高壓旋噴樁應(yīng)用于香港機(jī)場(chǎng)三跑工程淤泥土軟基加固

賀迎喜，黃雙飛，鄒智軍

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290；3.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

高壓噴射注漿法[1]（High Pressure Jet Grouting）于20 世紀(jì)60年代后期創(chuàng)始于日本，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，通過(guò)高壓設(shè)備使?jié){液或水成為高壓射流從噴嘴中噴射出來(lái)，沖擊破壞土體，同時(shí)鉆桿以一定速度逐漸向上提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，漿液凝固與土體混合形成一個(gè)硬化固結(jié)體。該工法改良軟土的固化包括4 個(gè)步驟：膠凝材料的水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)、水泥水化產(chǎn)物的形成和火山灰反應(yīng)產(chǎn)物的形成[2]。具有在短時(shí)間內(nèi)得到高強(qiáng)度的改良地基、適用范圍廣、構(gòu)筑物沉降小、抗震性出色、對(duì)周邊環(huán)境的影響較小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

該工程所在區(qū)域揭露深厚海相淤泥軟土，為了提高軟土地基承載力、降低工后沉降量，設(shè)計(jì)采用高壓旋噴樁加固軟土地基。

1 原狀土性能參數(shù)

根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)勘察資料及土質(zhì)分析，海相淤泥的特征如下：

1） 坑口組海相淤泥組成該海域的海相沉積層；

2） 沉積物主要包括非常軟弱～軟弱的灰色、均勻性較好的黏土質(zhì)粉土或黏土，局部揭露砂夾層和貝殼碎屑物（粒徑0.1～20 mm）。

海相淤泥的主要物理力學(xué)和化學(xué)成分見表1。

表1 海相淤泥的物理力學(xué)和化學(xué)特性Table 1 Physical,mechanical and chemical properties of marine deposit

2 施工工藝

根據(jù)所加固深度范圍地基土物理力學(xué)特性，結(jié)合水泥土強(qiáng)度和樁徑等設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目擬采用雙管高壓旋噴工法開展試樁工作，雙管高壓旋噴工法是通過(guò)將高壓空氣和水泥漿液混合，在深層土體中噴射形成大直徑水泥土樁[3-8]。試樁流程見圖1，主要是在鉆頭提升過(guò)程中噴射高壓水泥漿液（混合高壓氣體），一邊切割土體，一邊將水泥漿液和原狀土混合，形成具有一定強(qiáng)度的水泥土。具體流程如下：

圖1 旋噴樁施工工藝流程Fig.1 Construction flow chart of jet grouting

1） 測(cè)量定位，安放好旋噴鉆機(jī)，水泥漿攪拌系統(tǒng)、高壓泵和空壓機(jī)等設(shè)備就位。

2） 鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)底標(biāo)高，鉆進(jìn)過(guò)程中全程監(jiān)控鉆孔垂直度。

3） 當(dāng)鉆頭下鉆至設(shè)計(jì)深度，噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高，開啟高壓泥漿泵和空壓機(jī)，開始噴射水泥漿液和高壓氣。

4） 底部持續(xù)噴射30～50 s 后，待漿液返出孔口正常后，開始恒速穩(wěn)定提升鉆頭，同步穩(wěn)定持續(xù)噴射水泥漿液和高壓氣。施工過(guò)程中，密切關(guān)注冒漿、漿液壓力、氣壓、鉆頭提升和旋轉(zhuǎn)速率等施工參數(shù)，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保噴漿量連續(xù)，噴漿壓力穩(wěn)定。

5） 鉆頭提升至設(shè)計(jì)頂標(biāo)高，持續(xù)低壓噴射水泥漿液30～50 s 后，結(jié)束該樁位施工。及時(shí)清洗泥漿泵和輸漿管路，防止清洗不及時(shí)、不徹底導(dǎo)致漿液在輸漿管路中沉淀結(jié)塊，堵塞輸漿管路和噴嘴，影響下一孔的施工。

