4.2 高喷灌浆适用条件与机理

4.2.1 双管高喷技术优势

常规三管高喷依靠钻孔充填级配料、增大喷射角度、缩小孔距、降低提升速度、采用速凝浆液等一系列技术措施，能够在大颗粒地层中建成高喷桩或墙。但同时也不难发现其存在的诸多缺陷：单独的高压水定量泵所提供的喷射动能对于大颗粒地层所必需的能量明显不够，造成喷射范围较小，而只能依靠缩小孔距、降低提升速度来弥补，使得高喷工作量加大，工作效率大幅度降低；对于大粒径大空隙率地层要求灌入的浆液具有较好的稳定性和较高的结石率，由于高压水对浆液的稀释作用使得浆液浓度大为降低，在地层细颗粒较少的情况下，水泥浆液极易流失，同时结石率也较低，墙体防渗性能下降。加上设计和施工不当，容易产生质量事故。双管高喷工艺能够很好地解决以上问题。

随着高压水泥浆泵技术性能的不断提高和成熟稳定，高喷灌浆已由三管法逐步朝着双管法方向发展。双管法高喷工艺是直接用气环保护水泥浆射流作为能量载体直接喷射地层，保证了射流所作用的范围内水泥成分扩散均匀；浆液以高压射流方式进入地层，避免或减小了浆液被稀释的程度，有利于提高和保证浆液结石率，减少水泥的浪费和污染。双管法是大颗粒地层中高喷灌浆的首选工艺。

双管法所具有的独特的技术优势如下。

1.设备优势

与三管高喷比较，双管高喷的设备优势非常明显。利用高压浆泵直接进行供浆喷射，可以取消原供给泥浆的泥浆泵，直接减少设备投入。不仅可以减少一根注浆管，还可在不改变高喷管外径的情况下，使管路的过流面积得到有效增大，也可在保证管路有效截面积不变的情况下，使高喷管外径减小一个级别，这不仅降低了材料使用和消耗，还可变双列管为双重管，从而可以取消螺栓连接实现高喷管的机械化扭卸。

2.工艺优势

双管高喷用水泥浆射流取代了水射流直接切割、搅拌地层，取消了水的介入，有效简化了高喷灌浆工艺，比三管高喷操作更为简单。

3.质量优势

双管高喷取消了水的介入，不仅有效简化了高喷灌浆工艺，还使高喷灌浆固结体质量得到有效保障，并使高喷灌浆质量变得可控。

鉴于双管法的多种优势，振孔高喷通常会优先采用双管法工艺。

4.2.2 高喷灌浆适用条件

1.适用地质条件

高喷灌浆工艺广泛适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。但当地层中有较多的大粒径块石、坚硬黏性土体、大量植物根茎或过多有机质时，钻孔高喷处理效果往往很差，而振孔高喷对于这些地层具有很好的处理效果。

通常，钻孔高喷对有地下水径流或大孔隙地层难以处理。采用振孔高喷特殊三管法（其中一管可灌注特种浆液）能够很好地处理地下水径流和大孔隙地层。

振孔高喷对漂石层、风化岩层有一定的适用性。

三管法高喷灌浆对永久冻土地层、深厚淤泥地层的适用性较差。

2.应用范围

高喷灌浆技术应用领域涉及国民经济各大行业，如水利水电、公铁交通、港口码头、航空航天、矿产冶金、电力电信、工业与民用建筑等。高喷灌浆主要应用范围包括以下几方面：

（1）已有建筑物和新建建筑物的地基加固处理，提高地基强度，减少或整治建筑物的沉降或不均匀沉降。

（2）深基坑侧壁挡土或挡水，以保护地下工程建设或邻近建筑物安全。

（3）基坑底部加固，防止管涌或隆起。

（4）水库坝体加固、地下防渗帷幕建造或帷幕补强处理。

（5）边坡加固。

（6）隧道顶部或侧壁加固。

4.2.3 高喷灌浆机理

高压喷射灌浆利用高压水或高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状凝结体，用来提高地基防渗或承载能力。

1.高压射流对地层的破坏机理

对于土层、砂土类等低强度、疏松结构地层，高压水或高压浆液形成的高速喷射流束，直接冲击、切割、破碎地层土体，高速高压射流的劈裂、剪切、挤压作用造成土体的击碎或击穿等强制性结构破坏。同时，液体在射流动压和浆柱压力作用下渗入细小通道、微小孔隙及其他缺陷处，降低了土体强度，有效地参与地层原有结构的失效过程。

