大坝注浆加固施工方案
大坝注浆加固施工方案
一、加固原理及范围
根据实际情况，拟采用高压喷射注浆（拟压水泥浆）法来加固大坝。其工作原理：利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，用高压泥浆泵等高压发生装置，使水泥浆成为15Mpa左右的高压喷射流，从注浆管底部侧面的喷嘴喷出，同时钻杆以一定速度徐徐提升，不断以强力冲击切削土体，除一部分细小土砾随浆液冒出水面外，其余在喷射力有效作用范围内从土体剥落下来的土砾与浆液充分搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液经过一定时间凝固后即在土中形成一个固结体。高压喷射注奖采用单管以底部侧面单独喷射20Mpa的高压水泥浆。
加固范围：根据该桥的水文、地质情况，考虑单管法注浆的固结范围，拟只对水中和坝体上桩基周围进行注浆加固。固结深度初步定为10m。可视实际地基情况酌情变动。
见平面示意图。
二、施工方法
1、主要技术参数选用（参考）
桩径：20cm；注浆管外径：Φ45mm；孔位间距50cm靠近水库一侧按双排布孔。浆液压力15Mpa。水泥浆配合比采用1:1（试配）
2、施工机具设备
a、高压泥浆泵；
b、钻机（地质钻机）；
c、浆液制备机；
d、单管（喷头）；
e、高压胶管。
3、施工准备
a、在坝顶布置好机具设备地点、水电接头和临时排水沟，尽量紧凑缩短高压软管的距离；
b、按要求标定孔位；
c、搭设临时工棚，储存一定数量水泥（425#）等；
d、调试机械；
4、施工程序
先将注浆管插入预定地层深度，自下而上进行[喷射注浆作业。
1、钻机就位：安置平稳，钻杆垂直，对准中心；
2、钻孔插管：
3、喷射注浆：水泥砂浆应在喷注前一小时搅拌，当喷嘴达到设计
高程喷注开始先送高压水，再送浆液和压缩空气，在底部旋喷1min，当达到预定压力及喷浆量后再边旋喷边提升。
4、冲洗及移动机具：达到设计要求后应马上冲洗。
经济分析：
1、临时工程（工棚及材料库）：2500元；
2、机械进场费（运输、装卸、安装调试）：10000元；
3、钻孔（Φ30cm）：200*420=84000元（共计420m）；
4、注1:1水泥浆（m3）：50*1000=50000元
合计：106500元
第四节高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术
高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术相似，其主要差别在于采用不同的加料拌和手段。
一、高压喷射灌浆技术
高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后，用高压泥浆泵，通过安装在钻杆（喷杆）杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液)，同时钻杆（喷杆）以一定的速度边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与固化浆液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。
固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)，定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常用于地基防渗，改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。
（一）加固机理
高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压灌浆泵灌入浆液，浆液被高压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明：
1.高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。
