高壓旋噴樁在市政道路路基處理中的應(yīng)用及效果分析

莊云翼

0 引言

軟土具有含水量高、透水性差、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)時(shí)間長等特點(diǎn)。在市政工程施工時(shí)，經(jīng)常碰見軟土地基，從而導(dǎo)致地基的沉降量大或者不均勻沉降等問題，這直接影響施工進(jìn)度以及施工安全，因此需要對軟土進(jìn)行特殊處理。處理軟土地基廣泛的方法之一就是高壓噴射注漿法，其中高壓旋噴樁與傳統(tǒng)的注漿法相比具有節(jié)約施工成本、提高施工效果好以及縮短施工工期等優(yōu)點(diǎn)，對公路軟土地基具有明顯改善作用。高壓旋噴樁的施工對施工人員的專業(yè)性要求較強(qiáng)，為了保障旋噴樁的施工質(zhì)量，需要提高相應(yīng)的作業(yè)人員對旋噴樁施工工藝的熟悉度。目前，許多學(xué)者已經(jīng)對高壓旋噴樁在軟基處理方面的應(yīng)用做了有益的探索，例如周勇等[1]固結(jié)灌漿及高壓旋噴樁地基軟基處理施工關(guān)鍵技術(shù)，王定順等[2]探討了高壓旋噴樁施工對既有鐵路路基變形影響研究，敖江忠等[3]對旋噴樁連續(xù)施工引起的地表變形開展了一系列的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，謝之逸等[4]深入分析了高壓旋噴樁在高壓線下部公路軟基處理的設(shè)計(jì)。本文的創(chuàng)新之處在于以福建省泉州市某市政道路工程為具體實(shí)例，在對高壓旋噴樁的地基處理原理、固結(jié)機(jī)理、成樁機(jī)理等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了高壓旋噴樁應(yīng)用于某市政道路路基的處理情況，探討了對高壓旋噴樁施工過程中的施工工藝、施工方法、注意事項(xiàng)。

1 高壓旋噴樁的地基處理原理

1.1 固結(jié)機(jī)理

將高壓噴嘴置于設(shè)定位置的軟土層內(nèi)，然后將水泥漿液或一些特制漿液噴入土體內(nèi)，鉆桿保持一定的旋轉(zhuǎn)速度均勻噴射，噴管在噴漿的同時(shí)徐徐提升，噴射出的漿液和土粒的混合體凝固成型后形成一定強(qiáng)度的圓柱形固結(jié)體，由該固結(jié)體承擔(dān)上部荷載從而達(dá)到加固的效果。依照噴射出的介質(zhì)一般分為單管法、二重管法及三重管法，而單管法在工程中應(yīng)用最多。單管法的噴射介質(zhì)僅含有漿液；而二重管法與三重管法則包含兩種或多種介質(zhì)，二重管法是利用二重噴射管噴出兩類介質(zhì)（漿液和空氣），其中空氣負(fù)責(zé)切割土體，漿液則在土體內(nèi)形成較大的固結(jié)體，達(dá)到加固效果；三重管法是使用三重注漿管將漿液、空氣以及水噴射至土體中以形成更大的空隙，而增加固結(jié)體的體積，實(shí)際施工中的加固體直徑甚至能達(dá)到2m，從而對原本的軟土實(shí)施非常有效的加固。其中的加固效果是三重管法效果最好，二重管法的效果稍低，單管法最低。

1.2 成樁機(jī)理

高壓旋噴樁是將介質(zhì)在20～40MPa的高壓射流作用下對土體起到切割和攪拌作用，使原土地呈現(xiàn)稀松狀態(tài)。噴射出的漿液與某些粒徑小的土發(fā)生交換并隨著泥漿水被帶出（冒漿現(xiàn)象），其余進(jìn)入這些孔洞的漿液又與原土粒有規(guī)律地結(jié)合形成新的固結(jié)體。最終在軟土地基中形成的固結(jié)體與噴管漿液的移動(dòng)方向及土體物理性質(zhì)密切相關(guān)。

