第五节 高压喷射灌浆
20世纪70年代初，日本将高压水射流技术应用于软弱地层的灌浆处理，成为一种新的地基处理方法——高压喷射灌浆法（高喷）。它是利用钻机造孔，然后将带有特制合金喷嘴的灌浆管下到地层预定位置，以高压把浆液或水、气高速喷射到周围地层，对地层介质产生冲切、搅拌和挤压等作用，同时被浆液置换、充填和混合，待浆液凝固后，就在地层中形成一定形状的凝结体。通过各孔凝结的连接，形成板式或墙式的结构，不仅可以提高基础的承载力，而且成为一种有效的防渗体。由于高压喷射灌浆具有对地层条件适用性广、浆液可控性好、施工简单等优点，近年来在国内外都得到了广泛的应用，在大颗粒地层、动水、淤泥地层和堆石堤（坝）等场合，应用高压喷射灌浆技术具有显著的技术经济效益。
一、高压喷射灌浆机理
从理论和工程实践分析，高喷的作用和机理主要有以下几个方面。
1.冲切掺搅作用
高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击、切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散，充填周围地层，并与土石颗粒掺混搅和，硬化后形成凝结体，从而改变了原地层结构和组分，借以达到防渗或提高承载力的目的。
高喷凝结体是多种因素综合作用的结果，其中原地层结构和施工条件对其性能起关键作用。
高压射流对地层结构的影响范围，取决于比能E值的大小，其表达式为
式中 E——每米施喷柱耗用的能量，MJ/m；
P——喷射灌浆压力，0.1MPa；
Q——射流浆量，L/min；
v——提升速度，cm/min。
比能E值大，旋喷柱的直径大，对同一地层、同一设计的柱径而言，一般有一最优比能值，通常选用40~70，最终应通过现场高喷试验确定。
2.升扬、置换作用
高喷施工时，水、气或浆、气由喷嘴中喷出，压缩空气除能对水或浆液构成外包气层，使水或浆液射流能透入地层较远距离，并维持较大压力破碎地层结构外，在能量释放过程中，类似“孔内空气扬水”原理，还可产生升扬作用，将经射流冲击切削后的土石碎屑和地层中细颗粒由孔壁及喷射杆的环状间隙中升扬带出孔外，空余部位由浆液替代，同时也起到了置换的作用。
3.挤压、渗透作用
高喷射流强度随射流距离的增加而较快地衰减，至射流束末端，虽不能再冲切地层，但对地层仍产生挤压作用。同时，喷射结束后，静压灌浆持续进行，对周围土体产生渗透作用，这样不仅可以促使凝结体与周围土体结合更加密实，还在凝结体外侧产生明显的渗透凝结层，具有较强的防渗性能，渗透凝结层厚度依地层性和颗粒级配情况而异，在渗透性较强的砂卵（砾）石地层可达10~15cm厚，在渗透性弱的地层，如细砂层或壤土层，厚度则很薄，甚至不产生渗透凝结层。
4.位移握裹作用
地层中较小的块石，由于喷射能量大，辅以升、扬置换作用，最终浆液可以填满块石四周空隙并将其握裹。遇到大的块石或在块石集中区，应降低提升速度，提高比能值，在强大的冲击震动力作用下，块石会产生位移，浆液沿着块石四周空隙或块石间孔隙渗入，在高压喷射、挤压、余压渗透，以及浆气升串综合作用下，产生握裹凝结作用，形成连续和密实的凝结体。
二、高压喷射凝结体
1.高压喷射凝结体的形状和性能
（1）凝结体的形状。单孔高喷形成凝结体的形状与喷射的形式有关。喷射形式一般有旋喷、摆喷和定喷三种。喷射时，若一面提升，一面旋转，则可以形成圆柱状体（又称旋喷桩）；一面提升，一面摆动，可以形成哑铃状体；一面提升，一面定向喷射，可以形成板状体。
（2）凝结体的性能。水工建筑物地基防渗采用高喷施工，要求凝结体应有很好的防渗性和渗流稳定性。凝结体的防渗性能主要取决于地层组成成分和颗粒级配、施工方法、施工工艺以及浆液材料等。在一般砂卵（砾）石层中使用水泥基质浆液进行高喷。以加固和提高力学强度为主要目的的高喷施工，要求凝结体具有较高的力学强度，这主要取决于地层中形成的高喷凝结体，抗压强度可达5~15MPa，弹模达10-3MPa量级；在含大粒径坚硬的砾石、漂石、块石地层中，抗压强度可达10~30MPa甚至更高；而在黏土中抗压强度仅为3~5MPa。
高喷形成的凝结体并不很规则，但与地层结合紧密。凝结体的强度由内向外逐渐降低，直到边缘处与地层完全一致。这种特性对适应地基变形有利。
