刘权富1,孙灵会2,姜笑阳1,刘 靖1,张宝军1
(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林四平,136000;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春,130062)
作者简介: 刘权富(1960—),男,吉林农安人,高级工程师,主要从事岩土工程施工。
【摘 要】 高喷灌浆在水利水电行业中除应用地基加固外,更广泛地应用于水工建筑物的防渗工程中。本文介绍了摆动振孔高喷工艺的研发背景、振孔高喷工艺原理、工艺特点、高喷机性能结构、施工方法、工程应用。本成果获得国家发明专利,获得大禹科技进步二等奖,已列入水利部《2011年度水利先进实用技术重点推广指导目录》,2014年已正式批准推广项目。
【关键词】 摆动; 振孔; 高喷; 工艺; 防渗; 应用
1 前言
高压喷射灌浆技术自20世纪70年代引进我国后逐渐在各行业建筑领域推广,普遍应用于建筑物的地基加固,提高地基承载力领域。高喷灌浆在水利水电行业中除应用于地基加固外,更广泛地应用于水工建筑物的防渗工程中。
常用的钻孔高喷分两大工序进行: 一是利用钻机钻孔和泥浆保护孔壁为下入高喷管创造必要条件; 二是利用高喷机向钻孔内下入高喷管,再进行高喷灌浆作业。钻孔高喷必须分序进行,分序存在墙体搭接问题,往往影响墙体的连接质量。在造孔过程中必须使用泥浆护壁,不同程度地影响墙体的强度,投入造孔设备、人员多、直接成本高,钻孔高喷施工质量不易控制,存在工效低、水泥耗量大、成本高、工序繁,如果孔内坍塌下不去高喷管,则必须钻机重新回来扫孔等诸多缺点,导致高喷灌浆技术长期停滞不前没有新的突破。
为了解决钻孔高喷存在的不足,完善高压喷射灌浆技术,我公司于1997年开始自筹资金立项研究,其主要研究方向是研制一种设备将钻孔和高压喷射灌浆用一道工序完成(即实现钻喷一体化设备)。采用振动造孔实现快速成孔,结合小孔距,充分利用喷射的高能区切割地层、提高提升速度比钻孔高喷提升速度高2倍、不分序重复切割地层的施工方法,解决钻孔高喷技术的不足。
2 振孔高喷工艺原理
利用高频振动锤,将一整根振管(钻杆与高喷管的复合体)垂直振入地层一定深度形成钻孔,振管底部设有特制喷头体(为钻头与高喷头的复合体),在其上提过程中,供给高喷介质(风﹑高压浆二管法)进行高压喷射灌浆作业。喷头体提至地面,即完成一次造孔与高喷灌浆全过程。这种把振动钻孔与高喷灌浆两种工艺耦合为“钻喷一体化”的新工艺被称为“振孔高喷工艺”。
“振孔高喷工艺”是充分利用振动力造孔,在成孔效率极高的优势下实现小孔距(如0.6~0.8m)高喷施工; 由于孔距较小,可以有效利用高压射流近喷嘴处的高能区强力切割、重复扰动地层,既可保证墙体连续又能实现快速提升; 由于单孔施工速度快,可实现高喷孔不分序依次施工连续成墙; 根治了坍孔和假灌弊病,确保墙体质量。
3 振孔高喷工艺特点
3.1 工序简单
一根振管实现了造孔和高喷管一体化,振动成孔(不需要泥浆护壁),使钻孔和高喷灌浆在孔内一次完成,而且实现了钻孔不分序、可依次进行高喷施工。从技术上解决了常规钻孔高喷繁琐的施工工序: 先要用钻机钻孔——必须采用泥浆护壁——移开钻机——安装高喷机——进行高喷作业,并且从根本上避免了常规钻孔的“塌孔”,导致高喷管不能到达孔底预定深度而必须反复扫孔、反复起下高喷管等弊端。
3.2 造孔效率极高,施工速度较快
采用大功率高频振动锤(60~90k W)直接将振管(厚壁优质钢管)振入地层成孔(一般深度15~20m砂砾石地层,造孔只需5~10min左右)。充分利用快速成孔优势,可以实现“小孔距、高提速”的高喷成墙工艺。
极高的振动造孔速度和较快的高喷提升速度使得振孔高喷具有较高的施工速度,单机工效约为钻孔高喷的2倍以上。
3.3 墙体质量好
