高壓旋噴槽壁加固技術(shù)的應(yīng)用

[摘 要]哈爾濱地鐵2號(hào)線一期工程沿線經(jīng)過(guò)哈爾濱老城區(qū)，距離百年老建筑較近，建筑物基礎(chǔ)較差，多為毛石或筏板基礎(chǔ)，建筑物的沉降控制非常困難，稍有擾動(dòng)就有可能發(fā)生沉降，在地鐵施工過(guò)程中需要采取相應(yīng)的措施確?；拥陌踩?，以防止地表沉降而引起建筑物發(fā)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致建筑物造成結(jié)構(gòu)性破壞。

[關(guān)鍵詞]高壓旋噴 槽壁 加固 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0344-02

1 前言

在繁華老城區(qū)修建城市地鐵工程時(shí)常會(huì)遇到歷史性建筑，這些建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)高，要求十分嚴(yán)格，稍有擾動(dòng)就會(huì)引起監(jiān)測(cè)預(yù)警，給施工帶來(lái)了很多不利條件，因此，在施工過(guò)程中需要采取一些輔助措施，盡量避免或減輕對(duì)建筑物的擾動(dòng)，防止對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成破壞。沿線經(jīng)緯街3座車站鄰近古老建筑物年代久遠(yuǎn)、基礎(chǔ)薄弱，為確保建筑物安全，在連續(xù)墻外邊緣采用高壓旋噴樁對(duì)槽壁進(jìn)行了加固處理，取得了良好效果。

2 工程概況

哈爾濱地鐵2號(hào)線一期工程為哈爾濱軌道交通網(wǎng)絡(luò)中由北部至東南的骨干線路，北起呼蘭區(qū)松北大學(xué)城站，終于香坊區(qū)氣象臺(tái)站，線路串聯(lián)呼蘭、松北、道里、南崗、香坊五區(qū)，沿線經(jīng)過(guò)松北開發(fā)區(qū)、太陽(yáng)島旅游休閑中心、道里商業(yè)金融中心、鐵路客站、省級(jí)行政辦公中心，并通過(guò)換乘與軌道交通1、3、4、5、6、8號(hào)線銜接，是網(wǎng)絡(luò)南北—東西的主要干線，有力支持哈爾濱城市發(fā)展中“北躍”的發(fā)展策略，為“一江居中，兩岸繁榮”的城市繁榮構(gòu)想鋪墊基礎(chǔ)。線路全長(zhǎng)28.6km，均為地下線路，共設(shè)19座車站，18個(gè)區(qū)間；設(shè)哈北車輛段一座，主變電所兩座，控制中心一座。除省政府站采用PBA法暗挖以外，其余各車站均為明挖法施工；區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工，除下穿松花江3個(gè)區(qū)間擬投入4臺(tái)泥水盾構(gòu)以外，其余15個(gè)區(qū)間16臺(tái)盾構(gòu)均為土壓平衡式盾構(gòu)。項(xiàng)目采用BOT模式，投資估算約189.25億元，總工期為66個(gè)月。

3 氣象、水文、地質(zhì)

3.1、氣候條件

哈爾濱市屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。主要特點(diǎn)為春季風(fēng)大雨少，夏季溫?zé)釢駶?rùn)降水集中，秋季涼爽、霜來(lái)早，冬季漫長(zhǎng)，寒冷干燥。一年平均氣溫3.6攝氏度，極端最高氣溫可達(dá)36.4攝氏度，極端最低氣溫-38.1攝氏度。全市年平均降水量523mm，降水主要集中在夏季。冬季降雪占全市降水的12.1%，降雪期日數(shù)為180多天，年降雪量平均為63.1mm，最大積雪深度達(dá)41cm。年平均風(fēng)速4.1m/s，常年主導(dǎo)風(fēng)向以西南風(fēng)為主。年平均日照時(shí)數(shù)2446h。年最大凍土深度205cm。

3.2、工程地質(zhì)

地質(zhì)資料表明場(chǎng)地均被第四紀(jì)地層所覆蓋，從上到下順序是全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）全線均有分布；松花江漫灘：全新統(tǒng)漫灘沖積成因土層（Q42al）。依次為：人工雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉細(xì)砂、中粗砂、泥巖、粉砂巖等。線路所穿越地層主要以粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉細(xì)砂、中粗砂等為主，上覆粘土層、細(xì)砂、粉細(xì)砂層，下臥中粗砂層、泥巖等。

3.3、水文地質(zhì)

