高壓噴射注漿法在工程中的原理和應用摘要：文章首先分析了高壓噴射注漿法的機理，并介紹了高壓噴射注漿法在地基加固工程中的具體應用技術，針對施工過程中經常出現的問題提出了處理措施。一、高壓噴射灌漿技術高壓噴射法就是利用工程鉆機鉆孔至設計處理的深度后，用高壓泥漿泵，通過安裝在鉆桿（噴桿）桿端置于孔底的特殊噴嘴，向周圍土體高壓噴射固化漿液（一般使用水泥漿液），同時鉆桿（噴桿）以一定的速度邊旋轉邊提升，高壓射流使一定范圍內的土體結構破壞，并強制與固化漿液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結體。固結體的形狀和噴射流的移動方向有關。一般分為旋轉噴射（簡稱旋噴），定向噴射（簡稱定噴）和擺動噴射（簡稱擺噴）。旋噴樁主要用于加固地基，提高地基的抗剪強度，改善地基土的變形性能，使其在上部結構荷載作用下，不至破壞或產生過大的變形。定噴固結體呈壁狀，擺噴形成厚度較大的扇狀固結體。定噴和擺噴通常用于地基防滲，改善地基土的水力條件及邊坡穩定等工程。高壓噴射注漿法是利用高壓水或漿液射流切割攪拌地層，同時射入水泥漿或復合漿液，形成新的凝結體，改變了原地層的結構或全置換成新復合材料結構，提高承載力或原地基的防滲能力，達到加固地基和防滲的目的。其工藝是利用鉆機或其他造孔設備造孔，然后把帶有噴頭的注漿管下至土層的預定深度，由高壓水泵或高壓泥漿泵把漿液以10?25Mpa的高壓射流在噴嘴中射出，以沖擊和破壞預定深度地層的土體。該射流能量大，速度快，當呈脈動狀態的射流動壓強度大于土體強度的時候，土粒便從原土體中剝落下來，一部分細小的土粒隨著漿液冒出地面，其余較粗的土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力作用下，與隨之射入的水泥漿等漿液滲攪混合后，按一定的漿土比例和質量大小規律地重新排列，在土體中形成凝結體。噴射時，若一面提升一面旋轉，則形成柱狀體即旋噴樁，若一面提升一面按一定的方向角度擺動，則形成墻狀體。（一）加固機理高噴法如三管高噴法用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動土體，同時用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時與被攪動土體混合形成固結體。加固地基，形成樁、板、墻的機理可用五種作用來說明：1、 高壓噴射流切割破壞土體作用噴流動壓以脈沖形式沖擊土體，使土體結構破壞出現空洞。2、 混合攪拌作用鉆桿在旋轉和提升的過程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動相反的方向（即阻力小的方向）移動，與漿液攪拌混合后形成固結體。3、 置換作用三重管高噴法又稱置換法，高速水射流切割土體的同時，由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔，土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補入。4、 充填、滲透固結作用高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙，析水固結，還可滲入一定厚度的砂層而形成固結體。5、壓密作用高壓噴射流在切割破碎土體的過程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對土層可產生一定的壓密作用，使高噴樁體邊緣部分的抗壓強度高于中心部分。（二）基本種類按噴射介質及其管路多少可分為單管法、二管法、三管法等。1、 單管旋噴法通過單根管路，利用高壓漿液（20?30MPa）,噴射沖切破壞土體，成樁直徑為40?50cm。