高壓旋噴樁法在既有高速公路軟基治理中的應(yīng)用

呂若冰，孔綱強(qiáng)，沈 揚(yáng)，丁選明

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

高壓旋噴樁法在既有高速公路軟基治理中的應(yīng)用

呂若冰1,2，孔綱強(qiáng)1,2，沈 揚(yáng)1,2，丁選明1,2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

結(jié)合江蘇省沿海高速公路軟基工程實(shí)例，介紹了高壓旋噴樁法的加固機(jī)理、設(shè)計(jì)方法、施工工藝以及質(zhì)量控制方法，對(duì)施工過(guò)程中的路面隆起情況進(jìn)行監(jiān)控分析。研究表明，高壓旋噴樁技術(shù)可以有效處治既有高速公路軟基工后沉降問(wèn)題。本工程實(shí)例為后續(xù)類似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和質(zhì)量監(jiān)控提供參考。

既有高速公路；軟土地基；路面隆起；高壓旋噴樁；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

我國(guó)沿海諸省、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲地區(qū)高速公路發(fā)展較快，而這些地區(qū)的地基土通常具有含水率高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強(qiáng)度低和厚度不均等問(wèn)題。隨著交通量的迅速增加，軟土地基上建設(shè)的高速公路工后沉降問(wèn)題日漸突出[1]，如何處治已通車高速公路軟基工后沉降問(wèn)題顯得尤為迫切。地基軟弱造成路面不平必然會(huì)影響通車的舒適性，而且由于路面不平造成的跳車產(chǎn)生的沖擊力會(huì)使路面的不平整度進(jìn)一步加劇，形成惡性循環(huán)。

高壓旋噴樁法治理軟土地基是利用鉆機(jī)將具有特殊噴嘴的注漿管置于樁底預(yù)定高程后，噴嘴以一定的速度旋轉(zhuǎn)并提升，高壓噴射流沖擊破壞土層，使得漿液與周圍土體攪拌混合凝結(jié)成固體，從而達(dá)到加固土體的目的。到目前為止，高壓旋噴注漿技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論方面也進(jìn)行了很多的相關(guān)研究，研究表明，高壓旋噴樁在處理軟土地基時(shí)具有良好的效果，并且處理后的工后沉降量可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算[2～5]。2006年曾克強(qiáng)對(duì)旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)不同土層旋噴樁的有效樁長(zhǎng)取值進(jìn)行了分析，同時(shí)指出漿料類型及注漿量應(yīng)根據(jù)土層條件進(jìn)行合理選擇[6]；2012年王志豐等提出了一種新的旋噴樁直徑計(jì)算方法，研究表明，在三重管法中其基于圓形斷面自由紊動(dòng)射流理論的計(jì)算參數(shù)與土的黏粒含量有著較好的線性關(guān)系[7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)高壓旋噴樁法進(jìn)行了大量的研究，但是將其應(yīng)用在已通車的既有高速公路上的研究和實(shí)踐卻相對(duì)較少。因此，本文結(jié)合江蘇省沿海既有高速公路軟基路段變形病害綜合處治項(xiàng)目，無(wú)需將路面重新開挖，而直接將高壓旋噴樁法應(yīng)用在已通車高速公路上治理其不均勻沉降問(wèn)題；介紹了高壓旋噴樁法加固不均勻沉降高速公路的平面布置、加固深度、施工工藝和路面監(jiān)測(cè)等情況，為后續(xù)類似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和質(zhì)量監(jiān)控提供參考依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)方案

1）工程概況 江蘇省沿海高速連鹽段位于連鹽高速公路灌云二標(biāo)施工段，全長(zhǎng)7.092km。本標(biāo)段最主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象為淺部有較厚軟土分布。目前該路段由于不同路段地質(zhì)情況的突變，以及不同路段采用了差異較大的地基處理方法，使得相鄰兩路段的地基剛度不同，造成地質(zhì)條件差、地基處理不到位的路段沉降大，其他路段沉降小，從而產(chǎn)生沉降差。該路段自通車以來(lái)沉降一直沒(méi)有穩(wěn)定，每年新增沉降量達(dá)到5～10cm之多。經(jīng)過(guò)比較各種加固方法，并在翔實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)該路段擬采用高壓旋噴樁加固方案。