2.混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。
3.置换作用三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。
4.充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。
5.压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。
（二）基本种类
按喷射介质及其管路多少可分为单管法、二管法、三管法等，见图5－7。
图5－7 高压喷射灌浆示意图
1.单管旋喷法通过单根管路，利用高压浆液（20～30MPa），喷射冲切破坏土体，成桩直径为40～50cm。其加固质量好，施工速度快和成本低，但固结体直径较小。
2.二管旋喷法在单管法的基础上又加以压缩空气，并使用双通道的二重灌浆管。在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴，高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出，在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。在土体中形成直径明显增加的柱状固结体，达80～150cm。
3.三管旋喷法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体，在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流，进行水、气同轴喷射，可以减少水射流与周围介质的摩擦，避免水射流过早雾化，增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转喷射，边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液充填空隙，就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体，起到加固地基的作用。
（三）浆液材料
水泥是喷射灌浆的基本材料，水泥类浆液可分为以下几种类型。
1.普通型浆液一般采用普通硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.8：1～1.5:1，固结体的抗压强度(28d)最大可达1.0～20MPa，适应于无特殊要求的工程。
2.速凝－早强型适于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。掺入2%氯化钙的水泥－土的固结体的抗压强度为1.6MPa，掺入4%氯化钙后为2.4MPa。
3.高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上。可以选择高标号的水泥，或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。
在水泥浆中掺入2～4%的水玻璃，其抗渗性有明显提高。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(占水泥重量的面分比)。此时不宜使用矿渣水泥，如仅有抗渗要求而无抗冻要者，可使用火山灰水泥。
（四）高压喷射灌浆工艺
喷射范围应在现场通过试验确定。高喷固结体的范围大小与土的种类和其密实程度有较密切的关系，不同的喷射种类和喷射方式所形成的固结体大小也不相同。定喷的喷射能量集中，喷射范围较大，参见表5－6。
表5－6 高压喷射灌浆固结体的特性
旋喷粘性土固结强度为0.3～6.0MPa，无粘性土固结强度为4～15MPa。
对于防渗工程多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使高喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R为旋喷固结体半径)，排距为1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.2～2.5m，旋喷为0.8～1.2m。高喷防渗效果一般可达10-5～10-6cm/s。
