引孔輔助施工技術(shù)對(duì)高壓旋噴樁成樁質(zhì)量的提升效果分析

■宋永杰

（福州市首邑交通建設(shè)投資有限責(zé)任公司，福州 350000）

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)道路的提升改造也在提速，城鎮(zhèn)中的很多道路跨越河流，原有的橋梁已不能滿足現(xiàn)狀交通量的需求及交通荷載的要求，需要進(jìn)行拆除新建，新建橋頭的地基要具備較高的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及承載能力[1]。 有些新建橋梁的橋頭會(huì)存在軟土地基，容易造成路面沉降、橋頭跳車等病害出現(xiàn)，須進(jìn)行軟基處理。 目前應(yīng)用較多的處理技術(shù)是高壓旋噴法施工，該技術(shù)最早起源于日本， 是在化學(xué)靜壓注漿法的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓水流射切技術(shù)發(fā)展而來[2]。 該技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)易、施工便捷，適用范圍廣；（2）固結(jié)體的形狀和方向可控、 柱體強(qiáng)度、 耐久性高；（3）料源廣泛易得、價(jià)格便宜，生產(chǎn)安全、對(duì)環(huán)境影響小等[3]，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。 然而，高壓旋噴法應(yīng)用于雜填土、填石層、填中粗砂層等空隙率較大軟基時(shí)易導(dǎo)致成樁質(zhì)量較差?；诖耍狙芯恳阅贤ㄦ?zhèn)通洲路（二期）道路工程為例，探討并驗(yàn)證采用引孔輔助施工技術(shù)提升高壓旋噴法成樁質(zhì)量問題，為高壓旋噴法施工技術(shù)的完善提供更多選擇。

1 工程概況

南通鎮(zhèn)通洲路（二期）道路工程位于福州市閩侯縣南通鎮(zhèn)，項(xiàng)目起點(diǎn)接南通鎮(zhèn)民生路，向南延伸，終點(diǎn)接南通鎮(zhèn)南通街，道路長度1 835.866 m，道路寬度20 m。全線有橋梁1 座，該橋橫跨通洲河，現(xiàn)狀橋梁不能滿足交通量的需求及設(shè)計(jì)荷載要求，安全隱患大，且橋梁跨徑偏小，阻水面積大并不符河道規(guī)劃斷面，故需在原橋址拆除舊橋重建新橋。

新建橋頭有軟基需要處理，通過對(duì)軟基進(jìn)行鉆探勘察可知，該橋頭軟基的地質(zhì)情況從上往下主要為1.4 m 厚的雜填土、2.7 m 厚的填石、2.9 m 厚的填中粗砂、2.13 m 厚的河泥、13.4 m 厚的淤泥夾砂。軟基處理采用單管高壓旋噴樁，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）軟基處理面積1 326 m2，高壓旋噴樁707 根，總長度15 906 m；（2）高壓旋噴樁設(shè)計(jì)為單管旋噴樁，平面布置為梅花形布置，間距1.5 m×1.3 m；（3）設(shè)計(jì)樁徑φ500 mm，樁長（21.5～23.7）m 采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8～1.2；水泥漿噴射壓力宜大于20 MPa，噴漿管提升速度為（0.1～0.25）m/min，水泥用量150 kg/m，要求施工成樁28 d 后取芯的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于等于3.0 MPa，復(fù)合地基承載力大于等于132 kPa。

2 高壓旋噴樁施工工藝

2.1 布置形式

本項(xiàng)目高壓旋噴樁按梅花形布置，見圖1。

圖1 高壓旋噴樁布置情況

2.2 施工工藝

軟基處理采用的高壓旋噴法自下而上噴漿攪拌成型， 噴嘴為單管雙嘴， 注漿管噴嘴直徑為20 mm，注漿壓力不小于20 MPa。 水泥漿從噴嘴中噴出，高壓旋轉(zhuǎn)環(huán)切削土體，削切較大顆粒為小顆粒，達(dá)到置換及填充的效果，從而提高土體強(qiáng)度，工藝流程見圖2。

