浅议高压喷射注浆技术

  来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2018年06月15日

摘  要: 高压喷射注浆技术具有适用范围广、施工简便、安全可靠、桩身强度大、材源广、成本低等特点。首先学习了高压喷射注浆技术的定义,在研究其历史现状的基础上,进一步分析了该技术的机理6大技术机理。结合具体工程实例认识高压喷射注浆技术的5大特点,然后根据国内相关学者的研究了解高压喷射注浆技术土建、公路、矿山、隧道、桥梁等领域的广泛应用。最后初步总结该技术有待进一步研究之处。
关键词:   高压喷射注浆技术;  技术机理;技术特点;应用研究

Discussion On The Technique Of High Jet Grouting

Abstract: The technique of high jet grouting has a wide range of applications, construction is simple, safe and reliable, pile strength, material source wide, low cost. Firstly, the definition of the technique of high jet grouting is studied, and on the basis of studying its historical situation, the mechanism of the technology is analyzed. Combined with specific engineering examples to understand the five characteristics of the technique of high jet grouting, and then according to the relevant domestic scholars to understand the technique of high jet grouting, civil engineering, roads, mines, tunnels, bridges and other fields widely used. Finally, the preliminary summary of the technology are listed for further study..
Key Words: The technique of high jet grouting; Technical mechanism; technical characteristics; application research

 


0 引 言

高压喷射注浆技术具有适用范围广、施工简便、安全可靠、桩身强度大、材源广、成本低等特点,广泛应用于建筑物地基加固、地基处理、防渗止水、边坡防护和治理、堤坝防渗等方面,在国内外得到推广和应用。

1  高压喷射注浆技术概述

1.1 定义
高压喷射注浆技术是在化学注浆法的基础上,采用高压水流切割技术发


展而来的。程春生(2007)[1]认为注浆(Injection Grout/Grouting),是将具有特定性质的材料或用其配制成的浆液,以一定的压力注入地基岩土体内使其渗透、充填或置换,经胶凝或固化后改善地基的物理力学性质,达到加固、防渗、堵漏等目的。
周苍松(1992)[2]认为高压喷射注浆技术的原理是利用高压载能介质将软弱土体冲切破碎后与注入的固结浆液在原位混合凝固,达到加固地基的目的, 它适应于软弱地层、砂层、砂卵石层及强风化的基岩中用于建造防渗帷幕或提高地层的承载能力;利用旋喷桩与钻孔桩搭接, 还可以建造高强度的防渗挡土墙,以利于基坑开挖。高喷技术既可对新建的工程进行基础处理,也可以对已成建筑物进行病害补强。高喷技术是一种成本低、效率高、效益好的非明挖地基的处理方法。
吕强(1999)[3]认为高压喷射注浆法就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻入(或置入)至土层预定的深度后,以20-4OMpa的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来,形成喷射流冲击破坏上层,形成预定形状的空间,当能量大、速度快和脉动状的喷射流的动压力大于土层结构强度时,土颗粒便从土层中剥落下来,一部分细粒土随浆液或水冒出地面,其余土颗粒在射流的冲击力、离心力和重力等作用下,与浆液搅拌混合,并按一定的浆土比例和质量大小,有规律地重新排列。这样注入的浆液将冲下的部分土混合凝结成加固体,从而达到加固土体的目的。它具有增大地基强度、提高地基承载力、止水防渗、减少支挡结构土压力、防止土液化和降低土的含水量等多种功能。
1.2 历史和现状
高压喷射注浆技术是地层注浆加固技术的一种。从这一点理解,当浆体被液压设备送入土中后,浆体会穿越土层孔隙,土层交界面,从而渗流、扩散、膨胀、胶凝。最终固化后,具有胶结能力的浆体对土体起到补强——提高土体刚度和抗变形能力,还起到防渗的作用。