高喷桩桩距应根据上部结构荷载、单桩承载力及土质情况而定。一般取桩距为S＝(3～4)d(d为旋喷桩直径)，桩的布置方式可选用矩形或梅花形布置。
高喷灌浆施工钻孔的目的是将灌浆管插入预定的土层中，由下而上进行喷射作业。近来也有用振冲方式成孔直接进行喷射作业的方法。喷射时应注意以下事项：
（1）灌浆深度大时，易造成上粗下细的固结体，影响固结体的承载能力或抗渗作用，因而需采用增大压力和流量或降低旋转和提升速度等措施补救；
（2）当发现喷浆量不足而影响工程质量时，可采用复喷技术；
（3）当冒浆量大于灌浆量的20%时，可采用提高喷射压力、缩小喷嘴直径、加快提升速度和旋转速度等措施，对冒出的浆液，可回收利用；
（4）根据工程需要调节喷射压力和灌浆量，改变喷嘴移动方向和速度，控制喷射固结体的形状，即圆盘状、圆柱状、大底状、糖糊芦状、大帽状和墙壁状。
（5）喷灌后的浆液有析水现象，可造成固结体顶部出现凹穴，对地基加固及防渗不利。为此，可采用静压灌浆或浆液中添加膨胀材料等措施预防。
高压泵是高压喷射灌浆中的关键设备，要求压力和流量能在一定的范围内调节。额定流量为85～150L/min；额定压力为20～50MPa。
表5－7 高压喷射灌浆参数一览表
（五）高喷固结体的质量检测
1）开挖检验：待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体垂直度、形状和质量；
2）钻孔检查：从固结体中钻取岩芯，进行室内物理力学性能试验。在钻孔中做压水或抽水试验，测定其抗渗能力；
3）标准贯入试验：在旋喷固结体的中部可进行标准贯入试验。
4）载荷试验：静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。试验时，需在受力部位浇筑0.2～0.3m厚的混凝土层；
5）围井试验：在板墙一侧增加喷孔，与板墙形成封闭围井，在井中进行压水和抽水两种试验，或观测井内外水位，多用于防渗效果检查。
高压喷射灌浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固。但对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差，有时甚至不如静压灌浆的效果。
对地下水流速过大，喷射的浆液无法在灌浆管周围凝结，无填充物的岩溶地段，永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基，均不宜采用高压喷射灌浆法。
（六）高压喷射灌浆的特点
高喷法具有成本较低，施工速度较快，固结体强度大，可靠性高等优点，与普通灌浆法相比又具有以下特点：
高喷法是利用高速水流强制性地破坏土体形成固结体，在覆盖层中一般不存在可灌性问题；同时由于高速射流被限制在土体破碎范围内，因此浆液不易流失，能保证预期的加固范围和控制固结体的形状；能在钻孔中任何一段内施工，也可以在孔底或中部喷射，此外，也可以水平方向喷射和倾斜方向喷射施工；高喷法通常采用水泥浆液，不会造成环境和地下水的污染，且耐久性较好；施
二、灌浆材料
用于堤防工程的灌浆技术，是在灌浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入孔隙和裂隙，压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就大，因此又称渗入性灌浆。这种灌浆是在地层结构不被破坏的条件下渗入地层，因而浆液的颗粒尺寸必须小于土的孔隙尺寸，也就是说，浆液必须满足地层的可灌性条件，因此浆材的选用尤为重要。
适合于堤防灌浆的材料主要有以下几种：
1.水泥浆水泥浆是由水泥和水混合经搅拌而制成的浆液.为了改进浆液性能，有时需要在浆中加入少量的添加剂。
水泥浆液具有来源丰富，价格便宜，浆液结石体抗压强度高、抗渗性能好、工艺设备简单、操作方便等优点，但是水泥浆液是一种颗粒状的悬浮材料，受到水泥颗粒粒径的限制，通常用于粗砂层的加固。
