4.3 大颗粒地层高喷灌浆技术研究与认识

高喷灌浆所谓大颗粒地层属于岩土工程定义的碎石土类。人们通常所说的“大颗粒或大粒径”泛指碎石土类地层中颗粒直径大于50mm的块体部分，因为所有砾石、卵石和漂石地层中的大块体的含量和性状对高喷灌浆工艺的适用性和固结体（即结石体）质量更具有直接意义。

振孔高喷所谓大颗粒一般指碎石土颗粒直径大于100mm的块体，因为较小的粒径对于振孔高喷的施工质量几乎不具影响力。

4.3.1 射流强度和比能

射流作用于土体并形成有效作用范围必须具备两个条件，即射流出口压力和射流作用于土体的总能量。前者保证射流克服摩阻力和土体自身结构强度，后者满足土体结构破坏和有效射程所需要的能量。为此引入射流强度和比能两个概念。

1.射流强度

射流强度定义为射流某一点处的压力，用P_x表示，表达式为

式中 η——射流衰减系数；

p——射流压力，MPa。

射流在地下喷射时，其强度随被作用土体距离的不同而变化，出口射流压力的一部分用来克服土体抗力（地应力和土体结构强度），另一部分消耗于地下介质的摩阻力及平衡浆柱压力。当射流强度与土体抗力持平，土体结构行将破坏时的射流强度，称为临界射流强度。土体的部位与性质不同，其临界射流强度也不相同。当射流压力超过临界值，被喷射土体开始破坏，伴随射流长度增长就有越多的压力份额被用以克服摩阻力，最后达到临界值，其喷射长度不再增大。可以看出，射流强度越高即对土体的破坏力越大，射流的有效距离也越大。所以，只有保证较高的出口射流压力，才能使射流对较远处的土体有破坏能力。对大粒径地层而言，射流除受到正常的摩阻力外，射流的反射碰撞造成很大的能量损失。因此，要达到相同的喷射长度，其所需射流强度相对于细颗粒地层要大得多。

高喷作业时，喷射是自下而上进行，后喷射的土体一部分处于半凌空状态，地应力较小，射流所要克服的主要是土体自身的结构强度，与土体的固结程度和颗粒组合方式有关。在同样的喷射压力下，一般上部的有效长度较下部要大些。

试验和生产实践都表明，射流在地下喷射时，射流的摩阻力较在水中喷射大为增加，在大颗粒地层更是如此。

2.射流比能

比能定义为单位长度喷射段射流所释放的能量。用E表示，其表达式为

式中 E——比能，MJ/m；

Q——射流流量，L/min；

v——提升速度，cm/min；

p——出口射流压力，0.1MPa。

射流首先作用距离最近的土体，当土体受到足以使其结构破坏的能量后，射流向前延伸喷射较远处土体，土体的破坏过程就是能量的消耗过程。由于土体类型及结构不同，需要的破坏能量也不同，在相同比能下不同地层中形成的喷射长度各不相同。在一定喷射压力和流量下，能量（即比能）越大喷射半径也就越大，即一定量的比能，对同一种土层对应一定的有效喷射长度。

从式（4-2）可以看出，改变比能有3种方法，即改变射流出口的压力、流量、提升速度。当确定了某种地层中达到一定喷射直径所需要的比能后，可以通过适当调整三者的大小而保持比能不变，使施工处于最经济合理的工作状态。

实际情况是，喷射过程中射流在不断改变方向和深度，或随旋摆而改变喷射方向，或随提升而改变喷射位置，所以形成的喷射长度往往小于射流压力衰减至临界值时应该达到的有效长度。