2 高壓旋噴樁在市政道路路基處理中的應(yīng)用

2.1 工程概況

福建省泉州市某市政工程，道路長度為265.475m，規(guī)劃紅線寬18m，機(jī)動(dòng)車道左右二幅各7.5m，人行道兩側(cè)各1.5m；全線地形平坦，地勢寬廣闊，海拔2.0～4.5m，沿線水池多，土層含水量高。路線所經(jīng)過的地層主要是沖積層，部分存在湖相沉積，同時(shí)還具有海、陸相互沉積的特征，沿線內(nèi)部的巖石種類較多，基巖埋藏深度較深，大部分約80～ 150m。該市政工程沿線分布著大量軟土地基，厚度范圍為5～15m，但部分厚度達(dá)到25m，地層探測為第四系松散堆積層。另外，地表往下16m范圍內(nèi)的粉土、粉砂可液化。因沿線的地質(zhì)條件不太好，道路路基需經(jīng)過加固后方可施工，且缺乏路堤填料。土層主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層主要力學(xué)參數(shù)表

本項(xiàng)目的市政道路所設(shè)計(jì)的高壓旋噴樁的樁徑0.5m，樁間距1.0m，斷面樁長11m，共8根，呈方形布置如圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁設(shè)計(jì)示意圖

2.2 施工工藝

在旋噴注漿樁施工開始前，需要做好施工場地平整工作，提前挖好排漿溝以便后期泥漿的排出。正式施工前應(yīng)制作2～ 3根工藝試驗(yàn)樁，確定旋噴樁的施工工藝及樁的參數(shù)。然后將鉆機(jī)安裝至孔位中心并確保垂直，采用跳樁法施工防止孔間串漿。鉆孔后用沙袋堵住孔口，防止碎屑落入孔中。值得注意的是，在插管時(shí)，為防止泥沙堵塞噴嘴，噴水和插管可同時(shí)進(jìn)行，但水壓力不應(yīng)大于1MPa，防止破壞沿途的滲透土層。噴管達(dá)到預(yù)定深度后，先送氣，待到氣體壓強(qiáng)到達(dá)指定值時(shí)再送漿液，等噴射壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后再提升噴管。旋噴樁應(yīng)由下而上均勻噴射至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在這個(gè)過程中嚴(yán)格控制漿液的凝固時(shí)間、漿體流速、運(yùn)送量、輸送壓力以及提升速度等參數(shù)。在噴射施工完成后，對送漿管進(jìn)行清理工作以備后續(xù)繼續(xù)施工。

2.3 施工方法

由于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和相關(guān)細(xì)節(jié)的復(fù)雜性，因此現(xiàn)場作業(yè)人員對高壓旋噴樁的施工圖紙要有比較全面和深入的了解，也需要對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)有充分的了解。在此基礎(chǔ)上，按照既定的施工工藝和施工方案進(jìn)行施工。

首先，施工前要做一系列的施工準(zhǔn)備工作。其中較為重要的兩個(gè)任務(wù)是測量放線和樁孔定位。測量放線的過程中根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按坐標(biāo)點(diǎn)依次進(jìn)行，對每個(gè)點(diǎn)都需要復(fù)核確保其正確性。準(zhǔn)確記錄圖紙上的孔位信息（包括孔號、編號以及樁號）。另外，還需要根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)測量不同樁孔的標(biāo)高，樁孔定位和測量放線方向須滿足施工要求，一般要求縱橫偏差值不得大于50mm，垂直度偏差值低于樁長的1%。

其次，鉆孔質(zhì)量在一定程度上決定了旋噴樁的施工質(zhì)量，因此在施工過程中的相關(guān)操作必須高度重視。在現(xiàn)場嚴(yán)格按照相關(guān)施工方案和設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行施工。當(dāng)鉆機(jī)到達(dá)指定位置時(shí)，應(yīng)對鉆機(jī)進(jìn)行固定，以保證鉆機(jī)的穩(wěn)定性。

