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袖阀管注浆的原理与应用

作者:王明珉     2023年4月16日 22:23      转载请注明来自精益岩土网

袖阀管注浆(Grouting through Sleeve Pipes, 也被称为Tube a Manchette grouting method或者TAM Grouting,法语中Manchette是袖套的意思)。

袖阀管注浆(Grouting through Sleeve Pipes, 也被称为Tube a Manchette grouting method或者TAM Grouting,法语中Manchette是袖套的意思)。这种注浆方法是结合压密注浆、劈裂注浆等现代注浆理论发展出形成的一种地表垂直深层灌浆施工技术,可以通过较大的压力将浆液注入岩土层中。通过灌浆芯管上下的止浆塞可以实现分段分层灌浆。

袖阀管注浆原理

袖阀管注浆原理

袖阀管注浆可以根据施工需要选择连续灌浆或者跳段灌浆,使得松散的地层和较密实的地层均得到很好的灌浆加固效果。该方法避免了以往的灌浆工艺在松散地层和较密实地层同时注浆时,松散地层灌浆量大,较密实地层注不进浆的现象。

袖阀管灌浆法一般用于深度50m以内的地表灌浆,在地质情况比较复杂的情况下,该技术有很好的应用效果。

灌浆芯管具有上下两个止浆塞形成的止浆系统,能将浆液限定在灌浆区域的任一段范围内进行灌浆。止浆系统在光滑的TAM管内可自由移动,一般由下而上,达到分段灌浆的目的。可根据地层情况调整灌浆长度,选择连续或跳段灌浆,每个灌浆长度一般固定为30~50cm。

袖阀管注浆

袖阀管注浆

根据地层特点和项目需要,袖阀管可在某一段灌浆区域内反复灌浆,或在灌浆管内不同区域采用不同的灌浆材料,选用不同的灌浆压力进行灌浆。灌浆压力较小时,浆液扩散沿灌浆孔的水平方向多于垂直方向,可有效地压密土体;当灌浆压力较大时,浆液扩散沿灌浆孔的垂直方向多于水平方向,可在土体中产生劈裂效应。

根据各个区域不同地质水文条件特性,选择不同的灌浆参数和灌浆材料进行灌浆。灌浆施工一般可在粉质黏土、中细砂层、粗砂砾砂层、残积层和破碎带等不同地质构造中实施。不同地层的吸浆能力,以及浆液在地层中的扩散作用机理不尽相同,采用的灌浆材料和灌浆参数对灌浆效果有着决定性作用。

袖阀管注浆通常采用定压和定量双控指标,在确保注浆效果的同时控制地表隆起。注浆一般以压力控制为主,以每次注浆量和总注浆量为辅。注浆施工过程中应通过现场监测对注浆参数及浆液配方作进一步确定,根据现场实际情况做出适当调整,确保注浆效果。

袖阀管注浆(TAM灌浆工法)主要施工流程包括放样定位和钻孔(通常带套管),插入TAM管,拔出钻孔套管并灌注外皮浆,压力分段灌浆。由于有外皮浆的作用,TAM注浆时可以采取较大的灌浆压力,而发生冒浆和串浆的可能性较小。

袖阀管注浆(TAM灌浆工法)主要施工流程

袖阀管注浆(TAM灌浆工法)主要施工流程

袖阀管注浆施工时,浆液经过灌浆泵加压后进入灌浆芯管,聚集到TAM灌浆段,然后通过TAM管上的泄浆孔,在压力作用下将裹在泄浆孔外的橡胶圈张开,将外浆皮挤碎。当压力逐渐增大到一定程度,被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动。此时压力会回复到平衡状态,后续浆液在压力作用下,使得劈裂裂缝不断向外延伸,浆液在土体中形成固结体,从而达到增加地层强度,降低地层渗透性的目的。

袖阀管注浆通常采用临时套管护壁水冲法钻进成孔,临时套管外径一般约70mm~110mm。当用作基坑止水帷幕时,灌浆孔距一般在300mm~1000mm左右。为了减小钻孔间的相互影响,在现场施工时每隔一孔钻孔灌浆,待一半钻孔完成TAM外皮注浆之后,再对其之间的灌浆孔进行钻孔注浆,使得施工时相邻钻孔间距达两倍灌浆孔距。

德国宝峨钻孔注浆设备

德国宝峨钻孔注浆设备

钻孔完成后,应立即把TAM管(外径通常为48mm)沉放至钻孔底部。每节TAM管的长度一般是4m,相邻两节TAM管用PVC套管连接,采用PVC胶合剂将TAM管和连接套管粘牢。第一节TAM管下端头安装套头封堵。所有TAM管接驳完成后,需要注入清水,确保TAM管不会浮起。在TAM管插入钻孔后,将临时套管抽出,然后立即将已配置好的外皮浆灌入钻孔与TAM管之间的间隙中。TAM管泄浆孔外侧的橡胶套能够确保外皮浆液不会进入TAM管内部。外皮浆液一般采用膨润土、水泥和水按照1:10:20的比例配制。