圖2 高壓旋噴樁工藝流程

3 高壓旋噴樁成樁存在的質(zhì)量問題及主要原因分析

3.1 質(zhì)量問題

經(jīng)試樁發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）施工過程中返漿異常，冒漿量比較少；相鄰旋噴孔口出現(xiàn)串漿現(xiàn)象；（2）原地面以下5 m 范圍內(nèi)高壓旋噴樁存在基本不成型、樁身不完整、抗壓強(qiáng)度低、承載力低等質(zhì)量問題。

3.2 主要原因分析

經(jīng)分析， 試樁質(zhì)量存在上述問題的主要原因如下：（1）地質(zhì)原因：該軟基上層的雜填土、填石層、填中粗砂層空隙率較大，達(dá)到40%～60%，空隙比＞1.0，呈高壓縮性，土質(zhì)疏松；產(chǎn)生漏漿、跑漿、水泥漿液，水泥漿與土體不能良好結(jié)合，從而土體強(qiáng)度低；注入土體層的漿液擴(kuò)散至周邊土層，產(chǎn)生無效的大量的漿液浪費(fèi)，從而出現(xiàn)返漿異常、冒漿量比較少以及相鄰旋噴孔口出現(xiàn)串漿等現(xiàn)象，這種特殊的地質(zhì)條件是導(dǎo)致成樁質(zhì)量差的重要原因。 在進(jìn)行高壓旋噴樁施作時(shí)，沒有對(duì)相鄰的兩個(gè)樁進(jìn)行間隔施作，且間隔施作的時(shí)間較短，從而加劇相鄰旋噴孔口串漿。 （2）地下水的影響：高壓旋噴樁臨近河邊，地下水位較高， 注入含水的地層漿液被地下水稀釋擴(kuò)散，降低了水泥漿的濃度，降低了樁身的強(qiáng)度；嚴(yán)重時(shí)候被地下水沖走，出現(xiàn)離析、斷樁等后果。 （3）施工工藝原因：工程范圍內(nèi)的地層空隙率大，水泥漿比重按照淤泥層的比重計(jì)算偏小，注漿壓力采用淤泥的注漿壓力偏大。

4 引孔輔助高壓旋噴樁施工技術(shù)

4.1 改進(jìn)措施

針對(duì)上述問題，采取引孔輔助改進(jìn)高壓旋噴樁施工技術(shù)： 先使用螺旋鉆機(jī)豎向鉆進(jìn)一定深度，同時(shí)對(duì)所鉆的孔進(jìn)行泥漿護(hù)壁， 待該所引的孔穩(wěn)定后，再使用常規(guī)高壓旋噴技術(shù)對(duì)該孔進(jìn)行旋噴施工至設(shè)計(jì)深度，具體措施如下：（1）根據(jù)本項(xiàng)目軟基地質(zhì)條件，引孔深度定為5 m，5 m 以下仍采用常規(guī)高壓旋噴技術(shù)。引孔時(shí)采用優(yōu)質(zhì)膨潤土作為泥漿護(hù)壁材料進(jìn)行孔壁防護(hù)，達(dá)到以下目的：①與周邊的地下水隔絕，制造一個(gè)小的封閉環(huán)境；②防止旋噴泥漿從較大空隙率的地層跑漿。 （2）為了提升成樁質(zhì)量，采取如下加強(qiáng)措施：①引孔后及時(shí)進(jìn)行高壓旋噴樁鉆進(jìn)施工； ②5 m 以下復(fù)噴1 遍水泥漿強(qiáng)化樁身強(qiáng)度。 （3）對(duì)相鄰的兩個(gè)樁采取間隔施作的方法，間隔時(shí)間應(yīng)足夠長。 （4）隔斷地下水：考慮到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)臨近河流，采用輕型井點(diǎn)降水方法，使水泥漿液不易滲流或者被地下水稀釋及沖跑。

