后，对墙体进行12处开挖检查，开挖深度1.5～11m，检查结果是墙体厚19.5～25cm，墙体连续、均匀、完整，墙壁坚实、平整，水泥浆结石良好，满足设计要求。
振动切喷成墙工艺先后完成了江西鄱阳湖区二期防洪工程廿四联圩除险加固工程、江西鄱阳湖区二期防洪工程赣西联圩新出险项目除险加固工程、江西省长江干流济益公堤除险加固工程等多项工程，建造防渗墙10余万m2，工程质量均达到优良等级。