CN110042854B - 超高压角域变速射流注浆方法及帷幕墙 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高压角域变速射流注浆方法及帷幕墙，确定固结区域，所述固结区域的宽度变化值小于设定阈值；将所述固结区域在长度方向上划分为N个注浆段，其中第i注浆段的长度为注浆管的喷射距离的二倍；对所述固结区域进行由低到高的注浆操作；其中，针对第i注浆段进行注浆时，将所述注浆管设置在第i注浆段的中心轴线处一边旋转喷浆一边提升，根据所述注浆管的出浆口与第i注浆段边缘的距离控制所述注浆管的旋转速度，所述出浆口与边缘距离越大所述注浆管的旋转速度越低。采用本发明提供的一种超高压角域变速喷射方法，既解决了旋喷材料浪费的问题，又可保证墙体厚度基本均匀。

Description

超高压角域变速射流注浆方法及帷幕墙

技术领域

本发明主要应用于水利基础工程设施技术领域，具体地，涉及一种超高压角域变速射流注浆方法及帷幕墙。

背景技术

地下隔水防渗帷幕是建筑、国防、矿山、铁路、公路、水利生产中基坑防水、污染物填埋坑防泄露、坝基防漏、帷幕截渗减排、逆作法地基基础等施工中常见的施工工艺。目前国内外地下隔水防渗帷幕施工工艺主要有混凝土地下连续墙、高压或超高压射流注浆地下连续墙、桩基地下连续墙以及注浆帷幕等几种施工工艺。高压或超高压射流注浆是指利用工程钻机将注浆管及喷头送至设计钻孔深度，通过高压泵使固化浆液(一般使用水泥浆液)加压后，从特制的喷嘴中高速喷射出来，形成高速射流，边旋转边提升，实现对某一区间的地下土体结构进行连续性高强度切割破坏、混合搅拌、升扬置换、渗透固结、压密等作用，从而在地下形成一定影响范围和形状的固结体，多个固结体搭接即可形成地下隔水防渗帷幕。

在现有技术中，在影响范围方面，采用性能优良的设备在质地相同的土层中进行注浆时，注浆压力为主要影响因素，一般压力越大，射流速度越高，浆液对土体的切割范围也越远。在固结体形状方面，喷射流移动方向为主要影响因素，多见旋转喷射，定向喷射和摆动喷射三种形式。其中，旋转喷射施工时，见图1-a，喷嘴一边喷射一边旋转并提升，固结体呈圆柱状1a；定向喷射施工时，见图1-b，喷嘴一边喷射一边提升，喷射方向固定不变，固结体形如壁状1b；摆动喷射施工时，见图1-c，喷嘴一边喷射一边提升，喷射的方向呈较小角度来回摆动，固结体形如翼状1c。相比较而言，在桩间距相等，喷射范围相同的条件下，定向喷射较其他两种喷射方式最节省材料，但墙体厚度由桩心至喷射半径处极不均匀，工程质量难以保证；旋转喷射较其他两种方式厚度最大，工程质量最佳，但材料浪费较严重，成本较高；摆动喷射相比之下，较定向喷射在墙体厚度的均匀性方面有所改善，提高了工程质量，同时较旋转喷射节省材料，降低了工程成本。因此，采用高压射流进行地下隔水防渗帷幕施工多采用摆动喷射工艺，而采用摆喷工艺虽然较旋喷节省材料，但在桩心轴部仍会产生较薄墙体，无法满足强度及挡水防渗要求。

发明内容

本发明实施例旨在提供一种超高压角域变速射流注浆方法及帷幕墙，以解决现有技术中旋喷材料浪费的技术问题同时能够保证得到的墙体厚度均匀。

为此，本发明提供一种超高压角域变速射流注浆方法，包括如下步骤：

区域选择步骤：确定固结区域，所述固结区域的宽度变化值小于设定阈值；

区域划分步骤：将所述固结区域在长度方向上划分为N个注浆段，其中第i注浆段的长度为注浆管的喷射距离的二倍，i为整数且1≤i≤N；

注浆步骤：对所述固结区域进行由低到高的注浆操作；其中，针对第i注浆段进行注浆时，将所述注浆管设置在第i注浆段的中心轴线处一边旋转喷浆一边提升，根据所述注浆管的出浆口与第i注浆段边缘的距离控制所述注浆管的旋转速度，所述出浆口与边缘距离越大所述注浆管的旋转速度越低。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述区域选择步骤中，所述固结区域为多个连续的椭圆柱结构，其中相邻两个所述椭圆柱部分重叠；所述区域划分步骤中，将所述固结区域中两个相邻的椭圆柱划分为一个注浆段。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述区域选择步骤中，相邻两个所述椭圆柱按如下方式重叠：其中一个椭圆柱的第一侧焦点与另一个椭圆柱的第二侧焦点重合。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述区域选择步骤中：多个所述椭圆柱的横截面的形状和尺寸均相同。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述注浆步骤中，通过如下方式控制所述注浆管的旋转速度：