4.3.2 大颗粒地层结构类型与成墙机理

当携带巨大能量的水气浆射流冲击大粒径地层时，根据射入部位不同可分为两种作用方式。一种是在射流作用下地层结构遭到破坏，即直接射入大粒径间空隙的射流，或者仍有较大切割能量的反射流可对大颗粒间的充填物直接冲切破坏，其作用机理符合细颗粒地层的射流作用机理。另一种是使地层组成成分发生变化，射向大颗粒体上的射流受到大颗粒阻挡，一方面其冲击能量使大颗粒背后的充填物因射流方向旋转、摆动和提升的交替承受挤压、张拉作用而松动或产生缝隙（图4-1）；另一方面由于射流的反射作用，在喷头周围形成一个强紊流区，紊流相互碰撞造成流体势能增大，即形成一个环境高压区，处于高能状态下的水气浆混合流沿着大颗粒之间的空隙向周围低压区迅速扩散，并对大粒径体背后的充填物起二次切割冲刷作用。同时随着射流方向旋转或摆动形成较强的脉动压力，使空隙间相当数量的细颗粒被推移到较远范围，或者被回流带离原来位置，在水气浆射流的综合作用下，大颗粒间的空隙被浆液所充填取代，水泥浆液的进入在一定范围内形成互相贯通的浆液体脉网络，改变了原地层的组成成分，最后与大颗粒块体凝成一体，起到了改良地基的作用。

射流作用于大粒径地层，呈多方向分散后的水射流与大流量压缩空气共同作用大颗粒间的空隙，缝隙间的充填物质不同程度地被置换出孔外，或被液流冲至较远的位置，在一定范围内形成互相贯通的浆流网络。这种作用方式可以概括为：地层在强大射流按一定方向规律作用下，对软弱结构 （主要指大颗粒缝隙间的充填物）造成破坏，并以浆液进行充填、置换，形成以地层中大颗粒块体为骨架、灌浆材料为主要充填物的复合地层。

图4-1 射流对大颗粒作用原理

压缩空气的作用除保护高压射流、升扬、搅拌、置换以外，还有更重要的胀裂、汽蚀作用。压缩空气对大粒径地层实现有效喷灌的提速、增效等强化作用无可替代。

综上，射流对大粒径地层的主要作用形式为切割、绕射、压力扩散、压力渗透。

根据大颗粒地层射流作用机理分析可知，在此类地层中进行高喷灌浆时，射流压力、流量和施工参数确定的条件下，确保高喷灌浆质量的必要条件就是最大限度地缩小钻孔间距。

4.3.3 大颗粒地层浆液可灌性与成墙机理探讨

由于大粒径卵石、砾石的强度通常很高，在射流强度有限的情况下射流对大颗粒不可能切割破碎。实际上高喷灌浆之所以能够对大颗粒地层进行防渗处理，主要是因为针对不同的地层射流能够以一种综合的作用方式置换搅拌大颗粒间的充填物，使固结材料能够进入到空隙中去，实现对大颗粒的袱裹并固结，这种袱裹机理与细颗粒地层中偶遇的大颗粒的包袱裹机理有所不同，呈现多样化，与地层颗粒组成、结构特点密切相关。可以说，大颗粒地层的颗粒组成及其充填物的充填性质（充填物的性质及其强度、渗透性等）决定了射流的喷射范围和高喷射流加固地层的作用机理。

可以将大粒径地层按颗粒组成、结构特性分为4种类型，以便分析射流作用、浆液可灌性和成墙机理。

（1）松散充填、有架空地层。地层由大、中、小不同粒径混合组成（砂卵石、砂砾石），各粒径组均具一定比例，大颗粒（直径大于5mm）之间没有形成互相连接的骨架结构，充填物以黏土、砂砾为主，且结构较为疏松，有架空现象，代表地层为洪积形成的洪积层和人工杂填土层等。对这类地层可灌性好，高压射流对砾间充填物可以实现直接切割、搅拌，并使得一些大颗粒处于半临空状态，对个别大粒径经过喷射后位置没有变化时，其后面的喷射盲区由于充填物疏松产生绕流和低压区，从而实现完全袱裹。这类地层只要设计参数得当、施工工艺合理，一般的施工技术就可以达到预期防渗加固效果。