最后，在注漿完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行灌注施工。水泥漿液質(zhì)量必須滿足相關(guān)要求，這對整體質(zhì)量有十分重要的影響。有條件的情況下，可以在施工現(xiàn)場建立攪拌機(jī)現(xiàn)場配置水泥漿液。在配漿的過程嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，確保漿液內(nèi)材料配比的科學(xué)性，同時(shí)充分?jǐn)嚢璞Ｕ蠞{液的一致性和均勻性；還需要保證旋噴過程漿液的運(yùn)輸量，避免漿液供應(yīng)不足的問題；在低溫天氣下，充分考慮氣溫對非連續(xù)性噴射可能出現(xiàn)的影響，對運(yùn)漿管道采取一定的保暖措施。

除此之外，在注漿作業(yè)前檢查運(yùn)漿管道的通透性，避免運(yùn)送漿液過程中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。在所有準(zhǔn)備工作完成后開始注漿，開始注漿時(shí)要保證旋噴管的位置是否準(zhǔn)確，然后開始噴射介質(zhì)（漿液、空氣、水的混合體），旋噴管上升直到預(yù)定位置方才停止噴射，旋噴管提升速度通?？刂圃?0～25cm/min的范圍內(nèi)。目前高壓旋噴樁施工的實(shí)際情況，注漿過程漿體流速不小于30L/min，氣壓不小于0.7MPa，水壓不高于26MPa。

2.4 注意事項(xiàng)

高壓旋噴樁為了避免施工過程時(shí)的異常冒漿、機(jī)械故障等突發(fā)事件發(fā)生，在施工前和施工中都應(yīng)采取一定的手段來處理此類事件的發(fā)生，從而保證施工的順利進(jìn)行，確保施工質(zhì)量達(dá)到相關(guān)要求。常見的問題及處理方法有：

（1）如果旋噴注漿時(shí)沒有發(fā)生流量變化，但壓力值出現(xiàn)變化，那么很可能旋噴管存在滲漏問題，這種情況下應(yīng)對整個(gè)旋噴管的密封性進(jìn)行檢查，消除滲漏問題后再繼續(xù)施工。

（2）如果旋噴注漿時(shí)出現(xiàn)大范圍冒漿現(xiàn)象，綜合分析現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行處理。假如施工線路的土體處于疏松的狀態(tài)，可能是因?yàn)榇颂幫馏w粒徑小的緣故，可以繼續(xù)施工。而如果存在隧道或者空洞時(shí)，應(yīng)使用速凝漿液減少漿液的冒出。

（3）如果冒漿情況非常嚴(yán)重，考慮可能是噴漿量過大造成的?？梢栽趪娚鋲毫Σ蛔兊那闆r下降低漿液流量或者適當(dāng)?shù)卦黾訃姽苄D(zhuǎn)速度或者加快旋噴管的提升速度。

此外，當(dāng)機(jī)械裝置在施工過程中出現(xiàn)未知機(jī)械故障時(shí)，在未查明故障以前需要停止噴漿以及旋噴管的提升，在排除故障以后方能繼續(xù)施工。

2.5 質(zhì)量控制措施

首先，應(yīng)確保水泥漿液的質(zhì)量合格。高壓旋噴樁最終的應(yīng)用效果許多時(shí)候主要是由水泥漿的質(zhì)量決定的，因此在施工之前應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需求設(shè)計(jì)出合理的配合比，并考慮運(yùn)輸、施工作業(yè)等對其進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化，在水泥漿進(jìn)入現(xiàn)場施工之前，應(yīng)按照規(guī)范要求對水泥漿開展相關(guān)的檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可用于成樁作業(yè)。

其次，高壓旋噴樁的質(zhì)量還受到現(xiàn)場工人的職業(yè)素養(yǎng)的控制。對于現(xiàn)場的施工工人以及從事管理的專業(yè)技術(shù)人員，需在施工前開展具有針對性的培訓(xùn)或訓(xùn)練，確保每位參與成樁的工作人員都能掌握高壓旋噴樁的施工的工序、技術(shù)難點(diǎn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等，同時(shí)做好技術(shù)交底工作。具有針對性的技術(shù)培訓(xùn)，是確保高壓旋噴樁施工質(zhì)量的必要手段。

