高壓旋噴樁施工技術在軟路基處理中的應用

秦美榮 上海鐵路局上海工務段

1 基本原理及設計要求

1.1 加固原理

高壓噴射注漿法是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預定位置后，以高壓設備使漿液或水、（空氣）成為20～40 MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動、破壞土體，同時鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個圓柱狀固結體（即旋噴樁），以達到加固地基或止水防滲的目的。

1.2 高壓旋噴樁的優點與用途

高壓旋噴樁應用范圍廣，施工簡便，固結體形狀可以控制，設備簡單、易于管理、無污染，料源充裕具有較好的耐久性，適用于永久性工程。高壓噴射注漿主要用途是加固與防滲透，由于其設備簡單及施工方法獨特，目前普遍用于：提高地基承載力，減小沉降變形；既有建筑地基補強、基礎托換和扶正糾偏；土層旋噴錨桿；支擋防滲；固化流砂防止砂土液化。

1.3 設計要求

1.3.1 加固體直徑的確定

旋噴樁直徑與現場土質、土體強度和噴射壓力、流量、提升速度和漿液稠度等諸多因素有關，應通過現場試驗確定。

1.3.2 布置形式

樁的平面布置形式需根據加固的目的給予考慮，分離布置的單樁可用于基礎的承重，排樁、板墻可用作防水帷幕，整體加固則常用于防止基坑底部的涌土或提高土體的穩定性，水平封閉樁可用于形成地基中的水平隔水層。鐵路、公路路基基底一般采用梅花形加固地基的分離樁形式。樁間距一般采用1.2～1.5 m。公路設計規范規定，相鄰樁凈距不應大于4的倍樁徑。

1.3.3 設計承載力

（1）按樁身強度計算容許承載力。

式中［P］--樁的容許承載力（kN）；

a--樁體材料的強度折減系數，a=0.4～0.5；

［σ］--樁體材料 7 cm×7 cm×7 cm 試件的室內平均抗壓強度（kPa）；

A--樁的橫斷面積。

（2）按土體強度計算樁身容許承載力。

式中［P］--樁的容許承載力（kN）；

u--樁身截面周長，按樁的直徑計算（ m）；

fi--各土層的容許摩阻力（kPa）；

li--各土層的厚度（m）；

A--樁底支承面積，按樁的直徑計算（ m）；

［R］--樁尖處的地基容許承載力（ kPa）。

（3）復合地基承載力。

式中Pcom--復合地基的容許承載力（ kPa）；

［P］--單樁承載力（ kPa）；

［R］--樁間土天然地基承載力（ kPa）；

Ae--一根樁分擔的荷載面積；

Ap--一根樁的斷面積；

A--天然地基承載力折減系數，當不考慮樁間土作用時為0。

1.3.4 漿量計算

漿量計算有兩種方法，即體積法和噴量法，取大者作為設計噴射漿量。

體積法：

噴量法：

式中Q--需要的噴漿量（m3）；

De--旋噴固結體直徑（m）；

D0--注漿管直徑（m）；

K1--填充率，0.75～0.9；

h1--旋噴長度（m）；

K2--未旋噴范圍土的填充率，0.5～0.75；

h2--未旋噴長度（m）；

β--損失系數，0.1～0.2；

ν--提升速度（ m/min）；

H--噴射長度（m）；

q--單位噴漿量（m3/m）。

根據計算所需的噴漿量和設計的水灰比，即可確定水泥的使用數量。

2 高壓旋噴樁的工藝流程

高壓旋噴所使用的噴射流共有三種：

（1）單管噴射流，單一的高壓水泥漿液噴射流；

（2）二重管噴射流，高壓漿液噴射流與其外部環繞的壓縮空氣流組成復合式高壓噴射流；

（3）三重管噴射流：它是一種漿液、水、氣噴射法。本文涉及的工程為三重管噴射注漿。

2.1 施工工藝順序

主要順序為：平整場地、工藝試樁、清除地下及空中障礙、測量放線、放樁位、施工旋噴樁、檢查補漏完成。

2.2 施工工藝流程

三管法工藝流程為：場地平整、機具就位、調整、鉆孔、插管、試噴、噴射注漿、成樁、拔管及沖洗等。

三重管旋噴樁機注漿施工示意參見圖1。

圖1 三重管旋噴注漿示意圖

2.3 推薦的主要施工技術參數

漿液壓力0.2～0.8 MPa，漿液比重1.60～1.80， 壓縮空氣壓力 0.5～0.8 MPa，高壓水壓力30～50 MPa。

2.4 質量控制要點

（1）正式開工前應認真作好試樁工作，確定合理的施工技術參數和漿液配比。

（2）旋噴過程中，冒漿量小于注漿量的20%為正常現象，若超過20%或完全不冒漿時，應查明原因，調整旋噴參數或改變噴嘴直徑。

（3）鉆桿旋轉和提升必須連續不中斷，拆卸接長鉆桿或繼續旋噴時要保持鉆桿有10～20 cm的搭接長度，避免出現斷樁。

（4）在旋噴過程中，如因機械出現故障中斷旋噴，應重新鉆至樁底設計標高后，重新旋噴。

（5）制作漿液時，水灰比要按設計嚴格控制，不得隨意改變。在旋噴過程中，應防止泥漿沉淀，濃度降低。不得使用受潮或過期的水泥。漿液攪拌完畢后送至吸漿桶時，應有篩網進行過濾，過濾篩孔要小于噴嘴直徑1/2為宜。