（2）密实充填、半胶结地层。地层由大、中、小不同粒径混合组成（砂砾石、砂卵石），各粒径组均具一定比例，大颗粒之间没有形成完整的互相连接的骨架结构，充填物以黏土、砂砾为主，且结构较为密实，呈半胶结状态，透水性较小，渗透系数一般在n×10^-2～n×10^-3cm/s之间，代表地层为年代久远的覆盖层。这类地层可灌性往往较差，射流可以直接切割原始地层，但一般不会发生绕流及明显的渗透作用，射流影响范围较小。对这种地层要靠加大射流压力，或以高压浆直接喷射地层，通过加大切割、搅拌、置换等作用效果方可达到加固大颗粒地层的目的。

（3）粒径均匀卵石、漂石地层。颗粒组成比较均匀的卵石、漂石地层，颗粒间充填物较少，形成互相连接的稳定的骨架体系，透水性强，代表地层为上游河道冲积层及人工堆石体等。这种地层射流的能量消耗较大，射流影响范围较小，其特点是，射流被大颗粒分散成许多细小的间接射流，在颗粒间形成强烈的紊流，喷嘴周围形成一个因射流造成的高能区；由于地层透水性强，处于高能区位状态下的紊流迅速向周围扩散，以实现能量的消散取得压力平衡。在这一过程中，射流主要通过射流扩散、渗透等方式形成自己的作用范围，冲切、搅拌作用很小，射流对地层主要通过高能紊流比较均匀地向周围低压区渗透进行扩散和充填。这种地层可灌性极强，采用高压喷浆，直接强制浆液绕过大颗粒进入空隙，会有效地加长喷射距离，但必须结合预充填级配料、改善浆液性能等措施，使地层形成有利的储浆条件和浆材凝结条件，并对其渗流方向和渗流量进行有效控制，方能收到良好的加固效果。

（4）含孤石、漂石大颗粒地层。含有一定数量孤石、漂石的大颗粒地层，这里的“孤石、漂石”指块径大于50cm、被包裹在相对较细颗粒中的大颗粒。这类地层可灌性往往较好，地层中较小块径的颗粒，在射流作用下，浆液沿大颗粒（较小粒径的孤石）周围产生绕流，通过反复喷射扩大绕流范围，使大颗粒（小直径孤石）包裹在浆液内；对于大孤石、漂石的情况，施工相邻喷射孔时，在靠近孤石块体的部位采取特殊处理措施，增大喷射直径或缩小钻孔距离，可以使石块与两个或多个包裹体连成一体，形成焊接式固结体，最后形成连接牢靠的连续墙体。实际上就是靠射流的切割、反射、置换多重作用的反复处理，最终收到将孤石与喷射浆体连为一体并固化成墙的效果。

4.3.4 GIN灌浆法与高喷灌浆

1.GIN灌浆法

对地层实施灌浆使其加密固结必定消耗能量。GIN（Grouting Intensity Number）灌浆法即“灌浆强度值法”，是由瑞士著名灌浆专家隆巴蒂博士（G.Lombardi）于1993年首先提出，目前已在国际上广泛应用。GIN的灌浆强度值用灌浆压力P（MPa）和单位浆液灌入量V（L/m）的乘积表示，即GIN=PV（MPa·L/m），其含义为单位长度灌浆段内消耗的能量。其理论核心是在一个灌浆段的全部灌浆过程中基本保持GIN值为一常数，即灌浆过程中尽管每个灌浆段的浆液注入率可能差异较大，都要使PV值保持为一个常数，这样就可以对可灌性较好的宽大孔隙进行限量灌注，而对可灌性较差的细小孔隙提高灌浆压力，以期实现各个灌浆段都有一个大致相当的浆液扩散半径。只要做到帷幕灌浆孔的各灌浆段的GIN值保持一致，就可建成一道均匀连续的灌浆帷幕。

