浅谈高压喷射灌浆法在基坑支护中的应用
1.引言
当基坑开挖范围内的岩土体性质较差，渗透性较强时，支护体系在水流的作用下会导致破坏，从而危害基坑安全，严重时能造成人员及财产的巨大损失。为解决基坑支护体系防渗问题，寻求一种比较经济且技术先进、施工可靠的防渗方法。结合高压喷射灌浆法在峰景西海岸基坑支护中的应用，现场检测结果表明岩土体的渗透系数大大降低，从而提高了防渗能力，保证了工程质量。
2.加固机理
高压喷射注浆法是在高压高速的条件下，利用液压、气压或化学原理，通过高度集中的喷射流与岩土体混合，凝结形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学稳定性良好的结石体的一种处理方法，是物理作用与化学作用的相互结合而形成的浆液主体搅拌混合区、压缩区和渗透区的横断面构造，有着良好的复合防渗作用，从而进一步提高了加固体的防渗性能。
适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑和可塑粘性土、粉土、砂土、碎石土、素填土等岩土体。
2.1物理作用
主要包括冲搅作用、置换作用、握裹作用、挤密作用。
2.1.1冲搅作用
冲搅作用主要发生在主体搅拌混合区。高压喷射的压力大，则喷射流的能量大、速度快，当喷射流连续和集中地作用于岩土体上时，压应力和冲蚀等多种因素便在一定区域内产生效应，通过冲击切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层，并与岩土体颗粒掺混搅合，硬化后形成加固体，从而改变原地层结构和组成，达到防渗和提高加固体强度的目的。高喷加固体是多种综合作用的结果，高压射流对地层结构的影响范围应通过现场试验确定，单位喷射灌浆压力越大、射流浆量越多、提升速度越慢，则旋喷柱的直径大，一般初步设计时直径多选用40～80cm。
2.1.2置换作用
搅拌混合区和压缩区存在置换作用。高喷施工时，水、气、浆由喷嘴中喷出，压力使水或浆液射流能透入地层较远距离并破碎地层结构，同时空气还可产生升扬作用，将经射流冲击切削后的岩土体碎屑及其中的细小颗粒，由孔壁和喷射杆的环状间隙中浆液带出孔外，其空余部位则由浆液替代，起到了一定的置换作用。
2.1.3握裹作用
压缩区内主要产生握裹作用。地层中较小的颗粒，由于喷射能量作用，浆液可填满块石四周的空隙而将其握裹；当遇到大的块石或在块石集中区域，应降低提升速度，增大喷射压力（水压及气压），在高压喷射挤压、余压、渗透等综合作用下，也将产生握裹凝结作用，形成连续密实的加固体。
2.1.4挤密作用
在压缩区和渗透区范围内，主要是挤密作用。高喷射流强度随射流距离的增加而衰减，至射流束末端时，其冲切岩土体的作用已消失，但对周围的岩土体仍产生挤压作用。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，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。
2.2化学作用
化学作用主要是水化作用。水泥与水拌和后，产生溶于水的铝酸三钙水化物和氢氧化钙，化学反应的不断进行会在水泥微粒的表面形成一层胶凝膜，逐渐发展形成胶凝体。水化作用继续发展、增强和扩大，则胶凝体不断增大并吸收水分，使凝结加速，结合更密；水化作用继续深入到水泥微粒内部，使未水化部分再参与化学反应，直至完全没有水分及胶凝体凝结地更大；同时胶凝体相互包围渗透将达到更加稳定的状态。这是高喷技术的内在因素。
3.浆液材料
注浆材料依据可灌性指标M来确定，M为D15（为土层中有15%比它小的颗粒直径）和d85（为注浆材料中有85%比它小的颗粒直径）的比值。当M＞15时可灌注水泥浆，M＞10时可灌注粘土水泥浆，M＞5时可灌注粘土浆。
高压喷射注浆的主要材料为水泥，多用纯水泥浆，水泥一般采用为P.O32.5及以上的普通硅酸盐水泥。水泥浆应具备：⑴良好的可喷性，即水泥的分散性，一般分散性越高，可灌性越好；水泥浆液的水灰比应按工程需要确定，一般采用0.8-1.5，可用流动度或黏度来控制可喷性；⑵足够的稳定性，水泥浆液的稳定性好是指浆液在初凝前析水率小，水泥的沉降速度慢，分散性小及浆液混合后经高压喷射而不改变原有物理化学性质；掺入少量彭润土、纯碱等外加剂能明显提高浆液的稳定性；用析水率来评定其稳定性。
4.高喷加固体的结构布置形式
高喷灌浆法有旋喷、定喷和摆喷三种基本形式，加固体可形成圆柱（若边提升边旋转时，加固体的形状为圆柱体）、壁状（若提升不旋转喷射则可形成壁状）、扇状等形状（若边提升边摆动，则形成的加固体的形状为扇状）。