最后，在實(shí)際作業(yè)過程中，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)施工過程管理。對市政工程中的高壓旋噴樁環(huán)節(jié)制定必要的操作流程、規(guī)章制度、監(jiān)督機(jī)制等，并在實(shí)際作業(yè)過程中依照相關(guān)規(guī)范及規(guī)章制度嚴(yán)格執(zhí)行。應(yīng)明確現(xiàn)場施工過程中人員的具體責(zé)任，落實(shí)到人，如在施工過程中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題也應(yīng)追責(zé)到人。

3 路基處理效果分析

3.1 無地基處理時(shí)的路基沉降

根據(jù)地質(zhì)勘測報(bào)告，地下水位于地基表面下1.5m，地基豎向邊界為30 m。路基監(jiān)測點(diǎn)布置位置如圖2所示，這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別監(jiān)測A點(diǎn)的豎向位移和B點(diǎn)的水平位移。圖3為A、B監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移及水平位移隨路基填筑層數(shù)的變化規(guī)律。由圖3（a）可以看出，隨著路基的填筑層數(shù)，監(jiān)測點(diǎn)A的豎向位移逐漸增大，在第4層達(dá)到最大豎向位移，為5.1cm；圖3（b）可以看出，隨著路基填筑層數(shù)的增加，監(jiān)測點(diǎn)B的水平位移逐漸增大，1～ 2層填筑時(shí)的增加量明顯小于3～ 4層增加量，最大位移為5mm。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置

圖3 監(jiān)測點(diǎn)A和B的豎向位移及水平位移

3.2 高壓旋噴樁處理后的路基沉降

根據(jù)實(shí)際情況，基準(zhǔn)點(diǎn)埋在路基外側(cè)，監(jiān)測路基填筑過程中路基頂部的豎向位移情況。選取間距為20m的兩個(gè)斷面作為監(jiān)測面，每個(gè)斷面埋3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，構(gòu)件埋于20cm的挖槽中。

試驗(yàn)路段沉降監(jiān)測從2018年9月8日至11月24日，總共監(jiān)測78d。沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降結(jié)果見表2。

由表2可知，位于路基中線的S6監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大，為2.972cm。相對于無地基處理措施的沉降5.1cm相比減小了2.128cm，說明高壓旋噴樁加固軟土路基能有效地減小豎向沉降。

表2 沉降監(jiān)測結(jié)果

另外，對經(jīng)過處理后的復(fù)合地基承載力進(jìn)行平板試驗(yàn)，結(jié)果表明：地基承載力特征值大于200kPa，壓縮模量大于15MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。與處理前相比：表層5.6m以上的次生紅黏土的承載力特征值為170kPa，變形模量為13MPa；5.6m以下次生紅黏土的承載力特征值為150kPa，變形模量為9.5MPa。

4 結(jié)論

通過對高壓旋噴樁在福建省泉州市某市政道路工程軟基處理中的運(yùn)用分析，得出如下結(jié)論：

（1）高壓旋噴樁具有設(shè)備工作要求高度小、成樁質(zhì)量好、施工噪音小以及施工簡便的特點(diǎn)，適用于施工凈空受限的地基處理，可以顯著提高地基承載力，減小沉降。

（2）高壓旋噴樁技術(shù)的專業(yè)性強(qiáng)，要求施工作業(yè)人員對旋噴樁的施工工藝和施工方案比較了解，同時(shí)注重施工細(xì)節(jié)保障施工質(zhì)量達(dá)到加固軟土路基的目的，有效保證道路工程的順利進(jìn)行。

（3）高壓旋噴樁成樁的體積較小，施工時(shí)間也較短，但整體施工量大，很難做好每一樁的施工質(zhì)量控制，所以在施工中必須做好相關(guān)的管理工作，對施工過程的每道程序做好控制，這也是高壓旋噴樁能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。