2.1 旋噴樁施工設(shè)備

為了高質(zhì)量實(shí)施該項(xiàng)目旋噴樁地基加固，擬采用意大利旋噴樁設(shè)備（型號(hào)SM14，見圖2 和圖3）開展試樁，該設(shè)備所采用高性能高壓泵可持續(xù)穩(wěn)定泵送水泥漿液，同時(shí)為了滿足設(shè)計(jì)樁徑要求，不同土層選用合適的噴漿壓力。設(shè)備性能和施工參數(shù)的合理選用對(duì)旋噴樁質(zhì)量至關(guān)重要，該設(shè)備采用自動(dòng)化施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2 意大利高壓旋噴樁施工成套設(shè)備Fig.2 Complete set of Italian high pressure jet grouting construction equipment

圖3 自動(dòng)化水泥漿攪拌和質(zhì)量控制系統(tǒng)Fig.3 Automatic cement slurry mixing and quality control system

2.2 試樁參數(shù)

針對(duì)本項(xiàng)目特殊的海相淤泥土，開展了旋噴樁試樁工作，通過(guò)試驗(yàn)不同施工參數(shù)，結(jié)合旋噴樁抽芯等質(zhì)量檢測(cè)，確定經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量可靠的施工工藝參數(shù)（見表2），用于后續(xù)正式施工。

表2 旋噴樁試樁工藝參數(shù)匯總Table 2 Trial parameters summary of jet grouting

3 試樁檢測(cè)結(jié)果分析

水泥土的強(qiáng)度受諸多因素影響，主要包括原狀土的物理力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比等。為了檢測(cè)旋噴樁施工質(zhì)量，試樁結(jié)束后，分別在28 d、56 d、90 d 開展抽芯質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）和檢查水泥土芯樣外觀質(zhì)量，優(yōu)選出符合水泥土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的試驗(yàn)樁，分析試驗(yàn)施工參數(shù)的合理性，進(jìn)而確定正式施工的工藝參數(shù)。

水泥摻量作為影響水泥土強(qiáng)度的主要因素之一，如圖4，水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻量增加而提高：齡期28 d，3 種水泥摻量（580 kg/m3、620 kg/m3、660 kg/m3）對(duì)應(yīng)的水泥土強(qiáng)度平均值為2.17 MPa、2.73 MPa、3.10 MPa，水泥摻量660 kg/m3對(duì)應(yīng)28 d水泥土強(qiáng)度為水泥摻量580 kg/m3對(duì)應(yīng)水泥強(qiáng)度的1.43 倍；齡期為56 d，3 種水泥摻量對(duì)應(yīng)的水泥土強(qiáng)度平均值為2.52 MPa、3.17 MPa、3.45 MPa，水泥摻量660 kg/m3對(duì)應(yīng)56 d 水泥土強(qiáng)度為水泥摻量580 kg/m3對(duì)應(yīng)水泥強(qiáng)度的1.37 倍；齡期為90 d，3 種水泥摻量對(duì)應(yīng)的水泥土強(qiáng)度平均值為3.10 MPa、3.45 MPa、4.20 MPa，水泥摻量660 kg/m3對(duì)應(yīng)90 d 水泥土強(qiáng)度為水泥摻量580 kg/m3對(duì)應(yīng)水泥強(qiáng)度的1.25 倍。由以上水泥土強(qiáng)度和水泥摻量的關(guān)系可知，當(dāng)水泥摻量為580 kg/m3，滿足28 d 設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求（1.4 MPa），且繼續(xù)增加水泥摻量，水泥土強(qiáng)度提升不顯著。

圖4 水泥土強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between strength and dosage of cement soil

由水泥土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖（見圖5）可知，90 d 水泥土強(qiáng)度平均值為3.71 MPa，28 d水泥土強(qiáng)度平均值為2.66 MPa，90 d 和28 d 現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度比（quf90/quf28）為1.39。

圖5 水泥土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between strength and curing age of cements oil