对于砾石、风化岩层等块体强度高、结构致密地层，高压高速喷射流的打击力作用、脉冲负荷导致的疲劳破坏作用、水楔作用、气蚀作用等引起或造成地层的结构破坏。射流作用于岩石破坏形式主要为径向裂纹、锥形裂纹和横向裂纹扩展，裂隙形成和交汇后，水射流进入裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端产生拉应力集中，使裂隙迅速发展扩大致岩石破碎。同时，液体在射流动压作用下穿透进入微观裂隙，在其内部造成瞬时的强大压力，其结果是在拉应力作用下，使颗粒从母体或块体上破裂下来。

2.高喷工艺对地层的灌浆机理

高喷浆液灌注压力包括射流局部瞬时压力和浆柱静压力两部分，其作用结果都是使得浆液在有限范围内扩散。

高喷工艺对可灌性较好地层的浆液灌注机理与一般水泥灌浆机理基本相同。不同的是高喷灌浆利用高速高压射流强制性切割破坏原地层结构同时灌入浆液，各类不可灌地层都能够被浆液有效掺入并最终固结。浆液在射流动压作用下与地层发生充填、渗变、搅拌、升扬、置换等综合作用，浆液与地层颗粒在一定范围内重新排列组合，在其周边形成反滤层，并控制浆液在有限的范围内扩散，经固化形成所需性能和形状的固结体，达到提高地层工程性质的目的。

4.2.4 高喷灌浆主要特点

与其他地基处理工艺相比，高喷灌浆有许多更为显著的特点，对高喷灌浆技术特点的深入了解，将有助于深刻认识并在地基防渗与加固处理工程中恰当选用。

高喷灌浆工艺的主要特点如下：

（1）可灌性好。高喷灌浆是以强制性切割破坏原地层结构同时灌入浆液，不存在一般灌浆工艺的可灌性问题。只要高压射流能够破坏的地层（如粉细砂、黏性土），不管其实际可灌性如何差，均可进行高喷灌浆处理。尤其是针对夹杂于复杂地层中的可灌性极差土层，高喷灌浆与一般灌浆的实际效果差别更为明显。

（2）可控性好。对于砂砾石、卵石等大孔隙地层，高喷射流的灌浆机理更为适用。不同于一般灌浆机理的是，高喷灌浆对地层的浆液灌注压力作用具有瞬时性，对地层的灌入量极为有限，即浆液灌入度具有可控性。

（3）连接可靠。高喷墙体自身及其与周边构筑物在上下、左右、前后三维间的连接（亦有称之为柔性连接）十分可靠。高喷灌浆固结体连接可靠性主要表现在以下几个方面：

1）通过大量的开挖检查现场可以发现，单孔高喷板墙射流有效喷射长度（喷射半径）与孔距间的安全系数一般可达1.5～2。

2）新建高喷板墙与已建板墙或地下各种构筑物连接时，新喷射流能够将其表面洗刷一新，并与其凝结为一体，而且具有相当高的连接强度。

3）对于强度高、韧性较大的地下构筑物，射流冲击动压力只能将其冲洗干净，通常是不会对其造成破坏的。即便真的产生某种损坏，新产生的固结体也可将其修复完整。

（4）机动灵活。主要表现在以下几个方面：

1）钻孔深度内的任意高度上、不同方向、不同喷射形式，都可以按要求喷射成设计形状（如扩底桩形、扇面形、纺锤形、圆台或半圆台形等）。

2）可通过坝体、涵洞、渠道等建筑物对其下卧深度较大的砂砾石等渗漏地层或其他隐患部位进行处理。

3）可在水上对水下隐患部位进行有效处理；还可在山坡上对地下隧道进行可靠处理。

4）高喷固结体性能可以通过改变浆液性能予以调整。

（5）适应地层广泛，包括复杂地层等几乎所有第四系地层都可以建造高喷墙（桩）。

（6）处理深度较大。由于钻孔精度得到有效保证，高压泵的性能也有了大幅度提高，高喷灌浆深度也在向更大深度发展。钻孔高喷深度逾60m。振孔高喷钻孔精度更高，随着振管连接问题的技术突破，钻孔深度也在向着50m深度发展。这样的深度是许多其他工艺难以达到的。

（7）相对多种成槽法建造地下连续墙工艺，高喷灌浆无需庞大的护壁泥浆系统和大量的泥浆消耗。振孔高喷不需要护壁泥浆，工艺更加简单。

（8）高喷固结体除连成一体做防渗外，还可用于软基加固或松散体（包括堆石体）的整体固化。