TAM袖阀管

TAM袖阀管

TAM灌浆芯管可在TAM管内上下自由移动,其灌浆段上下有两个止浆塞,能将浆液限定在灌浆区域的任一段泄浆孔范围内进行灌浆。灌浆时,浆液从芯管的出浆孔流出,进入TAM管和上下两个止浆塞封闭的泄浆孔区域,在压力作用下,将TAM管外侧的橡胶圈顶起,将外皮浆挤碎,从而浆液被挤压到地层中。止浆系统可在光滑的TAM管内自由移动,从而可根据需要在灌浆区域内某一段反复灌浆。

袖阀管注浆的浆体扩散半径可由下式进行估算:

浆体扩散半径计算公式

浆体扩散半径计算公式

式中:

R——浆液在土体中的扩散半径(cm);

t——灌浆时间(s);

k——土体渗流系数,cm/s;

v——浆液的运动粘滞系数,cm/s;

h1——灌浆压力,MPa;

R0——TAM管半径,cm;

de——土体有效粒径,cm;

n——土体的孔隙率。

袖阀管灌浆时,灌浆设备应就近安装,管路总长度一般不超过50m,以防止压力损失。

外皮浆灌注完成24h后,可以在TAM管内插入灌浆芯管至预定灌浆段,自下而上分段进行帷幕灌浆。帷幕灌浆可采用两阶段灌浆。第一阶段采用膨润土-水泥灌浆(Bentonite-Cement Grout);第二阶段采用化学灌浆(Chemical Grout)。

每一阶段的灌浆均从灌浆孔底部开始进行灌注,然后逐节向上提升并进行加压灌注。每段灌浆长度为灌浆步距,灌浆步距一般取0.3~1.0m。对于砂层,灌浆步距宜选用低值;对于砂卵石或破碎岩层,灌浆步距宜选用高值。每步距灌浆量可根据下式确定:

每步距灌浆量计算公式

每步距灌浆量计算公式

式中,

Q——每步距灌浆量(m3);

R——浆液扩散半径(m);

L——灌浆步距(m);

n——土体孔隙率;

α——浆液在土体中的有效充填系数,一般为0.3~0.9;

β——灌浆损耗系数,一般为0.1~0.4。

袖阀管注浆时,每段注浆过程压力表会出现两次峰值。第一次峰值时间很短,说明外浆皮被挤碎,浆液进入到土体中。第二次峰值是由于浆液的注入,地层中的孔隙被填充,灌浆压力逐渐增大。

常见的浆液配比如下表所示:

每立方米膨润土水泥浆液的配比(仅供参考):

每立方米膨润土水泥浆液的配比

每立方米膨润土水泥浆液的配比

每立方米化学浆液的配比(仅供参考):

每立方米膨润土水泥浆液的配比

每立方米膨润土水泥浆液的配比

化学灌浆可根据地质条件,在淤泥、粉质黏土、全风化、中强风化、断层破碎带富水条件下采用普通水泥-水玻璃双液注浆,其作用机理主要表现为裂隙填充和劈裂作用;在砂层中可以采用超细水泥-水玻璃双液注浆,其作用机理主要表现为渗透作用。

水泥水玻璃双液注浆的胶凝时间可调,可减少地下水对浆液胶凝性能的影响,确保浆液在富水和动水条件下的胶凝固结。进行化学注浆前,必须在现场作配合比试验,以确定配合比的适用性。双液注浆的凝固时间一般控制在30s至60s内。

与其他注浆工法相比,袖阀管注浆可以实现分段、定量、间歇、重复注浆,能较好地控制注浆范围和注浆压力,且发生冒浆与串浆的可能性小。根据不同的工程需求和不同的地质条件,可以选择不同的注浆材料,调节浆液胶凝时间,有效控制浆液在地层中的扩散距离。当采用化学注浆或双液注浆时,能够确保地下流动水条件下浆液的胶凝固结,确保止水帷幕的整体连续性和有效的帷幕厚度,具有较好的灌浆效果及经济效益。

工程实例:

香港望后石污水厂深基坑工程在钢管桩墙外围采用TAM注浆法进行止水帷幕施工,以防止地下水涌入基坑。注浆孔中心与钢管桩墙中心之间的距离约300mm,每个注浆孔间距为800mm。所有灌浆孔深度均与钢管桩墙相同,并由灌浆孔底部灌至地面以下1m。

该项目场地时经填海形成的土体,地层中间夹有3~6m厚的海底冲积层,部分区域有淤泥层。止水帷幕采用普通水泥-水玻璃双液注浆形成,浆液扩散半径400mm,注浆步距330mm,化学浆液的凝固时间控制在45s~60s内。

每立方米膨润土水泥浆液的配比

每立方米膨润土水泥浆液的配比

参考资料:深基坑止水帷幕TAM管灌浆施工工法