高壓噴射注漿法在廣州港新沙港區(qū)的應用

曲長武，喻浪，李廣森

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

高壓噴射注漿法是20世紀70年代發(fā)展起來的一項土體加固技術。在日本稱為CCP工法（Chemical Churning Pile or Pattern），意思是化學攪拌成型法，相當于我國的土中旋轉噴射樁加固法。高壓噴射注漿法可用于既有建筑和新建建筑地基加固，深基坑、船塢、地鐵等工程的土層加固或防水。適用于處理淤泥、淤泥質土、粉土、砂土、黃土、素填土、碎石土、流塑、軟塑或可塑黏性土等地基。高壓噴射注漿法分旋噴、定噴和擺噴三種類型，根據(jù)工程地質條件和現(xiàn)場情況選用。廣州港新沙港區(qū)2～3號泊位后方地基改良及港池浚深工程地下水位受潮水影響變動較大，根據(jù)碼頭現(xiàn)場情況和旋噴樁設計尺寸，后方地基改良采用旋轉噴射（簡稱旋噴）法施工。

1 工程概況

廣州港新沙港區(qū)2～3號泊位后方地基改良及港池浚深工程位于廣州港新沙港區(qū)，原碼頭主體結構為直腹式格形鋼板樁結構，主格倉直徑21 m，碼頭前沿設計底標高-12.5 m，碼頭面頂高程4.40 m。按照設計要求對碼頭2號泊位及部分3號泊位共351 m長度岸線范圍內的港池底標高由-12.50 m浚深至-13.50 m，以滿足10萬噸級散貨船在限定條件下的安全靠泊作業(yè)。碼頭浚深至-13.5 m后，為保證格型鋼板樁碼頭整體抗剪穩(wěn)定性，對碼頭主格倉墻體后沿15 m范圍內回填砂采用旋噴法進行地基改良處理，旋噴樁樁身強度不小于1.5 MPa，同時碼頭前沿岸線后30 m范圍內均布荷載限載20 kN/m2，以滿足港池浚深后碼頭主體結構的安全使用要求。碼頭設計斷面見圖1。

2 地質情況

后方陸域施工區(qū)域主要為格型鋼板樁后方回填砂，根據(jù)工程地質資料，縱斷面由上而下主要為約0.3 m厚砂混碎石層（內摩擦角φ=30.5°）；約14 m厚中粗砂（內摩擦角φ=27.5°）及細砂（內摩擦角φ=26°）；約1.5 m厚淤泥質土（內摩擦角φ=18°）以及下層為中、粗、礫砂（內摩擦角 φ =35°）。

碼頭結構格型鋼板樁后方陸域施工區(qū)域全部為吹填砂，地下水位受潮水影響變動較大，給施工帶來一定困難。

圖1 碼頭設計斷面圖

3 工程施工特點分析

3.1 施工方案的選定

本工程施工區(qū)域全部為格型鋼板樁后方回填砂，地下水位受潮水影響變動較大，根據(jù)碼頭現(xiàn)場情況和旋噴樁設計尺寸，選用三重管法旋噴樁施工。

3.2 工程質量及工期要求

本工程為改造項目，總工期100 d，由于受碼頭生產需要的影響，場地需分兩次提交給施工單位。為滿足碼頭在施工期間的抗剪切穩(wěn)定性，需要分區(qū)分階段跳躍施工。共分為39個區(qū)，每區(qū)長度9 m，分三階段施工，每區(qū)旋噴樁達到7 d齡期后方可開始相鄰區(qū)域施工；在旋噴樁完工達到設計強度后方可進行碼頭前沿線46 m范圍內的港池挖泥。

為滿足該工程工期要求，需要充分利用施工作業(yè)面，并配置充足的人員、機械設備進行周密的策劃，合理組織，確保工程在保證安全、質量的前提下按期完工。

3.3 旋噴樁質量控制

旋噴樁施工質量控制是本工程的重點和關鍵點。旋噴樁施工采用三重管法，單樁加固直徑為1 500 mm，樁間距1 500 mm，最大樁長11.0 m，樁身強度要求7 d齡期無側限抗壓強度≥0.8 MPa，28 d無側限抗壓強度≥1.5 MPa。灌筑水泥漿的水灰比0.8∶1，采用強度等級不小于P.C 32.5級復合硅酸鹽水泥。由于樁徑較大，在施工過程中必須嚴格控制漿液水灰比、提升速率、灌漿壓力等技術參數(shù)，這些參數(shù)的選擇需要經過工藝試驗確定。