高喷灌浆法有单管法、双管法、三管法。三管法能同时喷射水压、空气和水泥浆三种介质，影响有效范围最大，形成的加固体的直径最大。
5工程实例
5.1工程概况
峰景西海岸基坑支护工程位于大连市金州区国防路，水位埋深2.5米，基坑开挖12.5米，设计采用截水帷幕进行基坑防渗处理。
建筑基坑工程支护防渗采用高喷施工时，要求加固体具有良好的防渗性和稳定性。本工程采用的喷灌方法为三管法定向喷射成壁状墙体。基坑周长为112m，该工程地层为细砂、粗砂，以下为粘土，加固体的结构布置形式为壁状式，成墙深度为18m，墙厚平均为100cm。孔距1.8m，喷射中心有直径20～30cm的圆柱体。
5.2施工参数的确定
防渗体的防渗性能主要取决于地层组成成分和颗粒级配、施工方法以及浆液材料性能等有关。
通过现场试验确定其工艺参数为：
①水灰比：采用1∶1的纯水泥浆。水泥浆液的水灰比越小，处理的效果越好，但过小，喷射作业较困难。
②喷嘴直径：2.2mm；（外径φ5mm）。
③高压水：30MPa，流量100L/min。压力越大，处理的效果越好，但不能超过空压机的最大压力。
④气压：0.7０MPa，气量2m3/min。
⑤浆压：2.0MPa，流量80m3/min。
⑥提升速度：15cm/min；所使用的灌浆压力不同，提升速度有差异。对各类地层而言，水压、气压、浆压的变化对加固效果影响不大，而提升速度的变化是影响高喷质量的主要因素。通常情况下，确定提升速度应根据以下因素变化：①因地层而异，在砂层中提升速度可稍快，碎石土层中应放慢些，含有大粒径（20cm以上）块石及块石比较集中的部位应更慢些。②因施工顺序而异。先施工的孔提升速度可稍慢，后施工的孔可稍快。③因内返浆量多少而异。孔中返浆量减少时宜放慢提升速度，反之可加快。
⑦三重管回转速度：7r/min。
5.3施工工序
5.3.1钻孔
依据设计图纸核实设计孔位处有无防碍施工和影响安全的障碍物，如存在应及时处理，必要时应更改设计孔位。平整好场地，施工机械作业位于软土及其它有可能引起整机翻倒引起事故的地段，一定要采取防范措施（可采用换土或加填碎石等粗颗粒采用进行碾压处理），在平整场地同时对墙体中心线进行测量定位。
本工程中采用的是三管法，所用主要设备有DPP100-E型液压地质钻机、GYP-50型高喷台车、XPB90E型高压泥浆泵。采用泥浆护壁冲击钻进。成孔过程中做好充填堵漏，应使孔内泥浆保持正常循环。必要时采用回转跟管钻进，边钻进边跟入套管，直至终孔。钻进时应注意保证钻孔垂直，偏斜度控制在1%以内。
5.3.2置入喷射杆
用水管、气管、浆管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。
采用泥浆护壁的钻孔可以将喷射杆直接下入孔内，直至设计深度。跟管钻进的钻孔，有二种方法：一是拔管前在套管内注入密度大的塑性泥浆，注满后起拔套管，边起拔边注入，使浆面长期保持与孔口齐平或略高于孔口，套管全部拔出后，再将喷射杆下入孔内直至孔底。二是也可先在套管内放入PVC塑管，直到套管底部，将套管全部拔出，再将喷射杆下入到管底部。如采用振动成孔也可合并成孔和下管工序。
5.3.3喷射施工
高喷时，随着喷射杆的旋转和提升，先是高压气、水喷射，冲击扰动地层土体，呈翻滚松散状态，然后是压力灌浆，灌浆易被先喷入的水稀释，应控制好喷射速度和灌浆压力、提升速度，送气量的大小应使浆液成沸腾状为好。
灌浆时应控制浆液不能发生离析和断浆现象，以保证墙体均匀，不产生夹心层。若发生流量不变而压力突然下降时会造成渗漏，压力陡增超过最高限值、流量为零或出现不冒浆、断续冒浆时等原因会造成管道堵塞，应立刻拔管停机，迅速抢修，必要时应回灌冒浆或进行第二次注浆。
5.3.4检测效果
施工完成后采用压水试验进行现场质量测试，评价渗透性。
假设渗流条件符合达西定律，渗透系数K为
K=Q(lnL/r)/(2πHL)
Q为压入流量，H为试验水头；L为试验段长度，一般采用5米；r为钻孔孔径。
试验结果表明，加固后的岩土体的渗透系数K小于10-6cm/s，透水率小于0.1Lu，满足了基坑防渗要求。
10经济效益和社会效益
高喷方法质量可满足设计要求，工效高、造价低，能充分利用原地岩土体，可就地取材，机械化程度高。
与常规混凝土防渗墙相比，本防渗工程可不同程度地降低工程造价，具有开挖量小，施工方便，占地少，对临近建筑物影响小等特点。对社会经济发展将起到积极的作用。