其加固質量好，施工速度快和成本低，但固結體直徑較小。2、 二管旋噴法在單管法的基礎上又加以壓縮空氣，并使用雙通道的二重灌漿管。在管的底部側面有一個同軸雙重噴嘴，高壓漿液以20MPa左右的壓力從內噴嘴中高速噴出，在射流的外圍加以0.7MPa左右的壓縮空氣噴出。在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結體，達80?150cm。3、 三管旋噴法使用分別輸送水、氣、漿三種介質的三重灌漿管。高壓水射流和外圍環繞的氣流同軸噴射沖切破壞土體，在高壓水射流的噴嘴周圍加上圓筒狀的空氣射流，進行水、氣同軸噴射，可以減少水射流與周圍介質的摩擦，避免水射流過早霧化，增強水射流的切割能力。噴嘴邊旋轉噴射，邊提升，在地基中形成較大的負壓區，攜帶同時壓入的漿液充填空隙，就會在地基中形成直徑較大、強度較高的固結體，起到加固地基的作用。（三） 漿液材料水泥是噴射灌漿的基本材料，水泥類漿液可分為以下幾種類型。1、 普通型漿液一般采用普通硅酸鹽水泥，不加任何外加劑，水灰比一般為0.8：1?1.5:1,固結體的抗壓強度（28d）最大可達1.0?20MPa,適應于無特殊要求的工程。2、 速凝－早強型適于地下水位較高或要求早期承擔荷載的工程，需在水泥漿中加入氯化鈣、三乙醇胺等速凝早強劑。摻入2%氯化鈣的水泥－土的固結體的抗壓強度為1.6MPa，摻入4%氯化鈣后為2.4MPa。3、 高強型噴射固結體的平均抗壓強度在20MPa以上?？梢赃x擇高標號的水泥，或選擇高效能的擴散劑和無機鹽組成的復合配方等。在水泥漿中摻入2?4%的水玻璃，其抗滲性有明顯提高。如工程以抗滲為目的，最好使用“柔性材料”?？稍谒酀{液中摻入10?50%的膨潤土（占水泥重量的面分比）。此時不宜使用礦渣水泥，如僅有抗滲要求而無抗凍要者，可使用火山灰水泥。（四） 高壓噴射灌漿工藝噴射范圍應在現場通過試驗確定。高噴固結體的范圍大小與土的種類和其密實程度有較密切的關系，不同的噴射種類和噴射方式所形成的固結體大小也不相同。定噴的噴射能量集中，噴射范圍較大，參見表5－6。表5－6高壓噴射灌漿固結體的特性固結體特性噴灌方法單管法二管法三管法固結01.2±0.21.4±0.32.0±0.3體有粘性土100.8±0.21.1±0.31.5±0.3效直200.6±0.20.8±0.31.0±0.3徑(m)砂土01.0±0.21.6±0.32.5±0.3

100.8±0.21.3±0.31.8±0.3200.6±0.21.0±0.31.2±0.3礫砂200.6±0.21.0±0.31.2±0.3單向定噴有效長度（m）1.0?2.5單樁垂直極限荷載（kN）500?6001000?12002000單樁水平極限荷載（kN）30?40最大抗壓強度（MPa）砂土10?20,粘性十2?6,礫砂8?20平均抗折強度/平均抗壓強度1/5?1/10干土容重（kN/m3）砂十16?20,粘性土14?15.黃十13?5滲透系數（cm/s）砂十、砂礫10-5?10-7?粘性十10-6?10-7粘聚力（MPa）砂土0.4?0.5,粘性土0.7?1.0內摩擦角（P（o）砂土內摩擦角（P（o）砂土30?40,粘性土20?30標準貫入錘擊數N砂土30?50,粘性土20?30P波 砂土2?3,粘性土1.5?2.0S波 砂土1.0?1.5,粘性土0.8?1.0旋噴粘性土固結強度為0.3?6.0MPa,無粘性土固結強度為4?15MPa。對于防滲工程多采用定噴、擺噴，地層含的粒徑較粗時多采用擺噴或旋噴。對處理深度大于20m的復雜地層最好按雙排或三排布孔，使高噴樁形成堵水帷幕?？拙鄳獮?.73R（R為旋噴固結體半徑），排距為1.5R時最經濟。一般定噴、擺噴孔距為1.2?2.5m,旋噴為0.8?1.2m。高噴防滲效果一般可達10-5?10-6cm/s。