注浆技术成为工程技术的新领域不超过一百年,最早发明现代注浆法的是法国工程师查尔贝林尼(Charles Berigny), 1802年,贝林尼用自己设计木锤打击冲击泵向己经开裂的污工墙注入粘土和石灰浆液,成功地进行了修补。1838年,马克•面鲁诺(Marc lsambrd Brunel)开始将注浆技术用于隧道围岩加固,在英国的太晤士河隧道向上部围岩压注了硅酸盐水泥浆液。1880-1905年间,在法国北部和秘鲁煤矿工作的工程师们在涌水量较大的竖井的下沉施工过程中进行了硅酸盐水泥注浆试验,研制了高压注浆泵,并对注浆材料


的合理配方和施工工艺提出了改进建议,有关成果很快被用于隧道施工。[4]
但靠注入浆液加固地基的这项技术历史悠久。杨震(2008)[5]认为这项技术并非国外首创,在我国几千年以前就普遍使用粘土、树胶、糯米浆等作为砌块的胶结材料以及防渗水材料,如二世纪的万里长城、历代帝王的地下陵墓建筑及南北大运河等工程都可以找到在工程实践中使用封堵材料的证明。
1968年,日本首创高压旋喷的单管法(称CCP工法),先后用于地基加固和防水工程。之后,意大利、德国和前苏联等国陆续引进该项技术,在CCP工法的基础上,又发展了二重管旋喷法(JGP和JSG工法)、三重管旋喷法(CJP工法),使高压喷射注浆技术得到迅速发展。相对来说,国外在该方面开发较早,应用面较广,设备机具配套也较齐全。[6]
高压喷射注浆技术在国内主要经历三个发展阶段。一是引进试验阶段(1972-1975年);二是研究应用阶段(1976-1986年);三是多向发展阶段(1987年至今),各个阶段均有其发展特点。第一个阶段的特点是仅有铁道科学院建筑研究所、山东水科所、浙江大学等少数科研院所从事研究试验;第二个阶段的特点则是厂、所结合既研究工法又研制喷射注浆设备、机具,并且主要应用于水利工程的土坝、松散地基等构筑防渗体系,使用范围还比较单一;第三个阶段是一个全方位发展的阶段。自1987年以来,国内开展高压喷射注浆设计和施工的单位和队伍已遍布全国各地,仅湖南长沙市便有上十家,工艺方法发展较全、应用范围较广。如高压旋喷注浆在单管法基础上发展了单管双液分喷法,功能上不仅可作挡土防渗体系,亦直接作为承重桩基,并已大量用于工民建筑尤其是深基坑开挖围护体。[6]
随着科技的发展和经济建设的需要,各大城市地下工程建设规模越来越大,尤其是南方发达城市,在己有建筑和新建工程的地基处理,深基坑地下工程支护,筑造地下防水帷幕、减振防山液化、增大土的磨擦力和粘聚力以及防止基础冲刷等方面,都需要高压喷射注浆技术来进行地层加固,高压喷射注浆地层加固技术进入深入研究阶段。
1.3 技术机理


高压喷射注浆是借助高压喷射流冲切掺搅地层,浆液在高压喷射流作用范围内扩散充填,具有较好的可控性和可注性,形成的固结体是多种因素综合作用的结果,其中的工作条件、地层因素起主导作用[1,7 - 10]。高喷注浆机


理主要有以下6点[1,5,10-14]。
(1)冲切掺搅作用
当能量相对集中的射流作用于土体时,将直接产生冲切土层的作用。同时在射流产生的卷吸扩散作用下,被冲切下来的土粒与浆液掺搅混合。
(2)升扬置换作用
压缩空气释放能量后在浆液中产生气泡,这些气泡在上升过程中能对从孔底挟带冲切下来的土粒产生向上的浮托力,可使土粒沿孔壁向上升扬流出孔口,同时浆液被掺搅注入地层,并与较粗土颗粒凝结成强度较高的凝结体,使地层组分发生改变。升扬置换可有效改善和提高浆液灌注的强度和密实性。
(3)充填挤压作用。
射流末端虽不能冲切土体,但仍可对周围土体产生侧向挤压力,同时喷射过程中及喷射结束后,静压注浆作用仍在持续,可促使凝结体与两侧土体结合更为紧密。
(4)渗透凝结作用
高压喷射注浆过程除了在冲切范围内形成凝结体外,还可向冲切范围以外产生浆液渗透作用,形成渗透凝结层,其层厚与被注地层中的级配和渗透性有关。
(5)位移袱裹作用。
在高压喷射流对土体冲切掺搅过程中,如遇卵、漂石等大颗粒,随着自下而上的冲切掺搅作用,大颗粒间的充填物被切削剥落,同时部分细颗粒被升扬置换出地面,则大颗粒在强大的冲击振动力作用下产生位移,并被浆液袱裹,浆液也可沿着大颗粒周围的空隙直接产生袱裹、充填和渗透凝结作用。
(6)负压卷吸作用。
在高压喷射流的周侧为低压区,存在较强的卷吸作用,浆液在低压状态下被涡卷吸附,并沿浆液喷射方向被挟带注入冲切范围内形成凝结体。
    