（6）在旋噴過程中，若遇到孤石或大漂石，樁可適當移動位置（根據受力情況，必要時可加樁），避免畸形樁或斷樁。

（7）旋噴過程中，應作好施工記錄。

2.5 質量通病的處理

（1）不冒漿或冒漿量少。

通常原因是加固土層粒徑過大，孔隙較多，可采取以下措施：

①加大漿液濃度，可以從1.1加大到1.3左右繼續噴射。

②灌注粘土漿或加細砂、中砂，待孔隙填滿后再繼續正常噴射。

③在漿液中摻加骨料。

④加泥球封閉后繼續正常噴射。

⑤灌注水泥砂漿后，再將孔內水泥漿置換成粘土漿，待孔隙填滿后繼續正常噴射。

（2）冒漿量過大。

通常是有效噴射范圍與噴漿量不適應有關，可采取以下措施：

①提高噴射壓力。

②適當縮小噴嘴直徑。

③適當加快提升速度。由于冒漿量中含有地層顆粒和漿液的混合體，目前對冒漿中的水泥的分離回收尚無適宜方法，在施工中多采用過濾、沉淀、回收調整濃度后再利用。

（3）凹穴處理。

①在噴射灌漿完畢時，即連續或間斷地向噴射孔內靜壓灌注漿液，直至孔內混合液凝固不在下沉。

②在噴射灌漿完成后，向凝固體與其上部結構之間的空隙進行第二次靜壓灌漿，漿液的配比應為不收縮且具有膨脹性的材料，如采用水泥、水和鋁粉為原料，則形成配比為 9.8∶6.9∶0.3 的漿液。

3 施工實例

3.1 工程地質條件

上海地鐵9號線南延伸段盾構隧道下穿滬昆鐵路工程中，地貌形態位于瀉湖沼澤相與濱海平原相交匯地帶，地面標高為3.56～4.51之間。盾構穿越鐵路的標高為-8.8～-14.2。工程沿線地基在48m深度范圍內為第四紀松散沉淀物，主要由飽和粘性土、粉性土及砂土組成，一般具有成層分布的特點。由上而下發育土層主要為：

①1填土；②1灰黃～蘭灰色粉質粘土；③1灰色淤泥粉質粘土，層底標高-5.01平均厚度5 m；④1灰色淤泥質粘土、層底標高為-11.2、平均厚度5.3m；⑤1-1灰色粘土、層底標高-16.2、平均厚度4.8 m；⑤2t灰色粉質粘土夾砂質粘土；⑤2灰色砂質粉土夾粉質粘土；⑤3灰色粉質粘土；⑤4灰綠色粉質粘土；⑦1灰綠～灰色砂粉土；⑦2草黃～灰色粉砂。

3.2 設計處理方案

該工程地質較差，淤泥層較厚、地下水位較高，需進行軟基處理。由于樁位靠近線路，為了抵抗鐵路線路的變形，二是保證注漿效果，設計采用三重管高壓咬合旋噴樁，旋噴樁加固區在鐵路路基外側1 m以外位置，由三排直徑為1.5 m的旋噴樁相互咬合形成，咬合量為0.2m；旋噴樁的深度為隧道底部以下3 m至地面，長度為22.022m，樁總根數為60。

3.3 施工機械選型

因設計樁徑為1.5 m，根據同類工程的施工經驗，用三重管法施工能滿足設計要求，選定如下配套機械：武漢力學巖土工程機械廠生產的PH-5B型旋噴樁鉆機1臺，電機額定功率37 kW；天津高壓聚能泵廠生產的SNS-H300型高壓泵一臺，額定功率90kW，額定壓力35MPa；沈陽水泵廠生產的BW-150型泥漿泵，電機額定功率3kW；高壓管路內徑φ19mm，外徑φ34mm；主機鉆桿內徑φ53mm，外徑φ76mm；鉆頭上設一φ2.8mm的噴嘴；主塔高度6.5m；主機是靠液壓撐腿調平，支撐導軌式行走，根據設備性能及地面至樁底深度，可一次性成孔。

3.4 施工參數

（1）固化劑。海螺牌普通硅酸鹽425#水泥，外摻劑：玻密度1.35水玻璃，每米樁長水泥噴漿量為850 kg，水泥漿液水灰比W/C=1.0。

（2）鉆桿的轉速控制在10-25 r/min左右，提升速度為 0.05～0.25 m/min，高壓泵壓力控制在22～50 MPa，漿液壓力1.5～5 MPa。

3.5 施工效果

為評價與檢測加固效果，業主委托專業機構進行了抽芯檢測、樁頭開挖、單樁靜載荷試驗和復合地基平板載荷試驗。開挖檢測5個樁頭，開挖深度在1.5～2 m。經測量和觀測，樁體垂直度良好，樁徑均大于1.5 m，樁土咬合密實，有利于承載。

各抽芯檢測孔所取得的樁芯均成長柱狀，完整性較好，水泥土體膠結良好，取5樁20組樣品室內試驗，28天無側限抗壓強度在2.69～7.18 MPa，均滿足路基不小于0.8 MPa的設計要求。

靜載荷試驗檢測點5個，采用慢速維持荷載法，總的沉降量不大，卸載后都有一定的回升。這表明樁的彈性模量、剛度和強度都較大，單樁及復合地基承載力都達到設計要求。

4 結論

高壓旋噴樁在軟土地基處理中的效果較好，具有施工方便、工藝簡單、工期短等特點，并能有效控制地基沉降。