高壓旋噴樁施工技術(shù)在軟路基處理中的應(yīng)用

秦美榮 上海鐵路局上海工務(wù)段

1 基本原理及設(shè)計(jì)要求

1.1 加固原理

高壓噴射注漿法是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液或水、（空氣）成為20～40 MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來(lái)，沖切、擾動(dòng)、破壞土體，同時(shí)鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個(gè)圓柱狀固結(jié)體（即旋噴樁），以達(dá)到加固地基或止水防滲的目的。

1.2 高壓旋噴樁的優(yōu)點(diǎn)與用途

高壓旋噴樁應(yīng)用范圍廣，施工簡(jiǎn)便，固結(jié)體形狀可以控制，設(shè)備簡(jiǎn)單、易于管理、無(wú)污染，料源充裕具有較好的耐久性，適用于永久性工程。高壓噴射注漿主要用途是加固與防滲透，由于其設(shè)備簡(jiǎn)單及施工方法獨(dú)特，目前普遍用于：提高地基承載力，減小沉降變形；既有建筑地基補(bǔ)強(qiáng)、基礎(chǔ)托換和扶正糾偏；土層旋噴錨桿；支擋防滲；固化流砂防止砂土液化。

1.3 設(shè)計(jì)要求

1.3.1 加固體直徑的確定

旋噴樁直徑與現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)、土體強(qiáng)度和噴射壓力、流量、提升速度和漿液稠度等諸多因素有關(guān)，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

1.3.2 布置形式

樁的平面布置形式需根據(jù)加固的目的給予考慮，分離布置的單樁可用于基礎(chǔ)的承重，排樁、板墻可用作防水帷幕，整體加固則常用于防止基坑底部的涌土或提高土體的穩(wěn)定性，水平封閉樁可用于形成地基中的水平隔水層。鐵路、公路路基基底一般采用梅花形加固地基的分離樁形式。樁間距一般采用1.2～1.5 m。公路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，相鄰樁凈距不應(yīng)大于4的倍樁徑。

1.3.3 設(shè)計(jì)承載力

（1）按樁身強(qiáng)度計(jì)算容許承載力。

式中［P］--樁的容許承載力（kN）；

a--樁體材料的強(qiáng)度折減系數(shù)，a=0.4～0.5；

［σ］--樁體材料 7 cm×7 cm×7 cm 試件的室內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度（kPa）；