3.4 旋噴樁施工對混凝土面板的影響

旋噴樁施工范圍為長351 m，寬15 m，約5 265 m2，為滿足碼頭施工生產要求，不能對碼頭面板大面積揭開施工，僅在每根樁樁位鉆取直徑130 mm的圓孔進行鉆機鉆進噴漿，受噴漿及施工壓力的影響，有可能使碼頭面板產生隆起。且在施工區(qū)域內存在一條寬7 m、貫穿1～2號泊位的皮帶機廊道。廊道部分基礎為20個3.0 m×3.0 m×1.3 m的條形基礎，在旋噴樁施工時，對基礎擾動大，對皮帶機廊道影響大。

4 旋噴樁工藝試驗

為保證工程質量進行二組三重管法旋噴樁施工工藝試驗。

4.1 第一組工藝試驗

第一組工藝試驗采取水泥用量、膨脹土、用水量、每延米水泥漿用量、噴漿壓力、空壓機壓力、鉆頭旋轉速度相同，改變硅酸鈉用量、噴水壓力、鉆頭提升速度、每延米提升耗時、漿液流量等參數(shù)。見表1。

表1 旋噴樁工藝試驗參數(shù)表

在第一組第一根旋噴樁試驗中，由于硅酸鈉摻量較少，鉆頭提升速度過快，每延米提升耗時短，加上地下海水隨潮汐影響，沒有形成旋噴樁。當加大硅酸鈉摻量，減慢鉆頭提升速度，延長每延米提升耗時時間時，第一組第二根旋噴樁雖然能夠形成，但是旋噴樁的強度太低，達不到設計要求。

4.2 第二組工藝試驗

第二組旋噴樁施工工藝試驗采取提高膠凝材料，水泥摻量由原來的500 kg/m3提高到650 kg/m3，膨脹土增加15 kg/m3。水灰比由原來的1.5降低到0.8。在第二組試驗中，水泥用量、膨脹土、硅酸鈉、用水量、每延米水泥漿用量、噴漿壓力、空壓機壓力、鉆頭旋轉速度相同，改變噴水壓力、鉆頭提升速度、每延米提升耗時、漿液流量等參數(shù)，進行了兩根旋噴樁試驗，具體參數(shù)見表1。

在第二組旋噴樁工藝試驗中，第二根旋噴樁由于鉆頭提升速度小于第一根樁，每延米提升耗時大于第一根樁，漿液流量小，在鉆芯取樣中，芯樣的密實度大于第一根樁，而且強度高，旋噴樁樁身滿足28 d無側限抗壓強度≥1.5 MPa的設計要求，確定采用第二組第二根樁的施工工藝參數(shù)進行施工。

5 旋噴樁施工

5.1 施工準備

5.1.1 施工用電用水

根據(jù)工藝試驗結果和施工現(xiàn)場情況，施工用水、用電利用業(yè)主提供施工用水、用電接駁口。業(yè)主提供的用水量及用電量均可以滿足現(xiàn)場施工要求。

5.1.2 原材料的檢測及進場存儲

施工所用的水泥強度等級為袋裝P.C 32.5級復合硅酸鹽水泥。水泥要新鮮無結塊，每批次進場水泥必須具有產品合格證和出廠檢驗報告，進場后按每200 t為一批次進行復檢。水泥進場后儲存采用覆蓋一層氈布對其進行嚴密遮蓋，防止淋雨或受潮。

5.1.3 施工機械

施工機械主要采用三重管旋噴樁機1臺，設備進場后，對其進行調試、檢驗。設備處于良好的工作狀態(tài)，可保證其能正常進行施工，機械配備見表2。

表2 施工機械配置

5.2 施工工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場情況和采用三重管法的施工工藝，其施工工藝流程如圖2。

5.3 主要施工方法

由于碼頭上面有400 mm厚的鋼筋混凝土面板，在旋噴樁施工時，為預防鋼筋混凝土面板隆起，將對每根樁對應面板開孔個數(shù)多加2個孔，且將碼頭側混凝土面板掀開一條寬1.5 m，長351 m混凝土面板，防止混凝土面板隆起，并可以有效減少旋噴樁對碼頭的法向應力。