根據(jù)所處地貌單元勘探揭示的地層結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地地下水可分為上層滯水、孔隙潛水、孔隙承壓水。第四系全新統(tǒng)孔隙潛水與下更新統(tǒng)砂礫石層孔隙承壓水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積層中（2-2）層粉砂、（2-3）層細(xì)砂、（2-4）層中砂、（2-4-1）層礫砂、（2-4-3）層粉砂中及下更新統(tǒng)東深井組（7-2）層中砂中，地層富水性好，透水性強(qiáng)，該層與松花江水力聯(lián)系密切。補(bǔ)給方式主要有松花江側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水入滲、地表水入滲等，其中松花江側(cè)向徑流補(bǔ)給及大氣降水入滲為主要補(bǔ)給來(lái)源，另外豐水期內(nèi)，區(qū)域內(nèi)湖水、河水等地表水對(duì)地下水也有一定的補(bǔ)給作用。排泄方向主要為蒸發(fā)及人工開采。水位和水量隨季節(jié)性變化，最高一般在7～8月份，最低水位多出現(xiàn)在翌年的3月份至5月份，地下水位的年變化幅度在2.0m-3.0m左右。

4 高壓旋噴施工工藝及流程

4.1、槽壁加固原理

地下連續(xù)墻施工前，先利用高壓旋噴樁對(duì)地下連續(xù)墻周邊土體進(jìn)行加固，以減少地下連續(xù)墻施工過(guò)程中對(duì)古建筑物的擾動(dòng)和防止地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中細(xì)砂、粉細(xì)砂極易流動(dòng)而產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，危及古老建筑物的安全。而高壓旋噴樁是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)土層的預(yù)定位置，用高壓設(shè)備將漿液或水、壓縮空氣以高壓射流從噴嘴中噴射出來(lái)，經(jīng)過(guò)沖切、充填、壓縮、攪拌等機(jī)械作用改變土體原有結(jié)構(gòu)，鉆桿以一定的速度逐漸提升，混合漿液隨鉆桿提升同步與土粒強(qiáng)制攪拌固結(jié)，在土中形成一個(gè)圓柱體，形成復(fù)合地基，增加土體承載力和抗剪切強(qiáng)度，達(dá)到土體穩(wěn)定止水防滲的目的。

4.2、高壓旋噴施工工藝

高壓旋噴根據(jù)機(jī)械設(shè)備類型和地質(zhì)情況分單管、二重管和三重管三不同施工方法，不同方法施工工藝略有差異，處理效果也不一樣，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)單管高壓旋噴成樁質(zhì)量效果相對(duì)其他兩種方法要好些。

4.2.1施工流程

槽壁加固施工工藝流程如下圖1所示：

4.2.2施工工藝

1）施工準(zhǔn)備工作

按照設(shè)計(jì)圖紙槽壁加固范圍核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定無(wú)管線等障礙物后進(jìn)行測(cè)量放線，確定孔位，孔位按I、II分序標(biāo)識(shí)，間距為700mm，樁徑為800mm，咬合200mm，誤差不大于50mm；將漿液原材料進(jìn)行送檢并試配；連接管路、線路，檢查設(shè)備狀況，校檢壓力表等。

2）鉆機(jī)就位、調(diào)垂

將鉆機(jī)移至定位孔位，鉆桿鉆頭中心對(duì)準(zhǔn)孔位木樁，調(diào)平鉆機(jī)平臺(tái)，調(diào)垂機(jī)架鉆桿，垂直度偏差不大于0.5%。

3）鉆孔

采用合金鉆頭鉆進(jìn)，造孔直徑為150mm，采用跳孔鉆孔施工，先施工I序樁，再施工II序樁。鉆孔過(guò)程中要對(duì)地層的變化情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，始終保持鉆機(jī)平穩(wěn)，防止鉆機(jī)發(fā)生傾斜失穩(wěn)。

4）下噴管

先在地面進(jìn)行試噴，檢查各項(xiàng)工藝參數(shù)合格后，將噴射平臺(tái)移至孔位處，把噴射管下至設(shè)計(jì)深度。

5）制漿

利用P.O32.5或P.O42.5普通硅酸鹽水泥，按水灰比1：1的比例制成水泥漿液，用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)間不得小于30s，并通過(guò)0. 8mm的篩子進(jìn)行二次篩分方可進(jìn)入泵送漿液桶。

6）高噴

高壓泵通過(guò)高壓橡膠軟管輸送高壓漿液至鉆機(jī)上的注漿管，進(jìn)行噴射注漿，高壓漿液流或水流壓力20～40Mpa。高壓噴射注漿自下而上進(jìn)行，樁底初始及樁頂終止噴射時(shí)間均不小于60s，然后緩慢提升，提升速度控制在0.1～0.25m/min，旋轉(zhuǎn)速度10～20r/min。注漿管不能一次提升完成需要拆卸管時(shí)，卸管后噴射的搭接長(zhǎng)度不得小于200mm，以保證固結(jié)體的整體性。

