卵砾石含水层高压旋喷注浆止水帷幕技术_朱明诚.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Dayan Company of China Energy Investment Corporation, Hulun Buir 021122, China Abstract The high-pressure jet grouting pile is mainly suitable for the muddy soil, cohesive soil, silt, sand, loess and gravelly soil, but it is seldom used in the gravel stratum or under the dynamic water condition. A water cutoff certain in an open-pit coal mine was constructed by using RJP , and the high pressure jet grouting technique was successfully applied to gravel aquifer. Based on the pile test and screening test, the influence of gravel layer characteristics on the size of pile diameter was analyzed. The results show that the RJP had good effect and reliable quality in the gravel aquifer, and the pile diameter was related to the gravel particle size and sand content. Combined with the surrounding well test results, it was concluded that the curtain wall of high-pressure jet grouting pile was complete and had remarkable water cutoff effect. The research shows that the high pressure jet grouting technology could be applied in gravel aquifer for strata strengthening and water cutoff. Keywords of RJP; coring verification; pile diameter; screening test; surrounding well test; open-pit coal mine 高压旋喷施工技术是在静压灌浆的基础上，引 进水力采煤技术发展起来的，是利用射流作用切割 掺搅地层，改变原地层的结构和组织，同时灌入水 泥浆或复合浆形成凝结体，从而达到加固地基和防 渗止水的目的[1]。其原理是用高压发生装置使浆液 增压后从喷嘴喷出，冲击切割土体。当能量大、速 度快的喷射流动压超过土体结构强度时，土粒便从 土体上剥落下来，并由返浆带出地面。其余的土粒 与浆液搅拌混合形成固结体[2]。 自 20 世纪 70 年代高压旋喷工艺问世以来，得到 了迅猛发展，广泛应用于地基加固、止水、建构筑纠 偏等地下工程中。随着社会的进步，地下空间开发向 ChaoXing 第 4 期 朱明诚等 卵砾石含水层高压旋喷注浆止水帷幕技术 75 着大深度方向发展，高压旋喷技术也在不断改进[3]， 追求大深度、大直径和更广阔的地层应用范围。随即 诞生了 RJP、MJS 等许多新型设备和工艺[4]，可适用 于更多复杂地层和施工环境。但是到目前为止对于卵 砾石含水层中高压旋喷注浆成桩效果这一问题上仍然 处于经验判断阶段，国内外对于该问题的研究及工程 应用也并不多见[5-6]。 本文结合 RJP 工法在卵砾石含水 层中的施工，对其桩径及桩体抗渗性能进行研究，为 类似地层中施工提供经验及参考。 