在皮帶機廊道條形基礎處周圍先進行壓漿施工，待水泥漿固結，達到強度的70%后（7 d），再進行條形基礎外圍的旋噴樁施工，以保證皮帶機廊道的安全使用。

5.3.1 面板開孔

在場地清理完畢后，根據(jù)現(xiàn)場情況，選取4根具有代表性樁位，面板開孔后，即可以進行樁機定位。

5.3.2 修建排污和水泥漿拌制系統(tǒng)

旋噴樁施工過程中將會產生10%～20%的返漿量，將廢漿液引入沉淀池中，沉淀后的清水根據(jù)場地條件可進行無公害排放。沉淀的泥土清場運走。沉淀和排污統(tǒng)一納入全場污水處理系統(tǒng)。

水泥漿拌制系統(tǒng)主要設置在存儲水泥附近，便于作業(yè)。主要由水泥漿拌制設備、水泥漿儲存設備、水泥漿輸送設備組成。

5.3.3 鉆機就位

采用XY-1型地質鉆機進行鉆孔。鉆機就位后，對樁機進行調平、對中，調整樁機的垂直度，保證鉆桿與樁位一致，偏差在10 mm以內，鉆孔垂直度誤差小于0.3%。造孔前應調試空壓機、泥漿泵，使設備運轉正常。校驗鉆桿長度，并用紅油漆在鉆塔旁標注深度線，保證孔底標高滿足設計深度。

5.3.4 鉆機成孔

鉆機施工前，首先在地面進行試噴，在鉆孔機械試運轉正常后，開始引孔鉆進。鉆孔過程中詳細記錄鉆桿節(jié)數(shù)，保證鉆孔深度的準確性。鉆進過程中，遇到異常情況及時查明原因，并及時采取相應措施。對地層變化、顆粒大小不一和硬度變化等情況詳細記錄。鉆孔結束后，由技術人員進行質量檢查，合格后移位至下個孔鉆進。

5.3.5 制備水泥漿

水泥漿液制備根據(jù)工藝試驗結果進行。漿液采用高速攪拌機攪拌，必須連續(xù)均勻，攪拌時間不小于30 s，一次攪拌使用時間控制在4 h以內。在制漿過程中隨時測量漿液密度，每孔高壓旋噴灌漿結束后統(tǒng)計該孔的材料用量。

5.3.6 拔出巖芯管、插入注漿管

鉆機鉆孔達到深度要求后，拔出鉆桿，移開鉆機，高噴臺車就位，將噴射管插入預定深度。在插管過程中，為防止泥砂堵塞噴嘴，可邊射水邊插管，水壓力一般不超過1 MPa。如壓力過高，則容易將孔壁射塌。將高噴臺車移至成孔前，先在地面進行漿、氣試噴，檢查各項工藝參數(shù)符合設計要求后將噴射管下至設計深度，經現(xiàn)場質檢人員檢查認可后方可進行高噴灌漿施工。噴射過程中如遇特殊情況，如漿壓過高或噴嘴堵塞等，應將噴射管提出地面進行處理。

5.3.7 旋噴提升

當噴射注漿管插入設計深度后，接通泥漿泵，由下向上旋噴，同時將泥漿清理排出。噴射時，先應達到預定的噴射壓力、噴漿后再逐漸提升旋噴管，以防扭斷旋噴管。為保證樁底端的質量，噴嘴下沉到設計深度時，在原位置旋轉10 s左右，待孔口冒漿正常后再旋噴提升。鉆桿的旋轉和提升應連續(xù)進行，不得中斷。鉆機發(fā)生故障，應停止提升鉆桿和旋轉，以防斷樁，并立即檢修排除故障。為提高樁底端質量，在樁底部1.0 m范圍內應適當增加鉆桿噴漿旋噴時間。在旋噴提升過程中，可根據(jù)不同的土層，及時調整鉆桿旋噴參數(shù)。