A--樁的橫斷面積。

（2）按土體強(qiáng)度計(jì)算樁身容許承載力。

式中［P］--樁的容許承載力（kN）；

u--樁身截面周長(zhǎng)，按樁的直徑計(jì)算（ m）；

fi--各土層的容許摩阻力（kPa）；

li--各土層的厚度（m）；

A--樁底支承面積，按樁的直徑計(jì)算（ m）；

［R］--樁尖處的地基容許承載力（ kPa）。

（3）復(fù)合地基承載力。

式中Pcom--復(fù)合地基的容許承載力（ kPa）；

［P］--單樁承載力（ kPa）；

［R］--樁間土天然地基承載力（ kPa）；

Ae--一根樁分擔(dān)的荷載面積；

Ap--一根樁的斷面積；

A--天然地基承載力折減系數(shù)，當(dāng)不考慮樁間土作用時(shí)為0。

1.3.4 漿量計(jì)算

漿量計(jì)算有兩種方法，即體積法和噴量法，取大者作為設(shè)計(jì)噴射漿量。

體積法：

噴量法：

式中Q--需要的噴漿量（m3）；

De--旋噴固結(jié)體直徑（m）；

D0--注漿管直徑（m）；

K1--填充率，0.75～0.9；

h1--旋噴長(zhǎng)度（m）；

K2--未旋噴范圍土的填充率，0.5～0.75；

h2--未旋噴長(zhǎng)度（m）；

β--損失系數(shù)，0.1～0.2；

ν--提升速度（ m/min）；

H--噴射長(zhǎng)度（m）；

q--單位噴漿量（m3/m）。

根據(jù)計(jì)算所需的噴漿量和設(shè)計(jì)的水灰比，即可確定水泥的使用數(shù)量。

2 高壓旋噴樁的工藝流程

高壓旋噴所使用的噴射流共有三種：

（1）單管噴射流，單一的高壓水泥漿液噴射流；

（2）二重管噴射流，高壓漿液噴射流與其外部環(huán)繞的壓縮空氣流組成復(fù)合式高壓噴射流；

（3）三重管噴射流：它是一種漿液、水、氣噴射法。本文涉及的工程為三重管噴射注漿。

2.1 施工工藝順序

主要順序?yàn)椋浩秸麍?chǎng)地、工藝試樁、清除地下及空中障礙、測(cè)量放線、放樁位、施工旋噴樁、檢查補(bǔ)漏完成。

2.2 施工工藝流程

三管法工藝流程為：場(chǎng)地平整、機(jī)具就位、調(diào)整、鉆孔、插管、試噴、噴射注漿、成樁、拔管及沖洗等。

三重管旋噴樁機(jī)注漿施工示意參見(jiàn)圖1。

圖1 三重管旋噴注漿示意圖

2.3 推薦的主要施工技術(shù)參數(shù)

漿液壓力0.2～0.8 MPa，漿液比重1.60～1.80， 壓縮空氣壓力 0.5～0.8 MPa，高壓水壓力30～50 MPa。

2.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）正式開工前應(yīng)認(rèn)真作好試樁工作，確定合理的施工技術(shù)參數(shù)和漿液配比。

（2）旋噴過(guò)程中，冒漿量小于注漿量的20%為正?，F(xiàn)象，若超過(guò)20%或完全不冒漿時(shí)，應(yīng)查明原因，調(diào)整旋噴參數(shù)或改變噴嘴直徑。

（3）鉆桿旋轉(zhuǎn)和提升必須連續(xù)不中斷，拆卸接長(zhǎng)鉆桿或繼續(xù)旋噴時(shí)要保持鉆桿有10～20 cm的搭接長(zhǎng)度，避免出現(xiàn)斷樁。

（4）在旋噴過(guò)程中，如因機(jī)械出現(xiàn)故障中斷旋噴，應(yīng)重新鉆至樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，重新旋噴。

（5）制作漿液時(shí)，水灰比要按設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制，不得隨意改變。在旋噴過(guò)程中，應(yīng)防止泥漿沉淀，濃度降低。不得使用受潮或過(guò)期的水泥。漿液攪拌完畢后送至吸漿桶時(shí)，應(yīng)有篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾篩孔要小于噴嘴直徑1/2為宜。

（6）在旋噴過(guò)程中，若遇到孤石或大漂石，樁可適當(dāng)移動(dòng)位置（根據(jù)受力情況，必要時(shí)可加樁），避免畸形樁或斷樁。

（7）旋噴過(guò)程中，應(yīng)作好施工記錄。

2.5 質(zhì)量通病的處理

（1）不冒漿或冒漿量少。

通常原因是加固土層粒徑過(guò)大，孔隙較多，可采取以下措施：

①加大漿液濃度，可以從1.1加大到1.3左右繼續(xù)噴射。

②灌注粘土漿或加細(xì)砂、中砂，待孔隙填滿后再繼續(xù)正常噴射。

③在漿液中摻加骨料。

④加泥球封閉后繼續(xù)正常噴射。

⑤灌注水泥砂漿后，再將孔內(nèi)水泥漿置換成粘土漿，待孔隙填滿后繼續(xù)正常噴射。

（2）冒漿量過(guò)大。

通常是有效噴射范圍與噴漿量不適應(yīng)有關(guān)，可采取以下措施：

①提高噴射壓力。

②適當(dāng)縮小噴嘴直徑。

③適當(dāng)加快提升速度。由于冒漿量中含有地層顆粒和漿液的混合體，目前對(duì)冒漿中的水泥的分離回收尚無(wú)適宜方法，在施工中多采用過(guò)濾、沉淀、回收調(diào)整濃度后再利用。

（3）凹穴處理。

①在噴射灌漿完畢時(shí)，即連續(xù)或間斷地向噴射孔內(nèi)靜壓灌注漿液，直至孔內(nèi)混合液凝固不在下沉。

②在噴射灌漿完成后，向凝固體與其上部結(jié)構(gòu)之間的空隙進(jìn)行第二次靜壓灌漿，漿液的配比應(yīng)為不收縮且具有膨脹性的材料，如采用水泥、水和鋁粉為原料，則形成配比為 9.8∶6.9∶0.3 的漿液。