1 工程概况 我国某露天煤矿为减少矿坑疏排水量，沿矿坑外 围建造一截水帷幕，根据设计文件，帷幕线路呈弧线 形布置，共分为 14 个施工段，水位设防线标高为 623.5 m，主要采用地下连续墙工艺施工。其中二工 段场地内存在 3 趟架空高压线和 4 条地埋光缆等障碍 物，大型成槽设备无法进行施工，因此，设计采用高 压旋喷注浆工法避开高压线和地埋光缆布置引孔，并 对623.5 m 以下的卵砾石含水层进行旋喷施工，桩间 相互搭接形成截水帷幕，施工区域如图 1 所示。 图 1 高压旋喷施工区域平面分布 Fig.1 Plane of high-pressure rotary jet construction area 根据勘察钻孔揭露的地层情况可知二工段地 层由上至下为表土层，黄色砂土、亚砂土，颗粒 均匀；细砂层，含砾黏土，致密，塑性强并含有少 量砂粒；卵砾石层，分选性差，砾径多为 3～5 cm， 呈圆至次棱角状，含泥质成分较多。 卵砾石层为主要含水层，富水性强。高压旋喷 注浆段从卵砾石层下部泥岩 1 m 开始，边旋喷边提 升至水位设防线。二工段地层剖面如图 2 所示。 图 2 二工段地层剖面 Fig.2 Stratigraphic profile of the second section 2 高压旋喷注浆工艺 高压旋喷注浆法主要分为引孔和旋喷 2 道工序。 先利用工程钻机进行引孔；成孔后将注浆管及喷头送 至设计深度，通过高压泵使水泥浆液加压后，从特制 的喷嘴中高速喷射出来，形成高速射流，边旋转边提 升，对某一区间的地下土体结构进行连续性高强度切 割破坏、混合搅拌、升扬置换、渗透固结、压密等作 用[7]， 从而在地下形成一定影响范围和形状的固结体。 2.1 理论桩体结构 高压旋喷注浆法可置换原状土的部分颗粒，其余 土体颗粒在喷射流、离心力和重力等共同作用下[8]， 形成具有分层结构的旋喷桩。一般情况下，桩体中心 水泥浆含量最高，结构较致密；越往外粗颗粒含量越 多，在桩外边缘大量的粗颗粒和水泥浆液混合形成表 面粗糙的硬壳[9]；桩体外水泥浆渗入周围土层形成浆 液渗透区，桩体内部结构如图 3 所示。因此，理论上 来说，桩体中心粗颗粒含量较少，边缘粗颗粒含量较 多，桩体周围的浆液渗透区会存在少量浆液。 2.2 RJP 工法原理及特点 RJP工法是近年来日本开发的双高压旋喷施工 工艺，采用的是三重管构造，高压水、压缩空气、 超高压水泥流体3点独立喷射， 比传统工艺切削能力 提高10左右[10]。另外，在喷体上有2个喷射口，上 段为超高压水喷射，可产生一定空间，使排泥更顺 畅，并有内部压力释放的效果；下段为超高压浆液 喷射和空气喷射流， 可进一步对加固土层进行切削、 搅拌，形成大直径加固体。 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 3 旋喷固结体内部结构 Fig.3 Internal structure of rotary jet consolidation body RJP工法施工设备较小， 可通过调整喷体的旋转 角度及速度来实现圆形、半圆形等多种形状的加固 体，一直被作为特殊场地施工的首选工艺。旋喷桩 桩径与地层的密实度有关， 密实度越大成桩越困难， 一般在标准贯入击数N≤30 的砂性地基中， RJP工法 的加固直径可达 2.0～3.5 m[11]。 3 试桩方案 根据设计文件要求帷幕墙体厚度不小于 0.5 m， 为减少桩体浪费， 设置旋转角度为 0～180， 形成半 圆形的旋喷桩体，引孔孔径 250 mm，桩径 2 m，桩 间搭接 0.5 m，如图 4 所示。 图 4 旋喷桩截面形状 Fig.4 Section shape of rotary jet grouting pile 试桩由孔底旋喷至距地表 1 m 停止，方案共分 为 3 个环节① 在试桩 1 区布置 2 个试桩点，采用 不同的经验参数进行施工，通过取心验证选取合理 的施工参数；② 检验 1 区试桩效果后，选取合理的 施工参数在试桩 2 区进行试桩，评价地层变化后旋 喷桩的成桩效果；③ 在试桩 1 区试桩点处施工围 井，通过抽水试验检验旋喷桩帷幕的止水效果。 试桩 1 区施工 1-1 和 1-2 这 2 个试桩，分别采 用的是在砂层中成桩桩径为 2 m 和 2.5 m 时的经验 参数[12-14]，详见表 1。 