4.1 高喷灌浆特征与固结体性质

4.1.1 高喷灌浆主要特征

利用高压高速射流直接冲击、切割破坏土体，并使水泥浆液与地层颗粒搅拌、混合、固化的高压喷射灌浆工艺，从施工方法、加固质量到适用范围，不仅与静压灌浆法有所不同，而且较其他地基处理方法更有许多独到之处。其主要特征表现为以下几点。

1.适用范围广

高喷灌浆广泛适用于岩土工程土质地基的强化加固处理。

高喷灌浆不像静压灌浆那样，以调整浆液材料配合比和灌浆工艺去适应不同地层结构，而以高压射流直接破坏并使地层颗粒重新排列组合、以单一配合比的水泥浆掺入并经固化而加固土体，使地层性质显著提高，适用范围扩大。高喷灌浆既可以用于工程兴建之前，也可用于工程建设之中，特别是用于工程落成之后，显示出不影响建（构）筑物运行使用和不损坏其上部结构的特殊优势。

2.施工简便

普通岩心钻机和动力头钻机都可以用来进行常规高喷的钻孔设备，只要在地层中钻成一个直径为56～130mm的钻孔，就可以进行高喷灌浆作业并喷射成直径为0.5～2m的旋喷桩或其他形状的固结体。高喷对地下防渗墙或深基坑止水帷幕补强处理极为简便。

3.固结体形状可按需控制

高喷固结体具有可以灵活成型的特性。既可以在钻孔中全孔形成桩柱形、扇形、纺锤形固结体，也可以在其中一段或数段形成任意要求形状的固结体。

为满足工程需要，可在高喷作业过程中，调整喷射参数（如转速、摆动速度、提升速度、喷射压力、射流流量）或改变喷嘴直径、数量，使高喷固结体成为满足设计要求的形状。

4.固结体性质可调控

根据地质条件，采用不同种类浆液和配方，即可获得满足工程需要的固结体强度、渗透性等技术指标。如当采用水泥浆液，黏土类地层中固结体强度最高可达5～10MPa，而在砂层和砂砾石地层固结体强度最高可达10～20MPa。由于双管高喷可以采用性能确定的水泥浆，其固结体性质具有很好的可调控性。

5.效果稳定、持久耐用

在软弱地基中加固处理，高喷灌浆工艺与其他工艺相比，因其加固结构和适用范围不同，加固处理效果显然不能一概而论，就从其使用的浆液性质、浆液与地层颗粒凝结状态和固结体的特殊结构看，可以预期得到稳定的加固效果和持久的耐用性。

6.料源广、价格低

高喷灌浆的浆液多以水泥浆为主，以化学材料为辅。除在要求速凝、超早强时使用少量化学材料以外，许多地基工程采用料源广阔、价格相对低廉的强度等级为32.5MPa的普通硅酸盐水泥。遇地下水流速快或含有腐蚀性元素、土层含水率高或固结强度要求高的情况，可在水泥中掺入适量的外加剂以达到速凝、早强、抗冻、耐蚀、稳定等效果。此外，还可在水泥中掺入一定量的粉煤灰、黏土或砂，既解决了工程问题，又降低了材料成本。

7.设备简单、管理方便

高喷灌浆所采用的机械设备均为国内定型产品或自行研发专门设计制造。钻喷一体化设备结构科学、机动性强、工艺简单；常规高喷的钻孔机械和高喷机设备结构紧凑、通用性强，可在狭小场地施工。

高喷施工管理与钻探生产管理极为类似。施工现场管理也很简便，通过对泵压、流量、返浆量、浆液配合比检测和控制，保持或及时调整高喷参数或改变工艺，即可保证高喷施工质量和固结质量。

高喷灌浆既可进行单机组施工，又可实现多机组协同作业。施工组织管理可以十分灵活。

8.生产安全

高喷射流压力一般为30～40MPa。地面试喷时射流所表现出的汹涌冲击力，会让人们陡然感到其强大的威力，甚至会误认为整个射流发生系统都存在着巨大的危险性。其实整个射流发生系统都是在科学条件下，经过严格设计制造的完全可以安全使用的机械设备。