高噴樁樁距應根據上部結構荷載、單樁承載力及土質情況而定。一般取樁距為S=（3?4）d（d為旋噴樁直徑），樁的布置方式可選用矩形或梅花形布置。高噴灌漿施工鉆孔的目的是將灌漿管插入預定的土層中，由下而上進行噴射作業。近來也有用振沖方式成孔直接進行噴射作業的方法。噴射時應注意以下事項：（1） 灌漿深度大時，易造成上粗下細的固結體，影響固結體的承載能力或抗滲作用，因而需采用增大壓力和流量或降低旋轉和提升速度等措施補救；（2） 當發現噴漿量不足而影響工程質量時，可采用復噴技術；（3） 當冒漿量大于灌漿量的20%時，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉速度等措施，對冒出的漿液，可回收利用；（4） 根據工程需要調節噴射壓力和灌漿量，改變噴嘴移動方向和速度，控制噴射固結體的形狀，即圓盤狀、圓柱狀、大底狀、糖糊蘆狀、大帽狀和墻壁狀。（5） 噴灌后的漿液有析水現象，可造成固結體頂部出現凹穴，對地基加固及防滲不利。為此，可采用靜壓灌漿或漿液中添加膨脹材料等措施預防。高壓泵是高壓噴射灌漿中的關鍵設備，要求壓力和流量能在一定的范圍內調節。額定流量為85?150L/min；額定壓力為20?50MPa。表5－7高壓噴射灌漿參數一覽表高噴灌漿種類單管法二管法三管法適用土質砂土、粘性土、黃土、雜填土、小粒徑砂礫漿液材料及配方以水泥為主材，加入不同的外加劑后具有速凝、早強、抗腐蝕、防凍等特性，常用水灰比為1:1，也可使用化學材料。高噴灌漿參數水壓力(MPa)20流量(L/min)80?120噴嘴孔徑(mm)及個數2?3(1?2)空氣壓力(MPa)0.70.7流量(m3/h)1?21?2噴嘴間隙(mm)及個數1?2(1?2)1?2(1?2)漿液壓力(MPa)20200.2?3流量(L/min)80?12080?12080?150噴嘴孔徑(mm)及個數2?3(2)2?3(1?2)10?2(1或2)灌漿管外徑(mm)屮42或申45屮42,屮50,屮75屮75或屮90提升速度(cm/min)20?2510?305?20旋轉速度(r/min)約2010?305?20五)高噴固結體的質量檢測1)開挖檢驗：待漿液凝結具有一定的強度后，即可開挖檢查固結體垂直度、形狀和質量；)鉆孔檢查：從固結體中鉆取巖芯，進行室內物理力學性能試驗。在鉆孔中做壓水或抽水試驗，測定其抗滲能力；)標準貫入試驗：在旋噴固結體的中部可進行標準貫入試驗。)載荷試驗：靜載荷試驗分垂直和水平靜載荷試驗兩種。試驗時，需在受力部位澆筑0.2?0.3m厚的混凝土層；)圍井試驗：在板墻一側增加噴孔，與板墻形成封閉圍井，在井中進行壓水和抽水兩種試驗，或觀測井內外水位，多用于防滲效果檢查。高壓噴射灌漿加固地基技術主要適用于第四紀沖積層、殘積層及人工填土等。對于砂類土、粘性土、黃土和淤泥等都能加固。但對礫石直徑過大、含量過多及有大量纖維質的腐植土噴射質量稍差，有時甚至不如靜壓灌漿的效果。對地下水流速過大，噴射的漿液無法在灌漿管周圍凝結，無填充物的巖溶地段，永凍土和對水泥有嚴重腐蝕的地基，均不宜采用高壓噴射灌漿法。(六)高壓噴射灌漿的特點高噴法具有成本較低，施工速度較快，固結體強度大，可靠性高等優點，與普通灌漿法相比又具有以下特點：高噴法是利用高速水流強制性地破壞土體形成固結體，在覆蓋層中一般不存在可灌性問題；同時由于高速射流被限制在土體破碎范圍內，因此漿液不易流失，能保證預期的加固范圍和控制固結體的形狀；能在鉆孔中任何一段內施工，也可以在孔底或中部噴射，此外，也可以水平方向噴射和傾斜方向噴射施工；高噴法通常采用水泥漿液，不會造成環境和地下水的污染，且耐久性較好；施工噪音較小，單管和二管法施工較簡便。高壓噴射注漿法是在注漿法的基礎上，應用高壓噴射技術而發展起來的一項新的地基加固方法。