表 1 RJP 工法半圆桩试桩参数 Table 1 Parameters of semi-circular pile test of RJP construction 项目 参数值 项目 参数值 桩径/m 2，2.5 喷嘴直径/mm 2.8 水灰比 1︰1 桩体水泥掺量/ 40 水泥浆压力/MPa 40 提升速度/minm-1 12，20 主空气压力/MPa 0.5～0.8 水泥浆液流量/Lmin-1 84～100 主空气流量/m3min-1 1.0～2.0 步距行程/cm 2.5 切削水压力/MPa 30 步距提升时间/s 18，30 切削水流量/Lmin-1 60～90 转速/rmin-1 3～4 注桩径 2 m 的提升速度为 12 min/m，步距提升时间为 18 s；桩径 2.5 m 的提升速度为 20 min/m，步距提升时间为 30 s。 4 试桩施工与结果 4.1 引孔护壁 根据钻孔施工情况，卵砾石层中钻孔稳定性较 差， 一般成孔超过 12 h 后， 孔壁坍塌的可能性很大。 成孔后随即进行旋喷施工，由于该地层上部砂层非 常不稳定，在高压旋喷施工时，为防止引孔缩颈、 坍塌，钻孔采用泥浆护壁，并考虑下入硬 PVC 套管 以及钢套管跟管旋喷等应急措施[15]。 试桩结果表明，在旋喷注浆施工中，直接采用 膨润土泥浆或在膨润土泥浆中加入一定量锯末漏 浆严重段护壁，可保证引孔不缩颈、不塌孔；且护 壁泥浆可被返浆置换，不会对成桩效果造成影响。 4.2 取心结果分析 试桩卵砾石层段典型取心照片如图 5 所示。其 中 A 为距桩心最近的岩心核心区，B 为距桩心较 远的岩心中细颗粒拌合区， C 为距桩心最远的岩 心粗颗粒拌合区。取心结果表明，试桩结构与旋 喷桩理论结构基本一致，桩体外缘岩心含砂量小， 卵砾石粗颗粒较多，桩心附近岩心含砂量大，细颗 粒较多[9]，据各分层结构厚度，可判断卵砾石层高 压旋喷桩的大概桩径。 a. 试桩 1 区 试桩 1 区采用重型动力触探测试 卵砾石层的锤击数 N 为 9.4 击，密实度稍密。试桩 结束后第 4 天采用 75 mm 的岩心管对试桩进行取 心[16]，结果见表 2。 ChaoXing 第 4 期 朱明诚等 卵砾石含水层高压旋喷注浆止水帷幕技术 77 图 5 试桩取心结果 Fig.5 Coring results of test piles 由表 2 可知，1-1 号桩砂层桩径大于等于 2 m， 卵砾石层中距离桩心约 0.8 m 处为粗颗粒搅拌区外 壳，距离桩心约 0.9 m 处为浆液渗透区，因此，卵 砾石层桩径约 1.7 m。 1-2 号桩砂层桩径大于等于 2.6 m，卵砾石层 中距离桩心约 1 m 处为粗颗粒搅拌区外壳，距离 桩心约 1.2 m 处为浆液渗透区，卵砾石层桩径约 2.2 m。 可见，砂层中 RJP 成桩桩径与经验值一致，卵 砾石层中 RJP 成桩桩径比经验值小 12～16。 试桩 1 区检验结果表明， 1-2 试桩在卵砾石含水 层中成桩桩径可达到设计要求，因此，在试桩 2 区 采用 1-2 试桩的工艺参数再进行试桩。 b. 试桩 2 区 试桩 2 区卵砾石层锤击数 N 为 9.7 击，密实度稍密。采用 1-2 桩的施工参数进行试 桩施工，施工结束后第 4 天对试桩进行取心，结果 见表 3。 表 2 试桩 1 区取心结果 Table 2 Coring results of pile 1 细砂层 卵砾石层 试桩 取心位置/m 岩心描述 成桩效果 岩心描述 成桩效果 0.55 水泥浆固结体 好 水泥浆、砂、砾石颗粒固结体 好 0.75 水泥浆、砂固结体 好 水泥浆、卵砾石颗粒固结体 较好 1-1 0.95 水泥浆、砂固结体 较好 松散状砂、卵砾石 含少量水泥浆，未成桩 0.75 水泥浆固结体 好 水泥浆、砂、砾石颗粒固结体 好 0.95 水泥浆、砂固结体 好 水泥浆、卵砾石颗粒固结体 较好 1-2 1.25 水泥浆、砂固结体 较好 松散状砂、卵砾石 含少量水泥浆，未成桩 表 3 试桩 2 区取心结果 Table 3 Coring results of pile 2 细砂层 卵砾石层 取心位置/m 岩心描述 成桩效果 岩心描述 成桩效果 0.95 水泥浆固结体 好 水泥浆、砾石颗粒固结体 较好 1.10 水泥浆、砂固结体 好 松散状砂、卵砾石 含少量水泥浆，未成桩 1.25 水泥浆、砂固结体 较好 松散状砂、卵砾石 未成桩 由表 3 可知， 2 区试桩砂层桩径大于等于 2.6 m， 卵砾石层中距离桩心约 1 m 处为粗颗粒搅拌区外 壳，距离桩心约 1.05 m 处为浆液渗透区，推断桩 径约 2 m。 