孫威 孫源

（中翀建設(shè)有限公司 江蘇 南京 211800）

影響高噴凝結(jié)體的因素很多，除不同噴射形式影響高噴凝結(jié)體的形狀尺寸外，還有噴射流壓力、提升速度、旋轉(zhuǎn)（或擺動）速度、射流壓縮空氣流保護情況、噴嘴直徑、噴嘴岀口靜水壓力（即地下水情況）和地質(zhì)條件等，上述因素都會對高噴凝結(jié)體的尺寸和質(zhì)量造成不同程度的影響。所以搞清各個因素在不同情況下對高噴凝結(jié)體的影響程度，對于做好高壓噴射灌漿設(shè)計及選用合理的施工參數(shù)至關(guān)重要。它將直接關(guān)系到高噴灌漿工程質(zhì)量的好壞。目前，高噴灌漿工程質(zhì)量事故時有發(fā)生，經(jīng)調(diào)查了解，均與事前沒有搞清各種因素的影響，不能選用合理的施工參數(shù)有關(guān)。影響高噴灌漿凝結(jié)體的因素眾多，現(xiàn)就一些主要因素分析如下：

1 噴射流壓力的影響

通過多項高噴灌漿試驗和開挖檢査得知，高噴灌漿凝結(jié)體的尺寸大小與高壓噴射流壓力有關(guān)，見表1、表2。

表1 三管法不同水壓量形成凝結(jié)體

從表1、表2可以看出，在相同地質(zhì)條件下及除凝結(jié)體的噴射壓力以外的相同高噴灌漿參數(shù)情況下，凝結(jié)體的尺寸大小與噴射壓力成正比。盡管如此，一定要使噴射壓力和噴射漿量相協(xié)調(diào)。如果只增加噴射壓力，凝結(jié)體的尺寸雖然增大了，而灌入漿量沒有相應(yīng)增加，往往會造成凝結(jié)體的水泥含量減少，會降低凝結(jié)體的強度和防滲性能。所以在灌漿中常用注漿比來進行質(zhì)量控制。也就是將噴射總漿量與加固凝結(jié)體的體積之比定義為注漿比，那么注漿比與凝結(jié)體的單軸抗壓強度之間的關(guān)系如圖1所示，從圖1可以看出，凝結(jié)體的單軸抗壓強度隨注漿比的增加而提高。由此可見，在高壓噴射灌漿過程中，除適當(dāng)?shù)卦龃髧娚鋲毫?，獲取較大尺寸的凝結(jié)體外，還應(yīng)根據(jù)工程的需要，選用適當(dāng)?shù)淖{比，這也是非常重要的。

表2 單管旋噴樁直徑與土質(zhì)和噴射壓力之間的關(guān)系

2 噴射流量的影響

圖1 固結(jié)體強度與注漿比的關(guān)系

噴射流量和噴射壓力一樣同是一個切割巖土的重要參數(shù)。H·Yoshida（約希多）、SJimbo（吉姆伯）等人通過現(xiàn)場試驗得出噴射流量Q、噴射壓力P、噴射流到達的距離X和到達的時間t的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)噴射壓力P一定，噴射流量越大，到達某一距離的時間越短。如果給定的噴射時間為0.1s，P-QX和P-QPQ關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出，射流到達的距離與噴射流能量（P·Q）成正比。在能量給定時，提高流量使噴射距離增大要比提高壓力使噴射距離增大得更明顯。所以在大顆粒地層進行二管法（JSG工法）和新三管法（RJP工法）高噴灌漿時適當(dāng)?shù)卦黾訃娚錆{液流量可以獲得更好的高噴灌漿效果。

圖2 射流到達的距離X和到達時間t的關(guān)系

圖3 P-Q-X曲線X（cm）（P.Q/10）/（kPa.L/min）

圖4 三重管旋噴試驗的提升速度與固結(jié)體直徑的關(guān)系

3 提升速度對高噴凝結(jié)體尺寸的影響

工程實踐表明，噴射管提升速度的快慢不僅影響凝體尺寸的大小，而且還會影響高噴凝結(jié)體的質(zhì)量。在不同地層選用相應(yīng)的合理提升速度，是確保髙噴灌漿工程質(zhì)量的重要前提。圖4是髙壓旋噴樁徑與提升速度的關(guān)系曲線。從圖4可以看出，當(dāng)其他高噴灌漿參數(shù)固定后，旋噴樁直徑與提升速度成反比，也就是說旋噴樁徑與提升時間的長短有關(guān)。如果用t。表示提升最長的時間（即最慢的時間），將提升時間用t歸一化，D-t/to的關(guān)系如圖5所示，從圖5中可以看出，提升時間越長，旋噴樁徑越大。