4.2 引孔輔助施工流程

采用履帶式地質(zhì)螺旋鉆機(jī)作為引孔設(shè)備，該設(shè)備小、靈活方便、費(fèi)用較低、成孔質(zhì)量好，適用于不深地層引孔。 螺旋鉆頭直徑φ150 mm，確保成孔有效直徑不小于φ130 mm。

4.2.1 施工準(zhǔn)備

首先是對(duì)樁位進(jìn)行放樣，確定好各個(gè)旋噴樁的位置并用簽片樁插設(shè)，用石灰圈點(diǎn)標(biāo)記，方便在施工中迅速定位；其次是溝槽開挖，以高壓旋噴樁的中心為基準(zhǔn)向兩側(cè)開挖約50 cm 的槽，方便架設(shè)旋噴機(jī)具；再者是建造灰漿拌制和排污系統(tǒng)，廢漿和沉淀等全部按照污水進(jìn)行處理，不得直接排放入河流；最后是準(zhǔn)備地質(zhì)螺旋樁機(jī)2 臺(tái)（1 臺(tái)用于引孔、1臺(tái)用于旋噴成樁）及其配套鉆頭鉆桿，以及優(yōu)質(zhì)膨潤土若干噸。

4.2.2 履帶式地質(zhì)螺旋引孔鉆機(jī)就位

按照放出的樁位，現(xiàn)場(chǎng)就位樁機(jī)后進(jìn)行調(diào)平，鉆頭對(duì)準(zhǔn)樁的中心。 通過調(diào)整4 只液壓支腿的高低，保證主機(jī)水平，使井架保持垂直。 樁位允許偏差不超過50 mm，樁垂直度偏差不超過0.5%。 同時(shí)校驗(yàn)鉆桿的長度，可使用噴漆標(biāo)示深度線于鉆塔旁，以確保引孔深度。

4.2.3 鉆進(jìn)造孔

鉆孔前要調(diào)試泥漿制備系統(tǒng)，確保制漿設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 引孔時(shí)確保鉆孔位置縱橫軸位置不超過±50 mm，確保鉆進(jìn)過程機(jī)械不產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，引孔自上而下逐層鉆入，引孔速度根據(jù)機(jī)械的性能及地質(zhì)層的特性的實(shí)際情況嚴(yán)格控制，防止鉆孔扭曲變形。 引孔過程安排專人負(fù)責(zé)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)成孔情況做好詳細(xì)記錄，密切觀察每個(gè)孔鉆進(jìn)狀態(tài)和一些特殊情況，及時(shí)反饋上報(bào)并采取有效措施。

4.2.4 泥漿護(hù)壁

考慮到本項(xiàng)目地層地質(zhì)復(fù)雜（填石層、雜填土層、粗砂層、地下水位高），空隙率特別大，在引孔過程中需采用優(yōu)質(zhì)膨潤土作為泥漿護(hù)壁材料，對(duì)孔洞周邊空隙有較好的填充效果，防止塌孔，泥漿濃度應(yīng)調(diào)制較為濃稠效果最佳。

4.2.5 移機(jī)

移動(dòng)地質(zhì)螺旋鉆機(jī)，開動(dòng)履帶設(shè)備移至下一根樁位（間隔引孔），移動(dòng)時(shí)候注意不要造成洞口塌方，引起孔洞堵塞。

4.2.6 驗(yàn)孔

每一個(gè)孔鉆完畢應(yīng)及時(shí)組織驗(yàn)孔，對(duì)孔深、孔徑、垂直度進(jìn)行檢驗(yàn)，確保各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，并對(duì)其覆蓋保護(hù)，防止機(jī)械及人員對(duì)孔的破壞。 驗(yàn)孔合格后即可按照?qǐng)D2 的高壓旋噴樁工藝流程圖進(jìn)行5 m以下地層高壓旋噴作業(yè)。