2）注漿孔及樁位布置 試驗(yàn)路段處理長(zhǎng)度為30m，參照相關(guān)規(guī)范[8～10]，路堤引孔直徑110mm，注漿深度16m，高壓旋噴成樁直徑為600mm，注漿孔縱向間距1.8m，橫向間距1.8m，處理完畢后用無(wú)砂水泥密封，封口深度為2.9m?？倶稊?shù)為306根，總樁長(zhǎng)為4 896m。加固方案布置見圖1。

圖1 加固方案布置圖

3）水泥漿配制 通過(guò)試驗(yàn)段施工情況，決定注漿材料采用強(qiáng)度為42.5的普硅水泥，摻灰量250kg/m3，施工中采取的水灰比為1∶1。

4）注漿控制 根據(jù)施工過(guò)程中路面抬起情況控制漿液壓力20～24MPa，空氣壓力0.5～0.9MPa，水泥漿流量65L/min，鉆桿升速20cm/min，鉆桿轉(zhuǎn)速18r/min。

2 施工工藝(圖2)

圖2 施工工藝現(xiàn)場(chǎng)圖

1）鉆機(jī)就位 鉆機(jī)安放在設(shè)計(jì)的孔位上并應(yīng)保持垂直，施工時(shí)旋噴管的允許傾斜度不得大于1.5%。

2）鉆孔 上部瀝青及路基塘渣先用潛孔錘引孔。使用76型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，鉆進(jìn)深度可達(dá)30m以上，適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入度小于40的砂土和粘性土層，當(dāng)遇到比較堅(jiān)硬的地層時(shí)宜用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔。鉆孔的位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不得大于50mm。

3）插管 將注漿管插入路基中的預(yù)定深度，如使用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔完畢，必須拔出巖芯管并換上旋噴管插入到預(yù)定深度。在插管過(guò)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(guò)1MPa，若壓力過(guò)高，則易將孔壁射塌。

4）噴射作業(yè) 當(dāng)噴管插入預(yù)定深度后，由上而下進(jìn)行噴射作業(yè)，技術(shù)人員必須時(shí)刻注意檢查漿液初凝時(shí)間、注漿流量、風(fēng)量、壓力、旋轉(zhuǎn)提升速度等參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，并隨時(shí)做好記錄。當(dāng)漿液初凝時(shí)間超過(guò)20h應(yīng)及時(shí)停止使用該水泥漿液(正常水灰比1∶1，初凝時(shí)間為15h左右)。

5）沖洗作業(yè) 噴射施工完畢后，應(yīng)把注漿管等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿。通常把漿液換成水，在地面上噴射，以便把泥漿泵、注漿管和軟管內(nèi)的漿液全部排除。

6）廢漿處理 旋轉(zhuǎn)提噴時(shí)會(huì)有一部分漿液冒出孔口，將冒出的漿液集中至一處，待施工結(jié)束后將凝固的廢漿統(tǒng)一運(yùn)出場(chǎng)地。

7）瀝青罩面 可以采用粗粒式瀝青混凝土（AC-251型）進(jìn)行罩面，罩面厚度根據(jù)整個(gè)處理區(qū)域路面結(jié)構(gòu)層的厚度進(jìn)行調(diào)整。

3 施工期路面隆起及沉降監(jiān)測(cè)

路面高程監(jiān)測(cè)是工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)的重要組成部分。根據(jù)施工進(jìn)度中路面隆起情況可以及時(shí)調(diào)整灌漿壓力，以防止路面抬起高度不足達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或者抬起高度過(guò)高造成路面開裂。施工結(jié)束后總的路面高程變化值是高壓旋噴樁法加固既有高速公路不均勻沉降最終效果的重要參考數(shù)據(jù)。

本工程在施工過(guò)程中共設(shè)置18個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)，每半幅路面設(shè)置有9個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)，每1～2個(gè)施工工作日做一次高程觀測(cè)以保證工程質(zhì)量。施工結(jié)束后總的路面高程變化值充分說(shuō)明了高壓旋噴樁法加固既有高速公路不均勻沉降的良好效果以及工程質(zhì)量。路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 路面高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

前半幅路面（連云港至鹽城方向）路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化情況如圖4所示。該半幅路施工日期從2013年8月20～9月6日完成，其中4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近有3根樁由于施工不符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了復(fù)打，導(dǎo)致這3根樁的實(shí)際注漿量超過(guò)了設(shè)計(jì)注漿量，造成4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近路面隆起高度異常。將4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為異常點(diǎn)去除，其他8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均隆起值為6.84cm，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期加固要求。