3 施工實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)條件

上海地鐵9號(hào)線南延伸段盾構(gòu)隧道下穿滬昆鐵路工程中，地貌形態(tài)位于瀉湖沼澤相與濱海平原相交匯地帶，地面標(biāo)高為3.56～4.51之間。盾構(gòu)穿越鐵路的標(biāo)高為-8.8～-14.2。工程沿線地基在48m深度范圍內(nèi)為第四紀(jì)松散沉淀物，主要由飽和粘性土、粉性土及砂土組成，一般具有成層分布的特點(diǎn)。由上而下發(fā)育土層主要為：

①1填土；②1灰黃～蘭灰色粉質(zhì)粘土；③1灰色淤泥粉質(zhì)粘土，層底標(biāo)高-5.01平均厚度5 m；④1灰色淤泥質(zhì)粘土、層底標(biāo)高為-11.2、平均厚度5.3m；⑤1-1灰色粘土、層底標(biāo)高-16.2、平均厚度4.8 m；⑤2t灰色粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粘土；⑤2灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土；⑤3灰色粉質(zhì)粘土；⑤4灰綠色粉質(zhì)粘土；⑦1灰綠～灰色砂粉土；⑦2草黃～灰色粉砂。

3.2 設(shè)計(jì)處理方案

該工程地質(zhì)較差，淤泥層較厚、地下水位較高，需進(jìn)行軟基處理。由于樁位靠近線路，為了抵抗鐵路線路的變形，二是保證注漿效果，設(shè)計(jì)采用三重管高壓咬合旋噴樁，旋噴樁加固區(qū)在鐵路路基外側(cè)1 m以外位置，由三排直徑為1.5 m的旋噴樁相互咬合形成，咬合量為0.2m；旋噴樁的深度為隧道底部以下3 m至地面，長(zhǎng)度為22.022m，樁總根數(shù)為60。

3.3 施工機(jī)械選型

因設(shè)計(jì)樁徑為1.5 m，根據(jù)同類工程的施工經(jīng)驗(yàn)，用三重管法施工能滿足設(shè)計(jì)要求，選定如下配套機(jī)械：武漢力學(xué)巖土工程機(jī)械廠生產(chǎn)的PH-5B型旋噴樁鉆機(jī)1臺(tái)，電機(jī)額定功率37 kW；天津高壓聚能泵廠生產(chǎn)的SNS-H300型高壓泵一臺(tái)，額定功率90kW，額定壓力35MPa；沈陽(yáng)水泵廠生產(chǎn)的BW-150型泥漿泵，電機(jī)額定功率3kW；高壓管路內(nèi)徑φ19mm，外徑φ34mm；主機(jī)鉆桿內(nèi)徑φ53mm，外徑φ76mm；鉆頭上設(shè)一φ2.8mm的噴嘴；主塔高度6.5m；主機(jī)是靠液壓撐腿調(diào)平，支撐導(dǎo)軌式行走，根據(jù)設(shè)備性能及地面至樁底深度，可一次性成孔。

3.4 施工參數(shù)

（1）固化劑。海螺牌普通硅酸鹽425#水泥，外摻劑：玻密度1.35水玻璃，每米樁長(zhǎng)水泥噴漿量為850 kg，水泥漿液水灰比W/C=1.0。

（2）鉆桿的轉(zhuǎn)速控制在10-25 r/min左右，提升速度為 0.05～0.25 m/min，高壓泵壓力控制在22～50 MPa，漿液壓力1.5～5 MPa。

3.5 施工效果

為評(píng)價(jià)與檢測(cè)加固效果，業(yè)主委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了抽芯檢測(cè)、樁頭開挖、單樁靜載荷試驗(yàn)和復(fù)合地基平板載荷試驗(yàn)。開挖檢測(cè)5個(gè)樁頭，開挖深度在1.5～2 m。經(jīng)測(cè)量和觀測(cè)，樁體垂直度良好，樁徑均大于1.5 m，樁土咬合密實(shí)，有利于承載。

各抽芯檢測(cè)孔所取得的樁芯均成長(zhǎng)柱狀，完整性較好，水泥土體膠結(jié)良好，取5樁20組樣品室內(nèi)試驗(yàn)，28天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2.69～7.18 MPa，均滿足路基不小于0.8 MPa的設(shè)計(jì)要求。

靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)5個(gè)，采用慢速維持荷載法，總的沉降量不大，卸載后都有一定的回升。這表明樁的彈性模量、剛度和強(qiáng)度都較大，單樁及復(fù)合地基承載力都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

高壓旋噴樁在軟土地基處理中的效果較好，具有施工方便、工藝簡(jiǎn)單、工期短等特點(diǎn)，并能有效控制地基沉降。