其中，k为经验系数，a为椭圆柱横截面的长半轴的长度，b为椭圆柱横截面的短半轴的长度，θ为所述注浆管出浆口的喷射方向与所述长半轴方向的夹角,abs表示取绝对值。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述注浆步骤中：通过如下方式得到所述经验系数k的值：

在所述固结区域的边缘上任意选择两个或两个以上测试点；

根据所述注浆口与每一所述测试点的距离和所述注浆管的旋转速度确定所述经验系数k的值。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述注浆步骤中：

所述测试点为两个，其中一个测试点位于与所述注浆管距离最远的边缘点，另一个测试点位于与所述注浆管距离最近的边缘点。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，在所述区域划分步骤和所述注浆步骤之间还包括铺设防渗膜的步骤。

可选地，上述的超高压角域变速射流注浆方法中，所述铺设防渗膜的步骤中：所述防渗膜贴合所述固结区域的内壁设置。

本发明还提供一种利用以上所述的超高压角域变速射流注浆方法施工得到的帷幕墙。

与现有技术相比，本发明实施例提供的上述技术方案至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的超高压角域变速射流注浆方法，确定固结区域，所述固结区域的宽度变化值小于设定阈值；将所述固结区域在长度方向上划分为N个注浆段，其中第i注浆段的长度为注浆管的喷射距离的二倍；依次对每一注浆段进行由低到高的注浆操作；其中，针对第i注浆段进行注浆时，将所述注浆管设置在第i注浆段的中心轴线处一边旋转喷浆一边提升，根据所述注浆管的出浆口与第i注浆段边缘的距离控制所述注浆管的旋转速度，所述出浆口与边缘距离越大所述注浆管的旋转速度越低。采用本发明提供的一种超高压角域变速喷射方法，既解决了旋喷材料浪费的问题，又可保证墙体厚度基本均匀。

附图说明

图1-a为现有技术中旋喷方法得到的帷幕墙体结构图；

图1-b为现有技术中定喷方法得到的帷幕墙体结构图；

图1-c为现有技术中摆喷方法得到的帷幕墙体结构图；

图2为本发明一个实施例所述超高压角域变速射流注浆方法的工艺流程图；

图3为本发明一个实施例所述椭圆柱状固结区域的横截面的示意图；

图4为本发明一个实施例所述对椭圆柱状固结区域进行注浆的施工次序图；

图5为利用本发明实施例所述超高压角域变速射流注浆方法施工得到的帷幕墙结构图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种超高压角域变速射流注浆方法，如图2所示，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，区域选择步骤：确定固结区域，所述固结区域的宽度变化值小于设定阈值。其中的固结区域，根据要施工得到帷幕墙的区域进行选取，具体地厚度可以根据帷幕墙需求进行选择，可以将帷幕墙体看作近似的长方体结构，其具有长、宽和高，根据固结区域的深度就可以确定帷幕墙体的高度，根据固结区域的宽度就可以确定帷幕墙的宽度，根据固结区域的长度就可以确定帷幕墙的长度。对于帷幕墙来说，其宽度需要能够满足防渗需求同时还尽可能节约物料，因此如果帷幕墙要求其厚度为0.5米，那么帷幕墙的整体宽度都是0.5米是最好的。由于施工误差的存在，固结区域的宽度方向上可能会存在些许的不同，但是其宽度上的变化值应该在一定的范围内，例如0.05米，从而确保最后得到的帷幕墙宽度的均匀性。

步骤二，区域划分步骤：将所述固结区域在长度方向上划分为N个注浆段，其中第i注浆段的长度为注浆管的喷射距离的二倍，i为整数且1≤i≤N；本步骤中，将较长的固结区域进行划分，实施分段注浆的方式，因为注浆管的浆液喷射范围是有限度的，因此以注浆管的喷射距离的二倍作为注浆段的长度，能够确保注浆管置于注浆段中心时，注浆管的喷射范围完全覆盖了注浆段的长度范围。