（1）工藝參數(shù)

高噴是屬于隱蔽性較大的工程施工，需要通過(guò)試噴鉆芯取樣后，選擇合理的施工工藝參數(shù)，才能保證施工質(zhì)量，不同高噴方法，工藝參數(shù)略有不同，參考參數(shù)如下：

單管法：漿液壓力20～40Mpa，漿液比重1.3～1.49，旋轉(zhuǎn)速度18～20r/min，提升速度0.2～0.25m/min，噴嘴直徑2～3mm，漿液流量80～100l/min。

二重管法：漿液壓力20～40Mpa，漿液比重1.4～1.6，旋轉(zhuǎn)速度15～18r/min，提升速度0.15～0.2m/min，噴嘴直徑3～4mm，漿液流量100～110l/min，空氣壓力0.7～0.8Mpa，氣量60～80m3/h。

三重管法：漿液壓力0.3～0.8Mpa，漿液比重1.6～1.8，旋轉(zhuǎn)速度10～15r/min，提升速度0.1～0.15m/min，噴嘴直徑3～4mm，漿液流量100～120l/min，空氣壓力0.5～0.8Mpa，高壓水壓力30～50Mpa。

（2）噴漿量

噴漿量跟土體加固范圍即被加固土體直徑有關(guān)，加固直徑與設(shè)備、漿液、壓力、地質(zhì)等條件因素有關(guān)，如噴射壓力、提升速度、被加固體的抗剪強(qiáng)度、噴咀直徑、漿液的粘稠度等。加固范圍與噴射壓力P、噴咀直徑d成正比，與提升速度s、土的抗剪強(qiáng)度τ及漿液粘稠度成反比。

理論噴漿量有兩種計(jì)算方法，一種為體積法，另一種為噴量法，兩者之間計(jì)算值會(huì)在在一定的差異，以大者為控制標(biāo)準(zhǔn)。

式中Q-噴漿量（m3）

De-加固土體直徑（m）

λ1-填充率，0.75～0.9

h1-旋噴高度（m）

λ2-未旋噴范圍土的填充率，0. 5～0. 75

h2-未旋噴高度（m）

β-損失系數(shù)，0.1～0.2

H-噴射高度（m）

V-提升速度（m/min）

q-單位噴漿量（m3/m）

4.3、高壓旋噴施工質(zhì)量控制

高壓旋噴樁施工難度大，成樁質(zhì)量難以控制，受注漿壓力、地質(zhì)情況、工人操作水平、漿液稠度等眾多因素影響。

4.3.1質(zhì)量控制

1）鉆孔定位準(zhǔn)確，其允許誤差不大于50mm，并用木樁固定，成孔垂直度偏差不大于0.5%。鉆孔過(guò)程中嚴(yán)格記錄地質(zhì)變化情況，尤其是異常情況記錄要詳實(shí)，并采取相應(yīng)的措施，確保成孔質(zhì)量，終孔后技術(shù)人員檢查成孔質(zhì)量。

2）制漿原材料采用普通硅酸鹽水泥，并有廠家提供的產(chǎn)品合格證，水泥新鮮無(wú)結(jié)塊、通過(guò)0.08mm的篩孔篩分余量不大于5%，水質(zhì)清潔無(wú)污染，根據(jù)需要，也可在水泥漿液中加入其他外加劑，但要進(jìn)行試驗(yàn)。

3）配制漿液采用高速攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，連續(xù)均勻攪拌時(shí)間不小于30s，一次攪拌使用時(shí)間不超過(guò)4h，隨時(shí)檢測(cè)漿液比重，記錄每孔水泥材料用量。水泥漿液水灰比越小，被加固土體強(qiáng)度越高，同時(shí)噴射難度也加大，易堵管。攪拌完的漿液須經(jīng)過(guò)二次篩分后方可進(jìn)入高壓注漿泵，防止注漿管受堵。

4）按照試樁確定合理施工參數(shù)，嚴(yán)格控制噴射提升速度，提升速度越快，成樁質(zhì)量越差，施工進(jìn)度就快，因此需要加強(qiáng)操作工人的責(zé)任心；

5）嚴(yán)格控制高壓噴射注漿壓力，壓力愈大，被加固土體處理效果愈好。高壓水泥漿液流或者高壓水射流的壓力不小于20Mpa，壓縮空氣流以空氣壓縮機(jī)的最大壓力為限，0.7Mpa左右。