它與其它地基處理的方法相比，具有適用范圍廣，施工簡便，具有較好的耐久性等特點，不失為眾多地基處理方法中的一種好的地基處理方法。施工機具高壓噴射注漿的施工機具，主要由高壓泥漿泵及鉆機兩部分組成。由于采用的噴射方式不同，單管、二重管和三重管旋噴作業所使用的機具類型和數量不同，主要包括鉆機、高壓泵、泥漿泵、空氣壓縮機、注漿特種鉆桿、注漿管、噴嘴、高壓膠管、輸漿管、流量計、漿液攪拌機等。施工工藝參數單管法及雙管法的高壓水泥漿和三管法高壓水的壓力原則上應大于20MPa。高壓噴射注漿的主要材料為水泥，宜采用強度等級為30級及以上的普通硅酸鹽水泥。根據需要可加入適量的外加劑及摻合料。外加劑和摻合料的用量，通過試驗確定。水泥漿液的水灰比視工程地質特點或實際工程要求確定，可取0.8?1.5，常用1.0。高壓噴射注漿的施工工序為機具就位、貫入噴射管、噴射注漿、拔管和沖洗等。噴射孔與高壓注漿泵的距離不宜大于50m，鉆孔的位置與設計位置的偏差不得大于50mm。實際孔位、孔深和每個鉆孔內的地下障礙物、洞穴、涌水、漏水及與巖土工程勘察報告不符等情況均應詳細記錄。當噴射注漿管貫人土中，噴嘴達到設計標高時，即可噴射注漿。在噴射注漿參數達到規定值后，隨即分別按旋噴、定噴或擺噴的工藝要求，提升噴射管，由下而上噴射注漿。噴射管分段提升的搭接長度不得小于100mm。根據國內實際工程的應用實例，高壓水泥漿液流或高壓水射流的壓力宜大于20MPa,氣流的壓力以空氣壓縮機的最大壓力為限，通常在0.7MPa左右，低壓水泥漿的灌注壓力通常在1.0?2.0MPa左右。采用旋轉提升噴射方式時，一般提升速度為0.005?0.25m/rain，旋轉速度可取10?20r/mino對需要局部擴大加固范圍或提高強度的部位，可采用復噴措施。施工程序及要點盡管各種高壓噴射注漿法所注人的介質種類和數量不同，但其施工程序卻基本一致，均按照自下而上的工序進行施工。①鉆（引）孔。鉆孔的目的是為將噴射注漿管插入預定的地層中，鉆孔方法視地層地質情況、加固深度、機具設備等條件而定。鉆進深度可達30m以上，當遇到較堅硬的土層時宜采用地質鉆機鉆孔，一般在二重管和三重管旋噴法施工中，采用地質鉆機鉆孔。②插管。鉆孔完成后，應及時將噴射注漿管插入地層預定深度，插管與鉆孔兩道工序一般合二為一，但使用地質鉆機鉆孔完成后，必須拔出巖芯管，插入噴射管。在插管過程中，為防止泥砂堵塞噴嘴，可邊射水、邊插管，水壓力一般不超過1MPa，壓力過高易將孔壁射塌。③噴漿。根據土質、土類、地下水等環境調整噴漿壓力、流量、旋轉提升速度等，自下而上噴射注漿。根據工程需要進行原位第二次噴射（復噴），復噴時噴射流沖擊的對象為第一次噴射的漿土混合體，噴射流所遇阻力小于第一次噴射，有增加固結體直徑的效果。④補漿。噴射的漿液與土攪拌混合后的凝固過程中，由于漿液的析水作用，一般均有不同程度的收縮，造成在固結體頂部凹陷，對地基的加固和防滲堵水極為不利。目前一般采用直接從噴射孔口注入漿液填滿收縮空洞，或采用二次注漿的方法對固結體頂部進行第二次注漿。常見問題及其處理對策①冒漿。在噴射注漿過程中，噴射沖擊破壞土層所產生的部分細小土粒隨一部分漿液沿著注漿管管壁冒出地面。通過對冒漿的觀察，可以及時了解土層狀況、噴射的大致效果和噴射參數的合理性等。根據經驗，冒漿（內有土粒、水及漿液）量小于注漿量20者為正?，F象，超過20或完全不冒漿時，應查明原因并采取相應措施。減小冒漿的措施有：一是提高噴射壓力；二是適當減小噴嘴直徑；三是加快提升和旋轉速度等。出現不冒漿或斷續冒漿時，若系土質松軟則視為正?，F象，可適當進行復噴；若系附近有空洞、通道，則應不提升注漿管繼續注漿直至冒漿為止，或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿。②固結體不完整。高壓噴射注漿完畢后，或在噴射注漿過程中因故中斷，均可能產生加固地基與建筑物