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試樁A1～A5（施工參數(shù)見表2），齡期達(dá)到28 d，現(xiàn)場(chǎng)鉆取旋噴樁芯樣，分別測(cè)試28 d和90 d（養(yǎng)護(hù)）室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并測(cè)試彈性模量E50。由強(qiáng)度隨深度的分布圖（見圖6）和取芯照片（見圖7）可見，樁頂標(biāo)高為-9 m，樁頂以下1.8 m 范圍內(nèi)，旋噴樁芯樣的含水率偏高，強(qiáng)度偏低，28 d 強(qiáng)度為0.95～1.53 MPa，這是因?yàn)闇\表層原狀土含水率高達(dá)63%～76%，含水率高，且淺表層土體上覆壓力小，造成淺層樁頂以下1.8 m 范圍內(nèi)攪拌樁強(qiáng)度偏低；距離樁頂面的深度1.8～11.3 m 范圍內(nèi)，攪拌樁質(zhì)量較好，水泥與海相淤泥攪拌均勻，28 d 強(qiáng)度達(dá)2.18～3.55 MPa，平均值為2.84 MPa，90 d 強(qiáng)度達(dá)2.57～4.19 MPa，平均值為3.52 MPa，其中90 d 強(qiáng)度平均值比28 d 強(qiáng)度平均值提升19%。

圖6 A1/A2 樁水泥土強(qiáng)度隨深度分布圖Fig.6 Distribution of cement soil strength of A1/A2 pile with depth

圖7 高質(zhì)量旋噴樁抽芯照片F(xiàn)ig.7 Core photo of high quality jet grouting pile

如圖7，試驗(yàn)樁抽芯連續(xù)，裂縫數(shù)量為3～6個(gè)/m，其中A1～A6 試驗(yàn)樁中端（標(biāo)高-9～-20 m）質(zhì)量較好，攪拌均勻，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)日本海岸技術(shù)發(fā)展協(xié)會(huì)CDIT（2002）[2]推薦，水泥土強(qiáng)度qu與彈性模量E50的函數(shù)關(guān)系為E50=350×qu，如圖8，由試驗(yàn)樁A1 試驗(yàn)結(jié)果，彈性模量E50隨現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度quf增加而呈線性增長(zhǎng)，本工程推薦擬合函數(shù)如下：E50=146×quf（相關(guān)系數(shù)R2=0.864，相關(guān)性較好）。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度與彈性模量E50 的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between on-site strength and elastic modulus E50 of cement soil

本項(xiàng)目DCM 設(shè)計(jì)強(qiáng)度（28 d 齡期）為1.4 MPa，現(xiàn)場(chǎng)工藝試樁抽芯檢測(cè)結(jié)果顯示，水泥摻量為580 kg/m3，28 d 現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，該水泥摻量將用于正式施工參數(shù)；將90 d和28 d 現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度比（quf90/quf28）1.39 用于90 d現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度的預(yù)估。

4 試樁工藝參數(shù)分析

根據(jù)水泥強(qiáng)度與水泥摻量的分析結(jié)果，當(dāng)水泥摻量為580 kg/m3（水灰比0.7～0.9）時(shí)，水泥土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且水泥摻量最低，經(jīng)濟(jì)性最好。結(jié)合A1、A2 試驗(yàn)樁的工藝參數(shù)分析（見表2），采用水泥漿噴射壓力為25～28 MPa，噴漿階段的鉆桿提升速率為9～11 min/m，鉆頭鉆速為5 r/min，旋噴樁施工質(zhì)量保證率較高，工效合理，可作為正式施工參數(shù)的主要依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

依托香港三跑工程開展了高壓旋噴樁加固軟弱淤泥土，對(duì)比了不同施工工藝參數(shù)對(duì)旋噴樁施工質(zhì)量的影響，確定了經(jīng)濟(jì)合理、滿足設(shè)計(jì)要求的工藝參數(shù)，具體包括：

1） 采用先進(jìn)的意大利多功能高壓旋噴鉆機(jī)，施工質(zhì)量高，工效快。

2） 采用全自動(dòng)化施工監(jiān)控系統(tǒng)，雙管高壓旋噴工法加固該地區(qū)海相淤泥軟土效果較好，旋噴樁直徑和水泥土強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3） 初步提出了適合本區(qū)域地質(zhì)土情況下水泥土彈性模量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系、90 d和28 d 現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度比（quf90/quf28），為設(shè)計(jì)復(fù)核和質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收提供依據(jù)。

4） 通過(guò)試樁初步確定了水泥摻量、水灰比、噴漿壓力等關(guān)鍵施工參數(shù)，為正式施工參數(shù)的確定提供了重要依據(jù)。