如果将体现GIN值的灌浆压力P与相应单位长度累计灌入量V绘制成图，即可得到GIN值双曲线。为了避免不必要的能量和材料浪费，必须控制过大的灌浆压力和过多的浆液灌入量，所以规定一个允许的最大灌浆压力（p_max）和一个允许的最大单位长度累计灌入量（V_max），这样就形成了GIN值包络线图。GIN灌浆法的倡导者建议了5种GIN值和相应的包络线，主张一个灌浆段只采用一种配比的稳定浆液，并认为岩体灌浆大多数情况下应采用中等强度值（150MPa·L/m）。

很显然，GIN灌浆法使灌浆施工更具可控性和科学性。

2.GIN灌浆法对高喷灌浆的指导意义

GIN灌浆法虽然主要侧重于帷幕灌浆，但其理论显然对灌浆类工程具有很好的实用性和十分重要的指导意义。

振孔高喷与常规钻孔高喷的根本区别在于振孔高喷最大限度地减小了高喷孔距，使得高喷过程中不必为了获得足够大的切割半径而空耗上提时间，可有效避免过低的上提速度所导致的过大的水泥消耗。

如果在高喷灌浆中引入GIN理念，则可在确定的高喷压力和射流有效半径（即射流切割半径）的情况下，依据孔口返出浆液流量，合理确定并动态控制高喷灌浆的提升速度，在保证高喷固结体质量的同时，最大限度地节省灌浆材料。进而可以引入计算机控制，实现科学化的高喷灌浆施工。

3.高喷灌浆引入GIN理念的探讨

现行规范只是按不同地层给定提升速度，而对浆液置换率及地层孔隙率等直接相关要素并未给予充分考虑，这显然是不合适的。通过表4-1显而易见，对于小孔距定喷或摆喷灌浆的提升速度仍有很大的提升空间。事实上，不同地层射流浆液对地层置换率差异很大。实践表明，对于0.8m孔距的振孔高喷，其提升速度至少还可提高30%～50%。

对于双管法，高喷浆液压力和流量主要取决于高压浆泵的性能和浆液性能。目前高压浆泵的技术性能已能够满足高喷灌浆工艺需要（高压泵压力可以稳定在40MPa，流量稳定在100L/min以上），这为高喷灌浆质量控制提供了有力保障。喷嘴和浆液性能是可以依据地质条件进行人为设定的。进入地层的水泥浆射流切割扰动地层的同时与地层颗粒混合形成稳定浆液，该浆液最终形成固结体。

经过多年探索，高喷灌浆由三管逐渐回归到双管，射流介质也从水射流向水泥浆射流靠拢。这种单一配合比浆液恰好符合GIN灌浆的基础条件。对于水泥浆射流，无论射流动压有多高，其能量只是在孔内对地层切割破坏中起决定性作用，对地层的浆液灌注过程在其冲击地层直至压缩空气保护射流最后阶段到逸出时即终止，地层吃浆（即对地层灌浆）过程也即同时结束，此时向孔内灌入再多的水泥浆，地层孔隙也不再吸收而只能伴随气体逸出的同时流出孔外。之后对地层的灌浆压力（或相当于岩石灌浆的屛浆保压过程）仅仅是孔内浆柱静压力，只要孔内保持浆液流出，则孔内相应的灌浆压力即维持在浆柱静压水平，与返出浆液流量的大小无关。也就是说，孔口返出的浆液越多则水泥的浪费就越大。

虽然目前还缺乏足够的试验数据支持，根据多年经验和数十项工程实践以及对GIN理论和实践的分析探索，笔者坚持认为：在忽略地下水影响的前提下，依据地质条件、孔口返出的混合浆液质量和流量，确定并动态控制高喷灌浆的提升速度，是客观合理也是更为科学的方法。