后半幅施工路段（鹽城至連云港方向）路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化情況如圖5所示。該半幅路施工日期從2013年9月11～30日完成，其中4號(hào)、5號(hào)以及9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近有合計(jì)6根樁由于施工不符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了復(fù)打，造成這3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近路面隆起高度異常。將這3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終隆起值作為異常點(diǎn)去除，其他6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均隆起值為8.27cm。

圖4 連云港至鹽城方向路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起情況

圖5 鹽城至連云港方向路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起情況

從以上圖表數(shù)據(jù)可以看出，兩幅路面出現(xiàn)不同程度的抬升，平均隆起值均達(dá)到最初的預(yù)期目標(biāo)，加固處理效果明顯。

4 加固方法經(jīng)濟(jì)性分析

試驗(yàn)路段所在區(qū)域主要為海陸交互沉積的濱海平原區(qū)，西高東低呈微傾斜狀，地勢(shì)低平，水系發(fā)育，地面標(biāo)高一般為2～4m，新近沉積的軟土分布較為普遍，本路段最主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象為較厚的軟土層分布。

該路段自建成通車以來(lái)每年會(huì)有5～10cm的沉降，以往一直采用加鋪瀝青的方式緩解不均勻沉降，但是加鋪瀝青的方法在處治過(guò)程中會(huì)使路面產(chǎn)生新的附加荷載，從而引起軟土路基的進(jìn)一步固結(jié)和沉降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查以及工程地質(zhì)資料，試驗(yàn)路段自2006年建成通車至2012年，7年間路面共加鋪瀝青達(dá)37.1cm之多（見表1），以高壓旋噴樁加固試驗(yàn)段為例，處理長(zhǎng)度30m，寬35m，瀝青混合料價(jià)格以1 400元/m3考慮，僅加鋪瀝青材料成本即為54.537萬(wàn)元。

表1 該路段歷年瀝青加鋪情況

而采用高壓旋噴樁法加固該路段，加固30m×35m的路面設(shè)計(jì)的總樁數(shù)為306根，樁長(zhǎng)為16m，樁單價(jià)為180元/m，則樁的材料成本為88.128萬(wàn)元。

通過(guò)以上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，如果一直采用加鋪瀝青的加固方式，約4年后材料成本即會(huì)超過(guò)高壓旋噴樁法的材料成本。同時(shí)加鋪瀝青的加固方式每次施工均需要投入相應(yīng)的人工、機(jī)械及管理成本，而采用高壓旋噴樁法時(shí)材料以外的成本只需一次投入?？梢姡瑥拈L(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)性角度分析，采用高壓旋噴樁法處治該路段的路基沉降是更為經(jīng)濟(jì)合理的。

5 結(jié) 論

基于江蘇沿海既有高速軟基高壓旋噴樁試驗(yàn)段施工與監(jiān)測(cè)，可以得到如下3點(diǎn)結(jié)論。

1）使用高壓旋噴樁法加固軟土高速公路路基，其設(shè)備較為簡(jiǎn)單，施工速度較快，對(duì)高含水率軟土路基加固效果明顯，能有效地治理高速公路不均勻沉降。

2）根據(jù)不同路段不同的地質(zhì)條件選擇合理的設(shè)計(jì)、施工參數(shù)，可令加固效果更加顯著，同時(shí)可以合理保護(hù)路堤結(jié)構(gòu)層在高壓旋噴施工過(guò)程中不被破壞，保護(hù)路堤原有結(jié)構(gòu)。

3）該路段采用高壓旋噴樁法加固的綜合處治費(fèi)用大致相當(dāng)于連續(xù)10年采用瀝青加鋪路面的處治成本，而若采用瀝青加鋪路面的方式10年內(nèi)該路段不可能停止不均勻沉降，可見高壓旋噴樁法加固軟土路基具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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（編輯 吳學(xué)松）

Construction monitoring on existing expressway soft foundation treatment by high pressure jet grouting pile technique

LV Ruo-bing, KONG Gang-qiang, SHEN Yang, DING Xuan-ming

U418.5; U412.22+2

B

1001-1366(2015)01-0070-04

2014-10-30