2.高压喷射凝结体结构布置形式
为保证高喷防渗板的连续和完整性，必须使各单孔凝结体在其有效喷射范围内相互可靠连接，为此应慎重地选用结构布置形式和孔距。
常用的几种结构布置形式如图2-39所示，其中以（e）、（f）两种布置形式防渗效果较好。
图2-39 高喷凝结体的结构布置形式
在防渗工程中，孔距的选择至关重要，它不仅关系到凝结体能否可靠连接，而且也影响工程的进度和造价。孔距应根据地层的地质条件、对防渗性能的要求、高喷灌浆施工方法和工艺、结构布置形式、孔深以及其他一些因素综合考虑而定,重要工程应通过现场试验确定。
高喷若用于地基加固时，常采用旋喷桩，布置成连续或不连续的结构形式。
三、高压喷射灌浆施工
1.施工方法
（1）单管法。采用高压灌浆泵以大于20MPa的高压将浆液从喷嘴中喷出，冲击、切割周围地层，并充填和渗入地层的空隙，并和被强烈扰动后地层中的土石颗粒、碎屑掺混搅和，硬化后形成凝结体。该法施工简易，但有效范围较小，在防渗工程中很少采用。
（2）双管法。超高压和大流量是双管法主要特点：直接用浆、气喷射入地层，浆压高达45~50MPa，浆量150~200L/min，气压1~1.5MPa，气量8~12m3/min。采用高性能的高喷设备，使射浆有足够的射流强度和比能，对地层进行切割掺混搅拌。由于浆液黏度较大，对地层内细小颗粒的升扬转换作用明显，相应的凝结体内水泥含量多，强度高。这种施工方法工效高，质量优，效果好，尤其适用于处理地下水丰富、含大粒径块石、孔隙率大的地层，有条件时宜优先选用该法。
（3）三管法。用水管、气管、浆管（三管可以并列，也可同轴布设）组成喷射杆，杆底部设置有喷嘴，气、水喷嘴在上，浆液喷嘴在下。高喷时，随着喷射杆的旋转和提升，先是高压水和气的射流冲击振动地层土体，呈翻滚松散状态；随后以低压注入浓浆掺混搅拌，硬化后形成凝结体。常用的工艺参数；水压38~40MPa，气压0.6~0.8MPa，浆压0.3~0.5MPa。目前我国高喷施工尚多采用这种方法，施工设备价廉易购，高喷质量一般可满足设计要求。
（4）新三管法。首先用高压水和气冲击切割地层土体，然后再用高压浆对地层土体进行二次切割和喷入。气、水喷嘴和浆液喷嘴铅直间距约0.5~0.6m，由于水的黏性小，易于进入较小空隙中产生水楔劈裂效应，对于冲切置换细颗粒有较好的作用。高压浆液射流对地层二次喷射不仅增大喷射半径，使浆液均匀注入被喷射地层，而且由于浆液喷嘴和气、水喷嘴间距较大，水对浆的稀释作用减少，使实际灌入的浆量增多，提高了凝结体的结石率和强度。该法高喷质量优于三管法，适用于含较多密实性充填物的大粒径地层，常用的工艺参数：水压40MPa，气压1.0MPa，浆压20~30MPa。
2.高压喷射灌浆材料
选用高喷材料应根据工程特点和高喷目的及要求而定。高喷多采用水泥浆，采用普通硅酸盐水泥,水泥强度等级为32.5或42.5，为增加浆液的稳定性，有时在水泥浆液中加入少量的膨润土。对凝结体性能有特殊要求时，有时需在水泥浆液中加入较多的膨润土或其他类掺合料。
地基防渗高喷施工使用三管法，为简便计，多用纯水泥浆，一般规定：进浆密度不小于1.60g/cm3，变化范围可在1.60～1.80g/cm3 （相应水灰比约为0.8∶1～0.5∶1）。
地基加固的高喷施工一般均采用纯水泥浆。实践表明，浆液水灰比在0.8∶1～1∶1范围内对凝结体抗压和抗折出强度的影响不很大，影响凝结体抗压强度的主要因素是地层组成的成分和颗粒的强度及级配。
采用新三管法施工，由于先是气、水喷射，而后压灌浆液，灌浆易被先喷入的水稀释，故通常使用水灰比不大于1∶1的浓浆。采用双管法施工，因不用水喷射，无稀释作用，所以水泥浆的水灰比值相对来讲可以稍大些。
重要工程高喷材料和配合比应根据设计对防渗体提出要求，通过室内和现场试验确定。
3.高压喷射灌浆施工设备
三管法、新三管法、双管法所用的主要设备见表2-5。
（1）钻机。高喷施工钻孔深度多不超过50m，遇一般砂卵（砾）石层，可使用钻孔深度100m或300m的钻机泥浆固壁钻孔。如果钻进效率低或遇地质条件复杂、含大粒径块石地层，使用泥浆固壁无效时，可改用跟管钻进钻机，边钻进，边跟入套管的方法，护住孔壁。