由于采用“小孔距”成孔,且成孔不分序依次连续施工,充分利用了喷嘴处高压喷射流高能区强力切割、重复扰动地层,从而有效保证墙体的连续性。采用高压水泥浆射流振孔摆喷或振孔旋喷工艺,即使在较大粒径的卵砾石地层中也能够建成优质防渗墙。
取消泥浆护壁,完全避免了常规钻机造孔无法回避的缩径、塌孔和粗颗粒沉淀等各种“假灌”现象。振管直接振到设计深度,高喷灌入孔内的都是水泥浆,从根本上确保成墙深度和质量。
3.4 对地层适应性强
由于采用强力钻进功能,振孔高喷工艺广泛适用于除粒径大于30cm漂石外的各类第四系松散层至密实地层。对厚度不大的淤泥质地层、强风化岩层也适用。
3.5 节省材料减少污染
振孔高喷提升速度为钻孔高喷提速的2倍,弃浆量较少,废浆污染量大幅度减少。
4 振孔高喷机的研制
4.1 振孔高喷机性能指标
型 号 DY-60, DY-90
振孔最大深度(m): 27
振孔直径(mm): 110~180
激振力(k N): 360~520
最大提升力(k N): 200~300
提升速度(可调)(m/min): 0.05~4.0
旋摆速度(r/min): 10~30
移位方式: 液压步履
功 率(k W): 主机30k W,振动锤60、90
全机质量(t): 28, 36
整机尺寸L×B×H(mm): 工作状态9000×6000×19000~33000
运输状态最长12000mm,最宽2400mm。
4.2 振孔高喷机的结构
振孔高喷机主要组成结构为: 主机底盘、行走油缸、主机移动爬行管、支腿油缸、转盘、起落架、斜支杆、振管、主立柱、振动锤、天车、升降钢丝绳、摆动机构、卷扬机、液压站、配电柜等,振孔高喷机结构如图1所示。
图1 振孔高喷机的结构
振孔高喷机的行走设计成液压走管形式,即在底盘上设计两根φ325mm的行走钢管,将高喷机坐在两根行走管上,通过两个行走液压油缸的伸出和收回,实现高喷机的前后移动。行走管前后移动时将四个支腿油缸支起,通过行走液压油缸的伸出和收回,实现高喷机的前后移位。高喷机到位后通过四个支腿液压油缸对高喷机进行调平,通过特制的测斜仪调整振管的垂直度。
振孔高喷机的移位方式实现了液压步履行走,移位方便,操作简单,安全可靠,调平快速,能够实现设备的快速移动、调平和高喷孔的精确定位,从根本上保证高喷孔位和孔向的施工精度。
振动锤采用60型和90型两种,地层容易振入选用60型振动锤,不易振入选用90型振动锤。
振管的提升卷扬机采用调速电机,控制升降的快慢,确保了高喷参数提升速度的实现。通过对高喷机的不断改进使其性能更加完善,系统性能可靠、运行平稳。
5 施工方法
5.1 施工工艺程序
振孔摆喷施工程序为: 施工准备→确定孔位→高喷机就位→调整摆喷管垂直度→供气、供浆、供水地面试喷→振动成孔至设计深度→摆动提升喷射至设计高程→摆喷结束提出喷管→进入下一流程。
5.2 摆动振孔高喷工艺墙体连接方式(如图2所示)
图2 摆动振孔高喷工艺墙体连接方式
5.3 采用的主要施工参数
根据现场试验,在业方、设计和监理检查后,确定高压摆喷防渗墙工程施工的施工参数为:
孔距: 0.6~1.2m(根据地层确定)
孔斜率: ≤2%
孔位偏差: ±3cm
孔深: 按设计要求进入基岩0.5m
提升速度: 15~30cm/min(根据地层情况确定)
浆压: 30~35MPa
浆量: 70~80L/min
风压: 0.6~0.8MPa
风量:0.8~1.2m3/min
浆液密度:1.4~1.5g/cm3(采用42.5普通硅酸盐水泥)
摆角: 20°~30°
摆动次数: 15~25次/min。
5.4 施工技术措施
5.4.1 孔斜的控制
孔斜控制的好坏直接关系到防渗墙体的连续性,因此要控制好孔斜,在施工中我们采取了在振孔高喷机上设计安装了测垂直度的装置。通过铅锤原理,读取铅锤在刻度盘上位置,即可控制振管的垂直度。振孔高喷机水平调整通过安装在高喷机上的水平气泡来调整。振孔前要调整高喷机确保气泡居中(或铅锤在圆环内)。经过调整满足偏斜控制要求后方可进行振孔。