6）高壓噴射作業(yè)應(yīng)連續(xù)一次完成樁體，需要接、拆卸注漿管時(shí)，動(dòng)作要快，防止塌孔和堵嘴。因故中斷噴射作業(yè)時(shí)要采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，中斷超過(guò)1h，要采取補(bǔ)救措施加樁或重新造孔；恢復(fù)噴射作業(yè)時(shí)，噴射搭接長(zhǎng)度不小于100mm，以保證樁體的完整性。

7）高壓噴射鉆機(jī)與泵之間的距離不宜太遠(yuǎn)，過(guò)遠(yuǎn)勢(shì)必增加高壓橡膠軟管長(zhǎng)度，使高壓噴射流沿程損失加大，造成實(shí)際噴射壓力降低，影響加固體處理效果。

8）通過(guò)鉆孔地質(zhì)記錄資料，準(zhǔn)確掌握土層結(jié)構(gòu)和土質(zhì)種類，因地制宜，及時(shí)調(diào)整噴射工藝參數(shù)。

4.3.2問(wèn)題及對(duì)策

1）不冒漿或斷續(xù)冒漿：查看鉆孔地質(zhì)記錄判斷土質(zhì)是否松軟，加強(qiáng)復(fù)噴；若有空洞、管道等不能提升注漿管噴射至冒漿為止或者拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿；是否存在串孔現(xiàn)象，若有串孔則回填相鄰孔位，待注漿完成后重新鉆孔。

2）壓力突然下降而流量不變：檢查泄漏情況，拔出注漿管，檢查密封性能。

3）壓力稍有下降：檢查注漿管是否被擊穿或有孔洞。

4）壓力陡增：壓力超過(guò)最高限值而流量為零，停機(jī)后壓力仍然不變，檢查噴咀是否堵塞，疏通噴嘴。

5）附加變形：高噴漿液在未凝固之前，有效噴射范圍內(nèi)的地基受到擾動(dòng)而強(qiáng)度降低，易產(chǎn)生附加變形，導(dǎo)致建筑物附加下沉，需要采取控制施工速度、順序和加快漿液凝固時(shí)間等。

4.3.3質(zhì)量檢測(cè)

高壓旋噴樁成樁質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)在噴射注漿結(jié)束28d后進(jìn)行，主要通過(guò)鉆芯取樣檢測(cè)旋噴樁的抗?jié)B性和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，必要時(shí)增加標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、單樁承載力載荷試驗(yàn)。

1）鉆芯取樣要取高壓旋噴樁咬合部位、具有代表性的樁位及施工中出現(xiàn)異常的部位。

2）檢驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量為施工樁數(shù)的1%，并不小于3個(gè)點(diǎn)。

3）加固體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1Mpa，滲透系數(shù)不大于1x10-7cm/s。

5、結(jié)論

沿線經(jīng)緯街3座車站地下連續(xù)墻，靠建筑物較近側(cè)均采用高壓旋噴槽壁加固技術(shù)，取得了良好的效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，槽壁加固主要針對(duì)的地層是淤泥質(zhì)粘土層、細(xì)砂層、粉細(xì)砂層等，中砂層及中粗砂層通過(guò)泥漿護(hù)壁能滿足要求，檢測(cè)結(jié)果表明，槽壁光滑，塌孔情況較少。

高壓旋噴施工中需特別注意的幾個(gè)問(wèn)題：

1）選擇新型施工工藝，減少拆卸鉆桿次數(shù)，確保成樁連續(xù)性；

2）高壓旋噴要采用雙控技術(shù)，控制高壓旋噴壓力和注漿量，既要確保旋噴成樁有效范圍，又要防止因噴射壓力過(guò)大，過(guò)度擾動(dòng)地層帶來(lái)的附加沉降；

3）要針對(duì)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件實(shí)施，防止流動(dòng)地下水將水泥漿液帶走，可摻入適量的外加劑加快凝固時(shí)間；

4）槽壁加固時(shí)要預(yù)留一定的距離，一般以40cm左右為宜，防止注漿漿液進(jìn)入地下連續(xù)墻施工范圍內(nèi)，導(dǎo)致地連墻成槽困難，反而影響連續(xù)墻施工質(zhì)量。

今后對(duì)冒出的漿液回收值得進(jìn)一步研究和探討，既能達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求，還能節(jié)約施工成本。

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作者簡(jiǎn)介：

毛宇飛，男，1969年生，畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院，中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師、一級(jí)建造師、監(jiān)理工程師，長(zhǎng)期從事鐵路、地鐵現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)管理工作。