5 2 種施工工藝效果分析

在同一區(qū)域，采用常規(guī)高壓旋噴樁施工基樁6 根，編號(hào)C1～C6；采用引孔輔助技術(shù)施工旋噴樁6 根，編號(hào)Y1～Y6。兩組試驗(yàn)樁相鄰布設(shè)、施工，待達(dá)到規(guī)定齡期后，根據(jù)JGJ 106-2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)行樁身完整性、樁身強(qiáng)度、單樁豎向抗壓承載力、復(fù)合地基承載力檢測(cè)，以檢驗(yàn)引孔輔助施工技術(shù)效果。

5.1 樁身完整性

采用低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性，結(jié)果見表1。

表1 2 種施工工藝樁身完整性檢測(cè)結(jié)果

由表1 可知：常規(guī)工藝施作的高壓旋噴樁多為III 類樁，樁身有明顯缺陷；引孔輔助施工的高壓旋噴樁多為I 類樁，樁身完整性更好。

5.2 樁身強(qiáng)度

采用取芯法進(jìn)行樁身強(qiáng)度檢測(cè)。 由圖3 可知：常規(guī)工藝施作的高壓旋噴樁樁身強(qiáng)度在2.1 ～2.5 MPa，平均強(qiáng)度為2.3 MPa，不滿足大于等于3.0 MPa的設(shè)計(jì)要求；引孔輔助施作的高壓旋噴樁樁身強(qiáng)度在3.1～3.5 MPa，平均強(qiáng)度為3.3 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。 兩者相比，采用引孔輔助施工技術(shù)的旋噴樁，其樁身強(qiáng)度提高約44.1%。

圖3 2種施工工藝樁身強(qiáng)度對(duì)比

5.3 單樁豎向抗壓承載力

采用靜載試驗(yàn)進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力檢測(cè)。由圖4 可知，常規(guī)工藝施作的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓承載力在150～190 kPa，平均承載力為173 kPa；采用引孔輔助施工技術(shù)施作的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓承載力在290～320 kPa，平均承載力為298 kPa。兩者相比，采用引孔輔助施工技術(shù)的旋噴樁，其單樁豎向抗壓承載力提高約72.1%。

圖4 2 種施工工藝單樁承載力對(duì)比

5.4 復(fù)合地基承載力

采用復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)方法進(jìn)行復(fù)合地基承載力檢測(cè)。 由圖5 可知，采用常規(guī)工藝施作的高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力在160～195 kPa，平均承載力為176 kPa；采用引孔輔助施工技術(shù)施作的高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力在265～280 kPa，平均承載力為271 kPa。兩者相比，采用引孔輔助施工技術(shù)的旋噴樁，其復(fù)合地基承載力提高約54.0%。

圖5 2 種施工工藝復(fù)合地基承載力對(duì)比

綜上所述，本項(xiàng)目采用常規(guī)工藝施作高壓旋噴樁，其樁身完整性差，樁身強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求；采用引孔輔助施工技術(shù)施作的高壓旋噴樁，其樁身完整性好，樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)大幅提高。

6 結(jié)論

由于本項(xiàng)目軟基上層為雜填土、填石層、填中粗砂層，空隙率大，導(dǎo)致常規(guī)工藝施作的高壓旋噴樁質(zhì)量差，通過采用引孔輔助技術(shù)改善高壓旋噴樁施工，樁基性能大幅度提升，很好地滿足了工程需求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到結(jié)論如下：（1）由于特殊地質(zhì)、地下水、施工工藝等原因造成常規(guī)施工的高壓旋噴樁成樁效果不好，通過引孔輔助施工技術(shù)可有效解決了成樁質(zhì)量差的問題；（2）引孔輔助施工技術(shù)需結(jié)合工程實(shí)際考慮引孔深度，使用優(yōu)質(zhì)膨潤土作為泥漿護(hù)壁材料進(jìn)行孔壁防護(hù)；施工過程應(yīng)嚴(yán)格控制引孔的深度、孔徑和垂直度等指標(biāo)；（3）引孔輔助施工技術(shù)施作的高壓旋噴樁，其樁身完整性大都由Ⅲ類樁提升至I 類樁；樁身強(qiáng)度、單樁豎向抗壓承載力、復(fù)合地基承載力分別提高約44.1%、72.1%、54.0%。