步骤三，注浆步骤：对所述固结区域进行由低到高的注浆操作；其中，针对第i注浆段进行注浆时，将所述注浆管设置在第i注浆段的中心轴线处一边旋转喷浆一边提升，根据所述注浆管的出浆口与第i注浆段边缘的距离控制所述注浆管的旋转速度，所述出浆口与边缘距离越大所述注浆管的旋转速度越低。其中注浆管的提升方式和现有技术相同，从注浆段的底部缓慢向上提升，在提升过程中注浆管旋转喷浆。可以理解的是，注浆管的安装方法可采用现有技术实现，本步骤中不再对其详细描述。根据国内外研究现状，在影响范围方面，采用性能优良的设备在质地相同的土层种进行注浆时，注浆压力为主要影响因素，一般压力越大，射流速度越高，浆液对土体的切割范围也越远。目前，国内多为高压射流注浆工艺，其注浆压力普遍在20-30MPa，采用三重管注浆的影响半径约0.8-2.0m。而以日本、意大利为主的国外超高压射流注浆的注浆压力可达到40MPa，其三重管注浆影响半径约2-2.5m。

本实施例中，超高压射流注浆的固结体成形范围除与射流压力、喷嘴形状大小等有关以外，在一定时间段内与喷嘴在对局部点的喷射停留时间成正比，即喷嘴在一个点的停留时间越长，其影响半径越大。基于上述原理，本实施例中所述出浆口与边缘距离越大所述注浆管的旋转速度越低，最后可形成近似于板状的地下注浆固结体连续墙。

实施例2

本实施例提供的超高压角域变速射流注浆方法，在实施例1所述方案的基础上有如下改进：

在步骤一的所述区域选择步骤中，参考图3，所述固结区域为多个连续的椭圆柱301结构，其中相邻两个所述椭圆柱301部分重叠；在步骤二的所述区域划分步骤中，将所述固结区域中两个相邻的椭圆柱301划分为一个注浆段。优选地，如图所示，相邻两个所述椭圆柱301按如下方式重叠：其中一个椭圆柱的第一侧焦点与另一个椭圆柱的第二侧焦点重合。图3中重合点302即同时位于左侧椭圆柱的右侧焦点上和右侧椭圆柱的左侧焦点上。以上方案中，不同的椭圆柱的结构可以相同也可以不同，优选多个所述椭圆柱的横截面的形状和尺寸均相同。即便是多个椭圆柱的尺寸略有不同也仍然符合步骤一种所提出的宽度方向上的变化值小于设定阈值的要求。

本实施例中，当采用图3所示的注浆段结构时，在步骤三中的所述注浆步骤中，通过如下方式控制所述注浆管的旋转速度：

其中，k为经验系数，a为椭圆柱横截面的长半轴的长度，b为椭圆柱横截面的短半轴的长度，c为椭圆柱横截面的焦距，θ为所述注浆管出浆口的喷射方向与所述长半轴方向的夹角,abs表示取绝对值。下面以图3中所示的尺寸对注浆过程中注浆管旋转速度的控制方式进行详细说明。设超高压三重管射流注浆的正常旋转角速度为1的条件下固结体半径可达2米，因此如图3所示(请注意其为横截面的示意图)，选择注浆段中单个椭圆长半轴a＝1m，短半轴b＝0.4m，根据椭圆第一定义，椭圆柱焦距计算公式为：

椭圆柱的离心率e＝c/a＝0.9165 式2

将注浆管中心放入相邻两个椭圆柱的焦点重合点302的位置处，并将该重合点302置于一个极坐标系的原点，椭圆的长轴放于θ＝0的正方向上，根据椭圆第二定义，可得到椭圆位于重合点处的极坐标方程为：

r＝b²/(a-c cosθ)＝(0.4^2)/(1-0.9165*1*cosθ) 式3

依前所述，r与旋转角速度v成反比，即：

r＝k/v k为经验系数式4

将式4代入式3，得到旋转角速度v与角域θ的关系为：

k/v＝0.16/(1-0.9165cosθ) 式5

即v＝6.25k(1-0.9165cosθ) 式6

考虑到喷射形状在重合点处为中心对称图形，因此上式可写为

v＝6.25k(1-0.9165abs(cosθ)) 式7

以上方案中，经验系数k可通过试验的方式得到，具体地，通过如下方式得到所述经验系数k的值：

(1)在所述固结区域的边缘上任意选择两个或两个以上测试点；所述测试点为两个，其中一个测试点位于与所述注浆管距离最远的边缘点，另一个测试点位于与所述注浆管距离最近的边缘点。