表2-5 高压喷射灌浆施工主要设备表
（2）高压水泵。仅在三管法和新三管法中采用高压水泵，压力和流量需满足高喷技术要求。
（3）灌浆泵和空压机。双管法高喷施工的特点就是超高压力、特大流量，所以要求浆泵的压力高（宜达60~80MPa），流量大（宜大于10m3/min）。新三管法是1996年在长江三峡工地围堰生产性高喷试验首次试用的，由原三管法的低压灌浆改进为20~30MPa的高压灌浆，随之也要求适当提高气压，所以需采用相应的高压灌浆泵和气压稍高的空压机。三管法对灌浆泵和空压机无特殊要求。
（4）搅浆、制浆系统设备。搅浆、制浆系统设备能满足供浆（三管法100L/min，双管法150L/min）需要即可。
（5）测斜仪。要求备用高精度的测斜仪器，满足偏斜率不大于1%的要求。
（6）高喷自动检测系统。我国高喷自动检测系统仍处于研制和试用阶段，定型产品尚未问世，今后应继续研制，促其尽快实现。
4.高压喷射灌浆施工工艺
（1）钻孔：
1）泥浆固壁回转（或冲击）钻进。造孔过程中做好充填堵漏，使孔内泥浆保持正常循环，返出孔外，直至终孔。
2）跟管钻进。边钻进，边跟入套管，直至终孔。
钻进时应注意保证钻机垂直，偏斜率宜不大于1%，对于深度大于30m的高喷钻孔，难度较大。例如，小浪底围堰高喷灌浆试验，总计29个孔，孔深32~40m，偏斜率最大1.12%，最小0.45%，平均0.89%，其中大于1%的9个孔（占31%），小于1%的20个孔（占69%，其中小于0.5%的3个孔）。
（2）下入喷射杆：
1）泥浆固壁的钻孔，可以将喷射杆直接下入孔内，直到孔底。
2）跟管钻进的钻孔，有两种情况：①拔管前在套管内注入密度大的塑性泥浆，注满后，起拔套管，边起拔，边注浆，使浆面长期保持与孔口齐平，直至套管全部拔出，而后再将喷射杆下入孔内直至孔底；②先在套管内下入管壁有窄缝的PVC塑料管，直至套管底部，起护壁作用，而后将套管全部拔出，再将喷射杆下入到塑料管底部。
（3）高喷施工。施工中所用技术参数因使用主喷的方法不同而异，所用的灌浆压力不同，提升速度也有差异。在同类地层中，双管法超高压灌浆的提升速度比三管法快。
（4）高喷施工注意的问题。对各类地层而言，若使用同一种施工方法，则水压、浆压、气压的变化不大，唯有提升速度变化比较大，是影响高喷质量的主要因素。一般情况下，确定提升速度应注意下列几个问题：
1）因地层而异，在砂层中提升速度可稍快，砂卵（砾）石层中应放慢些，含有大粒径（40cm以上）块石或块石比较集中的地层应更慢。
2）因分序而异，先序孔提升速度可稍慢，后序孔相对来讲可略快。
3）高喷施工中发现孔内返浆量减少时宜放慢提升速度。
5.高压喷射灌浆质量检查
（1）钻孔检查。当高喷凝结体具有必要强度后，进行钻孔检查。
1）钻取岩芯，观察浆液注入和胶结情况，测试岩芯密度、抗压和抗折强度、弹性模量等物理力学性能以及渗透系数、渗压比降等防渗性能。
2）在钻孔内进行注水或压水试验，实测高喷凝结体的渗透系数。
3）利用钻孔，对高喷凝结体进行贯入试验，测试高喷凝结体的密实度。
（2）对围井进行质量检查。在高喷防渗板墙一侧加喷几个孔，与原板墙形成三角形或四边形围井，底部用高喷或其他方法封闭，还可测高喷孔的偏斜率。
1）在井中心钻孔，进行注水或压水试验。
2）在井内井行开挖，直观高喷防渗板墙构筑情况，查看井壁有无较为集中的渗流，还可测试高喷孔的偏斜率。
3）开挖后，在井内做注入水或抽水试验，测试高喷防渗板墙体渗透系数。
（3）整体效果检查：
1）作为坝基防渗墙体，可在其上、下游钻孔进行水位观测或从下游孔中抽水，观测水位恢复情况。通过高喷前后的水位变化，分析防渗效果。
2）作为围堰防渗墙体，待基坑开挖后，测试基坑排水量，这是最直接检验防渗质量的方法，以此作为依据对高喷防渗墙质量做出整体评价。
（4）计算渗透系数。根据达西公式计算，围井井内开挖后，在井内做注水（或抽水）试验时经常采用计算公式为
式中 K——渗透系数，m/d；
Q——单位时间内注入的水量，m3/d；
A——围井侧面积，m2；
B——估计高喷板墙的厚度，m；
H——试验水头，m。
在钻孔内进行注（压）水试验时，可根据试验实际条件，选用相应的渗透系统计算。