2.粘土浆粘土浆是粘土的微小颗粒在水中分散，并与水混合形成的半胶体悬浮液。选择灌浆用的粘土，一般有如下几个要求：
塑性指数> 17；
粘粒（粒径小于0.005mm）含量不小于40％～50％；
粉粒（粒径0.005～0.05mm）含量一般不多于45％～50％；
含砂量（0.05～0.25mm）不大于5％。
粘土浆的结石强度和粘结力都比较低，抗渗压和冲蚀的能力很弱，故仅在低水头的防渗工程上才考虑采用纯粘土浆灌浆。
在粘土浆液中，加入水玻璃溶液，可配制成粘土水玻璃浆液，水玻璃加量为粘土浆的10％— 15％，浆液的凝结时间可缩短为几十秒至几十分，固结体渗透系数为10-5～10-6cm/s。
3.水泥粘土浆水泥粘土浆是由水泥和粘土两种基本材料相混合所构成的浆液。水泥和粘土混合可以互相弥补缺点，构成性能较好的灌浆浆液。
水泥粘土浆液较单液水泥类浆液成本低，流动性、抗渗性好，结石率高，目前大坝的砂砾石基础的防渗灌浆帷幕，几乎都是采用水泥粘土浆灌注的。
4.水泥—水玻璃浆液水泥—水玻璃浆液是以水泥和水玻璃溶液组成的一种灌浆材料。它克服了水泥浆液凝结时间过长的缺点，水泥—水玻璃浆液的胶凝时间可以缩短到几十分钟，甚至数秒钟。可灌性比纯水泥浆也有所提高，尤其适合在动水状态下粗砂层地基的防渗加固处理。
5.水泥砂浆在对较大缺陷的部位灌浆时，可采用水泥砂浆灌浆，一般要求砂的粒径不大于1.0mm,砂的细度模数不大于2。
在水泥砂浆中加入粘土，组成水泥粘土砂浆，水泥起固结强度作用，粘土起促进浆液的稳定作用，砂起填充空洞的作用。水泥粘土砂浆适用于静水头压力较大情况下的较大缺陷，大洞穴的充填灌浆。
6.水玻璃类浆液水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和相应的胶凝剂组成。灌入地层后，经过化学反应生成硅酸凝胶，在土（砂）的孔隙中充填，达到固结和防渗堵漏的目的。
水玻璃浆液的粘度小，流动性好，在用水泥浆或粘土水泥浆难于处理的细砂层和粉砂层地基，可使用水玻璃浆液。
在堤防基础的加固及防渗处理施工中，浆液的可灌性是决定灌浆效果的最重要参数
堤基灌浆可以用下式评价其可灌性：
M=D15/d85 (
5-1)
式中：M为灌入比；D15为受灌地层中15％的颗粒小于该粒径(mm)；d85为灌注材料中85％的颗粒小于该粒径(mm)。
M> 15可灌注水泥浆；M > 10可灌注水泥粘土浆。如可灌性不好，可采用水玻璃类浆液灌浆。几种灌浆材料的主要特点见表5— 2
表5— 2 几种灌浆材料的主要特点
上述几种材料中，除水玻璃浆液外，价格都比较低，水玻璃浆液的价格比其它浆液的价格要高一些，工程多采用水泥浆和水泥粘土浆。对一些非均质的粉砂土地基还可以采用水泥和水玻璃浆液分别灌注的方法，达到复合加固的目的。
水泥浆液只能灌入粗砂层，而对颗粒细、孔隙小、工程特征欠佳的粉砂土地基，水泥灌浆只能进入地基土体结构受到破坏而形成的空洞或裂缝中，起不到防渗灌浆的作用，难以提高地基的抗渗性能。而水玻璃浆液可以进入细砂层和细砂层的孔隙。
采用复合灌浆方法，可取长补短，先用水泥灌浆处理，使水泥浆液先行填充地基土体中大小不一的孔洞和裂隙，经48小时的沉淀和固化，然后对同一孔进行清孔，再灌注水玻璃浆液(如酸性水玻璃浆液)。这样既可以充分发挥水泥浆液强度高的特点，又可以充分利用水玻璃浆液的优点，提高注浆的效果。这种复合灌浆的方法，已在江苏丰县废黄河畔的范楼闸应用，粉砂土的渗透系数由2.7-4.7×10-4cm/s降至1.3×10-7cm/s以下。
三、灌浆工艺
（一）灌浆加固工艺
1.灌浆孔的布设。加固灌浆孔
的布设常用方格形、梅花形和六角形，
见图5－1。方格形的主要优点是便于
补加灌浆孔，在复杂的地区宜采用这
种方法，而梅花形和六角形布孔的主
要缺点是不便于补加灌浆孔，预计灌
浆后不需补加孔的地基多采用这种形
式。
2.钻孔。钻孔可采用机钻、锥
钻、打管等各种成孔方法。
3.灌浆施工技术要点
（1）采用“围、挤、压”的原则，就
图5－1 灌浆孔布置图
是先将灌浆区圈围住，再在中间插孔
灌浆挤密，最后逐序压实，这样易于