(2)根据所述注浆口与每一所述测试点的距离和所述注浆管的旋转速度确定所述经验系数k的值。

具体地，以椭圆柱拼接的固结区域为例进行说明，当注浆管位于在椭圆柱的焦点上时，其与椭圆形边缘的距离最远应该是a+c，最近应该是a-c，而最远测试点处的极坐标r1和最近测试点处的极坐标r2根据公式3计算可得。在具体试验过程中，能够通过观察确定在最远的测试点时如果需要完成注浆操作需要令注浆管的旋转速度为V1，同样的能够确定在最近的测试点时如果需要完成注浆操作需要令注浆管的旋转速度为V2。结合公式4，可以得到r1＝k/v1，r2＝k/v2，由此可以得到两个测试点处的经验系数k值，为了能够获得较高精度，可以将两个公式得到的k值进行求平均值的操作。

具体在施工时，沿着一个方向依次序进行往复式注浆施工，相邻两个注浆段的中心轴线之间的距离为3.66米。与以往的技术相比较，超高压射流角域变速喷射工艺不仅较好地解决了定喷及摆喷在注浆管所在位置处会产生较薄墙体的难题，墙体厚度基本均匀，在满足了隔水防渗帷幕强度及挡水防渗要求同时，提高了超高压射流注浆的施工效率，节省成本。

另外，作为另一种优选的技术方案，以上方案中在所述区域划分步骤和所述注浆步骤之间还包括铺设防渗膜的步骤，所述防渗膜贴合所述固结区域的内壁设置。由此能够进一步提高帷幕墙的防渗效果。

实施例3

本实施例提供一种采用上述实施例中的超高压角域变速射流注浆方法施工得到的帷幕墙，参考图5，采用本发明实施例中的注浆方法施工得到的帷幕墙5。将图5所示的帷幕墙与图1-a、1-b和1-c中的帷幕墙进行比较，可以看出，本发明实施例中得到的帷幕墙在注浆管所在位置的墙体厚度与周围墙体厚度相差更小，墙体厚度基本均匀，且最大程度地节约了物料。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种超高压角域变速射流注浆方法，其特征在于，包括如下步骤：

区域选择步骤：确定固结区域，所述固结区域的宽度变化值小于设定阈值；所述固结区域为多个连续的椭圆柱结构，其中相邻两个所述椭圆柱部分重叠；

区域划分步骤：将所述固结区域在长度方向上划分为N个注浆段，其中第i注浆段的长度为注浆管的喷射距离的二倍，i为整数且1≤i≤N；将所述固结区域中两个相邻的椭圆柱划分为一个注浆段；相邻两个所述椭圆柱按如下方式重叠：其中一个椭圆柱的第一侧焦点与另一个椭圆柱的第二侧焦点重合，且多个所述椭圆柱的横截面的形状和尺寸均相同；

注浆步骤：对所述固结区域进行由低到高的注浆操作；其中，针对第i注浆段进行注浆时，将所述注浆管设置在第i注浆段的中心轴线处一边旋转喷浆一边提升，根据所述注浆管的出浆口与第i注浆段边缘的距离控制所述注浆管的旋转速度，所述出浆口与边缘距离越大所述注浆管的旋转速度越低；通过如下方式控制所述注浆管的旋转速度：

其中，k为经验系数，a为椭圆柱横截面的长半轴的长度，b为椭圆柱横截面的短半轴的长度，θ为注浆管出浆口的喷射方向与所述长半轴方向的夹角,abs表示取绝对值；

通过如下方式得到所述经验系数k的值：

在所述固结区域的边缘上任意选择两个或两个以上测试点；

根据注浆口与每一所述测试点的距离和所述注浆管的旋转速度确定所述经验系数k的值；所述测试点为两个，其中一个测试点位于与所述注浆管距离最远的边缘点，另一个测试点位于与所述注浆管距离最近的边缘点。

2.根据权利要求1所述的超高压角域变速射流注浆方法，其特征在于：

在所述区域划分步骤和所述注浆步骤之间还包括铺设防渗膜的步骤。

3.根据权利要求2所述的超高压角域变速射流注浆方法，其特征在于，所述铺设防渗膜的步骤中：

所述防渗膜贴合所述固结区域的内壁设置。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述的超高压角域变速射流注浆方法施工得到的帷幕墙。

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