5.4.2 施工参数控制
施工技术参数是保证成墙质量的关键,因此必须进行严格控制。
提升速度: 按照在工程中通过试验后取得的数据进行提升,提升时要通过调速表,进行多次试验,确定提升速度调速表所需要的转速,在提升过程中进行严格控制。
浆压: 高喷防渗墙浆压是保证墙体能否连续的最关键参数,浆压过低孔距之间高压浆穿不透,墙体就不会连续,就不能形成防渗墙体。因此浆压必须要达到制定的30~35MPa之间。
浆量: 浆量是保证切割地层后有足够的水泥浆进入到地层中去,浆量少,地层就得不到足够的灌入量会影响墙体质量; 浆量过大会造成材料的浪费,因此要保证浆泵的完好性能。现场要配备二台高压浆泵,当一台浆泵发生故障时,可以立即换到另一台浆泵上,以保证灌浆的连续性和节省时间,提高生产效率。浆量要控制在70~80L/min。
浆液密度: 浆液密度是保证防渗墙体抗压强度的关键参数,密度低防渗墙体的抗压强度就会低,太低可能不能形成墙体。如果密度太高,浆泵会抽不动,也会造成材料的浪费。因此在浆液搅拌过程中,要经常进行浆液的测量,以便使浆液在控制范围内。浆液密度控制范围在1.4~1.5g/cm3。
空压机风量和风压: 空压机的风量和风压是保证浆液在喷射过程中对高压浆射流进行保护,风在喷射过程中起到搅拌作用,使喷灌到地层中的水泥浆与原始地层得到充分的拌和形成防渗墙体。风在高喷过程中还起到声扬作用,用水泥浆置换将地层中的多余泥砂带出地面。风在高喷过程中是不可忽视的重要参数,一定要加以重视。风压控制在0.6~0.8MPa;风量控制在0.8~1.2m3/min。
5.4.3 浆液配制与使用
(1)制浆用水泥为普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5级; 高喷浆液密度在1.4~1.5g/cm3之间。
(2)现场制浆原材料计量采用重量法,控制其误差小于5%。
(3)浆液的搅拌时间,使用高速搅拌机不小于30s,搅拌后时间超过4h的浆液不得使用。
(4)浆液必须进行两级过筛后使用,防止浆液中砂子堵塞浆嘴,并定时检测其密度。控制浆液温度在5~40℃之间。
5.4.4 发生漏浆可采取的措施
高喷灌浆过程中,若孔内发生严重漏浆,可采取以下措施处理:
(1)孔口不返浆时,立即停止提升,降低喷射压力,进行原位灌浆; 孔口少量返浆时,降低提升速度。
(2)如果漏浆严重,采取原位静灌仍不返浆,需要往孔内加砂或其他堵漏材料,填入砂子或堵漏材料后振管可以上下窜动,重复进行填料直至孔口返浆为止。此方法在多项工程中是一种解决不返浆的有效方法。
(3)经常检查,准确判断浆嘴、气嘴完好,出现介质流异常现象立即处理。
(4)高喷灌浆振孔如遇到块石及孔深未达设计深度时,采用潜孔锤造孔后,高喷机进行正常灌浆。
(5)高喷灌浆原则上全孔连续作业,施工有间断的孔段,需进行复喷,搭接长度不小于0.5m,复喷工作在技术人员指导下进行。
(6)高喷灌浆结束后,利用回浆或水泥浆及时回灌,直到孔口浆面不下降为止。
6 振孔高喷应用
振孔高喷工艺获得了国家发明专利(专利号: ZL96111333.2),并且获得了专利博览会银奖,列入中华人民共和国电力行业标准《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范DL/5200—2004》,已列入水利部《2011年度水利先进实用技术重点推广指导目录》。2014年正式批准推广。历经16年的生产应用,振孔高喷在松花江、嫩江、赣江、长江三峡、拉萨河等四十余项大中型防渗加固工程项目中应用;建成了优质高喷墙45万m2,创造产值达1.2亿元,振孔高喷成为我公司生存与发展的最重要支柱技术之一。
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