 

2   高压喷射注浆技术特点与实例
根据目前使用情况,该技术有下列特点:
(1)扩大了静压注浆的使用范围,解决了对微细粘土体不易注浆加固的难题。
(2)由于高速水喷流被限制在破碎的范围内,浆液不易窜人土层远处,避免浆液浪费,且可确保预期的土质加固和形状。
(3)通过改变浆材和工艺,可使土体达到一定的强度或渗透性的要求。
(4)一般都用水泥浆,不会造成环境和地下水的污染,无公害问题。
(5)能在孔中任何一段范围内施工。由于高压喷射注浆技术的实用性,能解决许多棘手的工程问题,因此发展很快。中国自70年代以来,采用此技术施工和试验项目已达到数百项之多。下面介绍几个典型实例。
2.1 修筑坝基防渗墙[15]
河南巩县坞罗水库,建成后多年来由于坝基砂卵石层漏水,只能作为低水位运行。1993年采用高压喷射注浆和帷幕注浆的防渗技术,达到治漏目的。此坝采用SGP3o一5型高喷台车(三重管型),达到高压喷射注浆深度53.4m,创全国最深的纪录。
2.2 楼房加层后的地基加固[16]
湖南省石油化工建设公司办公楼加层后,由于不均匀下沉,建筑物产生大量裂缝,有倒塌危险。1990年采用高压喷射注浆加固基础,经历两年的使用与观测,不再发生异常现象,效果良好。
2.3 桥墩基础防止不均匀下沉[17]
宝成铁路金砂寺桥建成后,桥墩基础不均匀下沉,1980底,3号台下沉量已达99mm,经用高压喷注浆处理后,已安然运行。
2.4 深基坑灌注桩、旋喷桩组合挡土阻水壁[18]
由灌注桩与旋喷桩组合的挡土阻水壁,在日本、西欧国家已经应用。武汉钢铁公司矿石场地下通廓施工需进行基坑开挖,由于场地不具备放坡条件,地下水位又高,因此深基坑支护除要求挡土外,还要求阻水。1990年采用价低的灌注桩、施喷桩组合挡土阻水方案首次在我国获得成功。
3  国内高压喷射注浆技术的应用研究
高压喷射注浆技术现已广泛应用于土建、公路、矿山、隧道、桥梁等领

 