保证灌浆质量。最好采用分序灌浆的
办法。
（2）在可能的情况下，以采用较大的压力为好。
（3）灌浆开始时，以稀浆开始，采用逐步加稠的方法。
（二）帷幕灌浆工艺
灌浆技术除作为加固地基外，
也适合堤防工程透水地基的防渗处
理，构筑防渗帷幕。
1.帷幕的设置
（1）帷幕的位置
堤防基础的灌浆帷幕应与堤防防
渗体（多由粘土一类的不透水材料所
构成）相连，因此帷幕宜设在堤防临
水侧铺盖下或临水坡脚下，见图5—2
（2）帷幕的形式
图5—2 灌浆帷幕位置示意图
1）均厚式帷幕帷幕各排孔的深度均
相同。称为均厚式帷幕。在砂砾石层
厚度不大，灌浆帷幕不甚深的情况下，
一般多采用这种形式。
2）阶梯式帷幕在深厚的砂砾石层中，
因为渗流坡降随砂砾石层的加深（即
随帷幕的加深）而逐渐减小，故设置
深帷幕时，多采用上宽下窄呈阶梯状
的帷幕。幕宽的部位，灌浆孔的排数
多；幕窄的部位，灌浆孔的排数少。
（3）帷幕的深度和厚度
一般情况下，帷幕深度宜穿过砂砾石层达到基岩，这样可以起到全部封闭渗流通道的作用。帷幕的厚度（T）主要是根据幕体内的允许坡降值来确定的。但可按下式作初步估算：
T=H/J （5-2）
式中 H为最大作用水头，m；J为帷幕的容许比降，对一般粘土浆可采用J≤3～4。
对于砂砾石厚度较浅，一般设置1～2排灌浆孔即可，对基础承受的水头超过25～30m时，帷幕的组成才设置2～3排。
灌浆孔距主要决定于地层的渗透性、灌浆压力、灌浆材料等有关因素，一般要通过试验确定，通常孔距为2～4m。如果在灌浆施工过程中，发现浆液扩散范围不足，则可采用缩小孔距，加密钻孔的办法来补救。
2.帷幕灌浆方法
钻孔灌浆方法主要有打花管
灌浆法、套管护壁法、循环钻灌法和
袖阀管法。
（1）打花管灌浆法首先在地
层中打入一下部带尖头的花管，然后
冲洗进入管中的砂土，最后自下而上
分段拨管灌浆。见图5—3。此法比较
简单，但遇卵石及块石时打管很困难，
故只适用于较浅的砂土层。
（2）套管护壁法套管护壁法
的施工见图5— 4所示，边钻孔边打
入护壁套管，直至预定的灌浆深度图5—3 打花管灌浆法
（a），接着下入灌浆管（b），然后
拔套管灌注第一灌浆段（c），再用同
法灌注第二段（d）及其余各段，直至
孔顶。
（3）循环钻灌法如图5—5，
这种方法仅在地表埋设护壁管，而无
需在孔中打入套管，自上而下钻完一
段灌注一段，直至预定深度为止，钻
孔时需用泥浆固壁或较稀的浆液固
壁。如砂砾层表面有粘性土复盖，护
壁管可埋设在土层中（a），如无粘土
层则埋设在砂砾石层中（b）。
图5－4 套管护壁灌浆法
图5—5 循环钻灌法图5— 6 袖阀管法施工程序（4）袖阀管法
袖阀管法的施工可分四个步骤，见图5—6。钻孔用优质泥浆（如膨润土）固壁，不用套管护壁（a）；插入袖阀管为使套壳料的厚度均匀，应设法使袖阀管位于钻孔的中心（b）；浇注套壳料用套壳料置换孔内泥浆（c）；套壳料的作用是封闭袖阀管与钻孔壁之间的环状空间，防止灌浆时浆液流窜，套壳在规定的灌浆段范围内受到破碎而开环，逼使灌浆浆液在一个灌浆段范围内进入地层。灌浆待套壳料只有一定强度后，在袖阀管内放入带双塞的灌浆管进行灌浆（d）。
灌浆方法的选用主要取决于施工队伍的经验和技术熟练程度，其中打花管法灌浆最为简单，袖阀管法比较复杂一些，但施工质量较高。袖阀管法可根据需要灌注任何一个灌浆段，还可以进行重复灌浆。而且可使用较高的灌浆压力，冒浆和串浆的可能性小。
在砂砾石层灌浆中，对灌浆压力的确定，目前还缺乏统一的、比较准确的计算灌浆压力的公式。灌浆初期，也可先凭经验预估的压力灌浆，然后根据吸浆情况以及对地表的观察，视有无冒浆或抬动变形情况，再做压力调整。
灌浆的施工机具比较简单，可采用专用灌浆泵，也可以自行用普通的泥浆泵加设一个简单的搅拌器组成。对进浆量较小的粉砂层灌浆，也可以采用简单的手压注浆泵或隔膜泵来代替。
（三）灌浆效果检查
灌浆法作为地基加固和地基防渗处理，灌浆效果的检查还没有比较合适的标准，但一般常用下列几个方法判断。
1.浆液的灌入量同一地区堤防地基的差异不是很大，可以根据各孔段的单位灌入量来衡量。
2.压水试验设检查孔做压水试验，以单位吸水量值表示幕体的渗透性。