首先，高压泵作为高喷系统压力源，其耐压力至少为200MPa，而且必须配置性能可靠的安全阀和压力表，当系统压力高于40MPa时安全阀会自动开启泄压。万一安全阀失效，电动机过载保护系统也会在压力不至过高时自动断电，使高压泵停止工作。而压力表可以认为是系统过载的第三道防线，超过额定压力时操作人员即可以拉闸断电或手动泄压。就算以上三道防线都完全失效，唯一可能发生的就是管路破裂。

其次，管路中的高压胶管为3层钢丝编织（或缠绕）优质高耐压胶管，通常工作压力为40MPa的高压胶管其爆破压力不低于110MPa。只要按规定使用和维护是不会破裂损坏的，即使万一发生管路破裂，由于浆液是非压缩性物质，在管路破裂瞬间即可降至常压，也不会出现如爆炸或碎片飞散致伤事故。

综上可见，只要按规范施工、按操作规程使用设备器材，就完全能够保证高喷灌浆施工安全。

9.无公害

高喷灌浆所使用的钻孔设备（振动设备、工程钻机）、电动高压泵和空压机、搅拌机等均符合国家标准，振幅小、噪声低，不会对周围建筑物产生震动破坏和噪声污染。灌浆所用浆材为水泥浆，不存在污染水域、毒害水源问题。

高喷灌浆是一种振动小、噪声低、无污染、符合现代环保要求的地基加固处理技术。

4.1.2 固结体基本性质

各类土层（黏性土、淤泥质土、粉质土、砂类土、砾石土、杂填土），各类砂层（粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾石），经过高喷灌浆处理以后均可得到有效固化。工程设计者熟知高喷固结体的本质特性（渗透系数小、抗压强度较高、抗折强度低），并加以扬长避短、科学利用，就会收到最佳效果。高喷固结体（亦称结石体）基本性质包括以下几个。

1.体型较大

旋喷桩固结体直径的大小取决于射流能量和旋转与提升速度，并与地层类别和密实度、钻孔深度密切相关。在相同地质条件和喷射参数条件下，单管法旋喷桩直径一般为0.4～0.8m，三管法旋喷桩直径可达0.8～2m，双管法旋喷桩直径介于单管法和三管法之间。

事实上，高喷灌浆时浆液在局部高压和浆柱静压的作用下，在各类地层中均有程度不同的扩散和渗透，使得高喷固结体的实际有效直径增大了许多。这种渗透作用对于地下防渗与复合承载都是十分有利的，但往往因为不易测量或出于安全考虑，被人们在进行固结体直径（或厚度）的测绘和取值时予以舍弃。

2.形状异化

在均质地层中，高喷固结体形状一般较规则、匀称。在非均质地层或裂隙土中，固结体形状不匀称，还会伴有翼片和异形凸出。由于受到机械提升、旋转或摆动与射流脉动以及地层结构和颗粒大小等影响，固结体外表的粗糙和凸凹现象十分正常。在深度较大和地层结构差异较大的条件下，如果全孔采用同一套高喷参数施工，则会出现固结体形态“上大下小”或“大小不一”的状况。

3.质量较轻

由于固结体内部的土颗粒较少，并含有大量气泡气囊。因此，固结体的密度较小，轻于或接近于原状土的天然密度。固结体内部土块的大小和数量与地层结构尤其是提升速度直接相关，如果提速过快，被高喷射流冲切下来的土块尚未得到充分破碎时便与水泥浆搅拌混合并被包裹，势必造成固结体内部裹土的块大量多的状况。

4.透水性差

固结体自身结构的最大特点是内核疏松而密闭、外壳致密而坚实。高喷固结体内虽有大量空隙，但这些空隙相对密闭并不贯通，固结体外层结构致密坚硬。固结体具有一定强度，并具有一定的防渗性能，其渗透系数达K=10^-6～10^-7cm/s，可满足各类地基的防渗要求。

5.强度差异性

固结体的强度差异很大。其无侧限抗压强度可达10～20MPa，完全能够满足一般建（构）筑物对地基沉陷和稳定的要求，但其抗折强度较低，约为抗压强度的1/10～1/5。实践中，为改变固结体强度指标，也可通过改变浆材成分和配合比来实现。

6.特殊固结体

用普通硅酸盐水泥高喷灌浆的固结体，抗冻、抗蚀、抗干燥的性能较差，在有冻结、腐蚀和干燥的特殊条件高喷时，应针对不同情况掺入合适的外加剂，以改善固结体性能，满足工程的特殊需要。