域,产生了良好的经济效益和社会效益。
3.1 土建
范绍武(2007)[19]针对周围环境复杂、降水不佳的基坑多采用高压喷射注浆止水帷幕的施工方法的现状,结合广州番禺金海岸花园改建、扩建工程,说明该技术作止水帷幕的优越性,并强调在施工过程中要严格控制浆体材料的选用与配比,要严格控制桩位的准确性和成孔的垂直度,要做好冒浆观察等。
李国华[20]针对武汉市泰合广场基坑在开挖过程中形成管涌或流土而致使附近建筑物遭受严重破坏的问题,采用高压喷射注浆法施工工艺方法,杜绝了基坑壁管涌或流土现象,使基坑开挖和基础施工得以安全进行。
3.2 公路
杨文江(2013)[21]认为高压喷射注浆技术的喷射流主要由初始区域、迁移区域、主要区域、终了区域构成,而喷射流通常通过动压力、搅拌效应、水楔破碎效应以及气穴作用对地基的岩土进行破坏。通过工程实例说明高压喷浆技术能够较好地克服软土地基不能满足公路及其它人工构造物基底强度要求问题。对高压注浆技术在施工中容易出现的冒浆、固结不完整、固结体不垂直以及固结强度不均匀的问题进行了分析,并给出了具体的处理措施。
      3.3 矿山
孙水锋,陈永锋,崔永生(2013)[22]介绍了五矿邯邢矿业有限公司李楼、诺普铁矿斜坡道工程穿越流沙层的施工技术。生产实践表明,采用高压喷射注浆法建造截渗连续墙,是斜坡道也是巷道快速通过含水流沙层、破碎带的有效方法,比其他特凿施工方法要有明显的优越性。
卞明军,金英豪,高洪顺(2005)[23] 针对仓上金矿露天开采所遇到的海泥和流砂,应用高压喷射注浆技术从治水入手进行治理,取得了较好的经济效益和社会效益。
3.4 隧道
刘钟,柳建国,张义,李志毅[24]为突破隧道水平旋喷超前支护施工的关键技术,研制出大型液压双摇臂式全方位高压喷射注浆钻机,以及具有自主知识产权的配套孔口止浆器装置,并探索出一整套带孔口止浆器的隧道全方位高压喷射注浆拱棚超前支护新技术。
邓指军,王如路[25]利用成熟高效的 MJS[26~28]工法,开发一种适用于地铁运营盾构隧道内的特殊的低扰动高压喷射注浆工法十分必要,可以为今


后上海地铁隧道下卧土层治理提供新的加固手段。
3.5 桥梁
李立君(2013)[29]结合东新高速公路桩基施工过程,介绍高压喷射注浆补强加固持力层施工技术的应用过程,并对质量控制方法进行总结.该方法 提高了施工效率、节约了成本、节约了工期,保证了工程质量,对桥梁桩基持力层强度不足等问题的处理具有一定指导意义和参考价值。
夏友芳(2017)[30] 通过研究高压喷射注浆法在某码头软基加固中的应用发现:在水灰比 0.8、适当的施工参数条件下,水泥桩体 28d 龄期无侧限抗压强度达到 1.0MPa 以上,完全满足设计桩体 28d 强度不小于0.8MPa、90d 强度不小于 1.0MPa 的要求, 高压喷射注浆法适合于桥梁桩基施工。
4.结语
综上,高压喷射注浆技术具有以下特点。
1.高压喷射注浆法施工简便、安全可靠。适用范围广、处理效果好、成本相对低等优点,值得深人研究和推广。
2.高压喷射注浆法理论和工艺技术起步较晚,发展尚不够成熟,但发展前景广阔,应加强试验研究和施工经验的积累。
3.与其它工法(如混凝土桩、压密注浆等)结合使用,可进一步扩大高压喷射注浆法应用范围、提高施工效果。
随着地下空间的开发朝着大深度方向发展,高压喷射注浆技术必将获得更大应用,也需要在以下几个方面不断创新发展。[31]
(1)喷射方式的突破
粉体高压喷射注浆法为高压喷射注浆技术的发展提供了一个思路上的突破,改变了水泥注入土体中的方式,后续的研究也将继续深入分析如何实现水泥与土体更高效的拌合。
(2)喷射系统的研发
高压喷射注浆冲切拌合的动能来自高压射流,射流性能的提升对促进加固效果作用明显,研发领域包括超高压大排量泵、喷嘴的结构形式及不同深度不同土质条件下的参数匹配等等。
(3)施工控制系统的研发
现阶段各类高压喷射注浆技术的加固效果检测都具有滞后性,若能实现加固过程的实时监控,便可以及时调整施工参数,确保加固效果的准确实现;另一方面现有加固效果对施工操作依赖程度很大,为了保证加固体质量,有必要增加施工过程的自动化程度,以确保隐蔽工程的质量。
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