5.3.8 回灌

旋噴結束后，隨即在噴射孔內進行靜壓充填灌漿，直到漿面不再下沉為止，保證噴漿固結后樁頂標高滿足設計要求。

5.3.9 鉆機移位

旋噴提升到設計樁頂標高時停止旋噴，提升鉆頭出孔口，清洗注漿泵及輸送管道，鉆機移位。

5.3.10 面板修復

旋噴樁完成達到一定強度以后，采用微膨脹C30混凝土對面板進行修復。

6 施工質量檢測

6.1 質量控制

旋噴樁質量檢驗項目根據(jù)設計和JTS 257—2008《水運工程質量檢驗標準》規(guī)范的要求進行。具體項目有：水泥及外加劑的品種和質量、水泥漿的水灰比、旋噴樁施工的程序、壓力、注漿量、提升速度及旋轉速度和旋噴樁允許的偏差，如表3。

表3 旋噴樁允許偏差檢驗表

6.2 檢測結果

本工程高壓旋噴樁共2 508根，使用的P.C 32.5級復合硅酸鹽水泥、膨脹土、硅酸鈉經檢驗全部合格；水泥漿的水灰比控制在0.8；旋噴樁施工的程序、壓力、注漿量、提升速度及旋轉速度等均符合施工工藝參數(shù)的要求。

高壓旋噴樁無側限抗壓強度的檢測，采取在每根樁身鉆取兩個孔，每個孔上、中、下部各取水泥土芯樣試件一組，然后取平均值計算每根樁的強度。共抽芯檢驗27根樁，檢測結果為：最大無側限抗壓強度為9.70 MPa、最小無側限抗壓強度為1.50 MPa、平均強度為5.26 MPa、均方差為2.25 MPa，均滿足28 d不小于1.5 MPa的設計要求。

6.3 施工注意事項

1） 施工前，要求檢查旋噴管的高壓水與空氣噴射情況，各部位密封圈是否封閉，合格后方可噴射漿液。

2） 施工時，對高壓泥漿泵要全面檢查和清洗干凈，防止泵體的殘渣和鐵屑存在；各密封圈應完整無泄漏，安全閥中的安全銷要進行試壓檢驗，確保能在額定最高壓力時安全施工；壓力表應定期檢查，保證正常使用，一旦發(fā)生故障，要停泵停機排除故障。

3） 噴射時，高壓膠管不能超過壓力范圍使用，使用時屈彎應不小于規(guī)定的彎曲半徑，防止高壓管爆裂傷人。應達到預定的噴射壓力、噴漿量后再逐漸提升注漿管。

4） 高壓旋噴注漿是在高壓下進行，高壓射流的破壞力較強，漿液應過濾，使顆粒不大于噴嘴直徑；高壓泵必須有安全裝置，當超過允許泵壓時，應能自動停止工作；因故需較長時間中斷旋噴時，應及時用清水沖洗輸送漿液系統(tǒng)，防止水泥漿凝固在管路內。

5）旋噴過程中，冒漿量控制在10%～25%之間。

6） 高壓噴射注漿完畢后，應迅速拔出噴射管。施工中做好泥漿處理，及時將泥漿運出。

7 結語

該工程為國內第一個格形鋼板樁結構碼頭的升級改造工程，由原來的3.5萬噸級散貨碼頭改造升級為10萬噸級散貨碼頭。該工程自立項以來多次經國內水運工程專家的技術論證和技術支持，確定了該工程在不破壞碼頭結構面、保證碼頭正常生產的情況下，對后方地基采用三重管法旋噴樁加固、港池水深浚深至-13.5 m的施工方案。

施工中克服了施工場地狹窄、施工環(huán)境差、工期緊等困難，積極配合，主動避讓與碼頭生產的沖突。使得樁徑為1.5 m，樁間距為1.5 m，共19 749 m的高壓旋噴樁，施工歷時93 d，提前7 d完成。另一方面，采用全站儀、水準儀和銦瓦尺對碼頭的胸墻、軌道梁、皮帶機廊柱、電纜隧道、后方處理地面進行水平位移和沉降觀測。工程從開始到竣工共監(jiān)測140個點，監(jiān)測結果顯示各部位位移和沉降變形值均較小，變形累計值和變形速率均符合相關規(guī)范規(guī)定和設計要求。

［1］ DBJ 15-38—2005，建筑地基處理技術規(guī)范［S］.

［2］ JTS 257—2008，水運工程質量檢驗標準［S］.

［3］ JTJ 268—1996，水運工程混凝土施工規(guī)范［S］.