圖5 固結(jié)體直徑與提升時間關(guān)系

圖6 轉(zhuǎn)速與切削長度的關(guān)系

4 旋轉(zhuǎn)（或擺動）速度對高噴凝結(jié)體尺寸的影響

通過高壓噴射灌漿試驗表明，提高噴射管的旋轉(zhuǎn)速度，會使切削距離變短。旋轉(zhuǎn)速度在10r/min以內(nèi)，這種變化比較明顯，轉(zhuǎn)速超過10r/min亦無明顯變化，如圖6所示。另外，通過現(xiàn)場旋噴試驗得知，如果其他高噴灌漿參數(shù)一定時，旋轉(zhuǎn)速度有一個最佳值，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度大于或小于這個最佳值都會使旋噴樁直徑變小，只有選擇最佳旋轉(zhuǎn)速度時，才會使旋噴樁直徑達到最大值，如圖7所示。

圖7 三重管旋噴轉(zhuǎn)速與樁徑的關(guān)系（1-N=10的砂土；2-N=3的黏土）

5 噴嘴直徑對凝結(jié)體尺寸的影響

由試驗得知，當(dāng)高壓噴射灌漿參數(shù)一定時，高噴灌漿凝結(jié)體的尺寸與噴射嘴的質(zhì)量和直徑密切有關(guān)，相同質(zhì)量的噴嘴直徑越大，噴射出的流量越大，產(chǎn)生的能量也大，切割土體的范圍大，所形成的凝結(jié)的尺寸也大；否則相反。1981年山東省水利科學(xué)研究院和鐵道部科學(xué)研究院合作，在白流浪河水庫通過現(xiàn)場高壓噴射灌漿試驗得知，旋噴樁直徑與噴嘴直徑的關(guān)系見表3。由表3可以看出，在其他參數(shù)不變的情況適當(dāng)?shù)丶哟髧娮熘睆?，旋噴樁徑增加明顯。

表3 三管法高壓旋噴樁直徑與噴嘴直徑的關(guān)系

另外，在進行的三管法高壓定向噴射灌漿試驗中，所形成的凝結(jié)體板厚與噴嘴直徑的關(guān)系成正比，見表4。

表4 噴嘴直徑與定噴板厚的關(guān)系

噴嘴直徑大小對擺動噴射形成的啞鈴狀凝聚體形狀影響不大，但噴嘴出口段10～20cm范圍出現(xiàn)細徑現(xiàn)象，細徑大小仍然與噴嘴直徑直接有關(guān)。

6 氣壓和氣量的影響

壓縮空氣形成的氣幕，可保護射流束能量不過早擴散，增加噴射切割長度和升揚置換作用，在三管法高噴灌漿中，會形成低壓區(qū)促使?jié){液沿噴射方向跟進摻混，改變地層的顆粒級配。因此，氣壓和氣量的選擇，也會影響高噴凝結(jié)體的材料組成和有效長度一般空氣壓縮機的壓力宜保持在0.7～0.8MPa，并要連續(xù)輸氣，輸氣量可在0.4～0.8m3/min之間選擇。如地層粗顆粒成份較多、孔較深，輸氣量宜采用大值，以增強升揚置換作用。

7 土質(zhì)對高噴灌漿凝結(jié)體尺寸的影響

工程實踐表明，地層土質(zhì)與高壓噴射灌漿所形成的凝結(jié)體的尺寸密切有關(guān)，見表2、表5，從表2、表5可以看出，在高噴灌漿參數(shù)相同條件下，在粉砂土和粗砂層所形成的高壓旋噴樁直徑最大，在黏聚力較大的密實黏土中形成的樁徑最小，礫卵石層次之。如前所述，高噴灌漿凝結(jié)體的尺寸大小還與土體強度有關(guān)。土體抗壓強度越高，高噴灌漿形成凝結(jié)體的尺寸越小；反之則大。

另外，通過在三峽工程二期圍堰進行的新三管法（即RJP工法）高壓噴射灌漿防滲試驗成果表2-6-5中得知，在相同地層進行高壓旋噴灌漿，所形成的樁徑與該地層的密實情況有關(guān)，如圖8所示。從圖8中可以看出，在同一地層中，標(biāo)貫擊數(shù)越大，形成的旋噴樁徑越小。而且在相同標(biāo)貫擊數(shù)條件下，在黏土地層中形成的樁徑小在非黏性土中形成的樁徑大。

總之，影響高噴凝結(jié)體的因素眾多，除這些影響因素外，還有地下水深、地下水流速、地基應(yīng)力、施工深度等因素的影響，我們在從事高壓噴射灌漿防滲設(shè)計與施工的時候，組織一些有經(jīng)驗的專家和工程技術(shù)人員進行方案設(shè)計和評審，只有經(jīng)過反復(fù)的科學(xué)技術(shù)論證，充份考慮到了多種因素的不利影響，采取了正確的高壓噴射灌漿工藝，才能確保高壓噴射灌漿防滲技術(shù)取得令人滿意的效果。

表5 長江三峽二期圍堰左接頭段新三管法高壓旋噴灌漿單樁試驗成果

圖8 旋噴樁與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系