同样的施工参数下， 2 区卵砾石层中的桩径比 1-2 桩小约 20 cm。2 处试桩的地层条件相同，N 值 非常接近，但含砂量存在明显差异，因此，对卵砾 石进行筛分对比[17]，分析含砂量对 2 处试桩桩径的 影响，详见表 4 和图 6。 由筛分结果可知试桩 1 区和 2 区中卵砾石层粒 径大小基本一致，2 区中粒径大于 50 mm 的卵砾石 含量略小于 1 区，但 2 区中粒径小于 2 mm 的中粗 砂颗粒含量远小于 1 区。这表明含砂量的大小会影 响到成桩桩径，当含砂量越小时，桩径较小。 4.3 围井试验 试桩试验结束后，在试桩 1 区补喷 4 根桩， 形成封闭围井，在围井内施工抽水孔 CS1，如 图 7 所示。 钻孔完孔 7 d 后，先对 CS1 孔进行 2 次抽水， 其结果基本一致，水位埋深由初始 15.9 m 下降到 20.5 m，降深 4.6 m；水量由 3.5 m3/h 迅速减少，无 法持续抽水。分析原因认为，围井规格较小，加之 墙体渗透性微弱，围井接收外侧补给极慢，在泵量 较大的条件下难以实现稳定流抽水。 因此，再次采用定水头注水试验进行分析。注水 试验历时 260 min，注水前测得围井内初始水位埋深为 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 48 卷 15.95 m，然后向下入孔内的 PVC 细管内注水，使水位 上升至桩顶处，埋深 12.5 m；根据万用表反馈的埋深 变化实时向细管中缓慢注水，使井内液面持续稳定在 12.5 m，经多次测量，获得稳定注水量约 0.015 m3/h。 表 4 卵砾石筛分结果 Table 4 Gravel screening results 取样位置 孔筛/mm 遗留质量/g 遗留质量占比/ 累计遗留质量占比/ 通过率/ 63.0 0 0 0 100.0 50.0 120 2.4 2.4 97.6 31.5 235 4.7 7.1 92.9 20.0 530 10.6 17.7 82.3 10.0 890 17.8 35.5 64.5 试桩1区 2.0 1 070 21.4 56.9 43.1 63.0 0 0 0 100.0 50.0 94 1.9 1.9 98.1 31.5 545 10.9 12.8 87.2 20.0 1 130 22.6 35.4 64.6 10.0 960 19.2 54.6 45.4 试桩2区 2.0 1 180 23.6 78.2 21.8 注取样 5 000 g，深度为 14～15 m 处；遗留质量占比指大于某粒径的颗粒质量占样品总质量的百分数；通过率指小于某粒径的颗 粒质量占样品总质量的百分数。 图 6 卵砾石级配曲线 Fig.6 Gravel grading curve 图 7 围井布置平面 Fig.7 Layout of surrounding well 根据水均衡原理与达西定律得到 QQM K AJLh H Δ 1 式中K 为渗透系数，m/d；Q 为抽注水量，m3/h； M 为墙体平均厚度，m；L 为围井四边周长，m；h 为过水段高度，m；ΔH 为墙内外水头差，m。 由式1计算得出 K9.210-7 cm/s，旋喷桩围井 墙体的渗透性级别为极微透水[18]，达到帷幕截水的 技术要求。 5 结 论 a. 卵砾石层中高压旋喷桩桩径比砂层中的经 验值小 12～16。 b. 卵砾石层中成桩效果与含砂量有关，卵砾石 粒径大小相同，但含砂量大的地层，成桩效果较好， 桩径稍大。 c. 超高压旋喷注浆技术在含水卵砾石层中，可 形成质量可靠、抗渗性能好的加固体，加固直径可 达 2 m，渗透系数接近于 10-7 cm/s 级别，现场帷幕 截水效果良好。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 韦讲汉. 置换式旋喷原理及工艺技术[J]. 煤田地质与勘探， 2001，29644-46. 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