土體加固高壓旋噴灌漿工藝試驗

李小剛

(中國水電基礎局有限公司，天津武清 301700)

1 概述

1.1 工程概況

穿黃工程由南、北岸渠道、南岸退水洞、進口建筑物、穿黃隧洞(含邙山隧洞段和過河隧洞段)、出口建筑物、北岸防護堤、北岸新、老蟒河交叉工程，以及孤柏嘴控導工程等組成。穿黃隧洞包括過河隧洞段和邙山隧洞段，過河隧洞段長3 450 m，隧洞總長4 250 m。根據盾構施工要求，于隧洞段南、北兩端各設有南岸工作豎井和北岸工作豎井。

北岸工作豎井內徑16.4 m，外徑21 m，豎井頂高程105.6 m，底板底標高57.5 m，井深48.1 m。井壁圍護結構為鋼筋混凝土地下連續墻，內圈直徑18 m，墻厚1.5 m，墻深77 m。豎井外圍設計0.8 m厚，71.6 m深灰漿墻擋水，降低豎井荷載。

為確保盾構始發段安全順利掘進，采用高壓旋噴對豎井土體實施加固。

高噴體質量技術指標:

單樁直徑≥1.0 m，樁間應完全搭接，不留空隙，搭接長度≥20 cm。

1.2 工程地質條件

北岸豎井上部為Q42砂壤土、粉砂、細砂，松散～稍密狀，強度較低，工程地質性質較差;豎井中部、底部為Q42中砂和Q41細砂、中砂，中密～密實，強度較高。下部位于Q3粉質壤土層中。

2 試驗目的

豎井工程土體加固設計指標十分嚴格，加固深度達到50 m，選用適宜的高壓噴射灌漿施工工藝和施工技術參數對達到質量標準尤為重要，需通過試驗予以驗證。結合招標文件相關技術要求，對選用的噴射灌漿工藝、孔距和施工參數、材料和設備性能做驗證性試驗，驗證旋噴孔距和施工參數在本工程地質條件下，加固土體的可行性和質量的可靠性，驗證高壓噴射灌漿工藝對地層的適用性，進而對施工參數優化調整，確定適合于本工程的噴射灌漿工藝和施工技術參數。

3 試驗方案和具體工作內容

3.1 試驗方案

選用普通雙管法、雙高壓漿液三管法和新三管法高壓旋噴工藝和擬定旋噴技術參數進行旋噴試驗。施工結束后，主要通過對樁體鉆孔取芯和壓水試驗檢測旋噴樁施工質量。

根據高噴加固地基的設計要求，試驗樁布置為單樁和群樁兩種形式，其中群樁按等邊三角形布置，樁中心距0.8 m。

3.2 具體工作內容

1)普通雙管法、雙高壓漿液三管法和新三管法高壓旋噴工藝試驗。

2)檢驗旋噴工藝、設備對本工程地質條件的適宜性，以及在該地質條件下所能達到的樁徑大小。

3)高噴漿液試驗:通過室內和現場試驗，檢驗旋噴漿液性能，包括漿液密度、黏度、穩定性，凝固體抗壓和抗折強度等;以及孔口返漿的漿液性能試驗。

4)鉆孔取芯和壓水試驗:旋噴施工結束，對旋噴固結體進行鉆孔取芯檢查，群樁型心部位作靜水頭壓水試驗檢查。

5)確定施工工藝，優化和調整施工技術參數。

4 試驗設備

4.1 設備與機具

表1 主要機械設備與機具

5 高壓旋噴樁試驗施工

5.1 施工工藝流程

樁位放樣→鉆機就位→鉆孔→高噴臺車就位→試噴→噴管下至孔底→自下而上旋噴至設計頂高→沖洗噴管→高噴臺車移位→回灌。

5.2 鉆孔施工

選用XY－4型地質鉆機，采用合金鉆進泥漿護壁鉆孔，孔徑150 mm，比旋噴管外徑大40 mm，以保證高噴管順利下入和旋噴過程中返漿通道暢通。

5.3 高壓旋噴施工工藝與施工措施

5.3.1 施工工藝

旋噴樁施工采用預先成孔，而后下入高噴管，待噴管下設到設計深度后，進行旋噴灌漿。旋噴時，將噴管下入孔底，按漿、水、氣順序依次送入，噴管原位旋轉、各參數達到設計要求和孔口返漿正常后，自下而上進行旋噴作業，直至設計樁頂高程。每孔旋噴結束后，及時向孔內回灌，保證樁頂密實。

5.3.2 施工措施

群樁試驗區三根樁的鉆孔和高噴注漿保證一定的間隔時間，第一根樁旋噴注漿結束10 h后，開始第二根樁孔鉆孔，樁與樁旋噴施工間隔＞24 h。

旋噴灌漿連續進行，噴射提升需要卸管時，復噴段30～50 cm，保證上下樁體的連續性。

5.4 漿液材料及配合比

噴漿材料主要為濟源太行普通硅酸鹽水泥(PO32.5)，因加固地基地層較為單一，為粉細砂、中砂，含泥量很少，為保證漿液穩定性，高壓旋噴選用水泥—膨潤土混合漿液，膨潤土為水泥重量的5%。旋噴工藝不同，漿液配比也略有不同。普通雙管法漿液水膠比1∶1，雙高壓漿液水膠比1.52∶1，新三管法漿液水膠比0.86∶1。

5.5 高壓噴射灌漿試驗施工參數

5.5.1 雙高壓漿三管法施工技術參數(群樁試驗)

提升速度:25 m以下12 cm/min，25 m以上15 cm/min。漿壓:35～36 MPa;漿量:140～150 L/min;風壓:0.9～1 MPa;進漿密度:1.35 g/cm3

5.5.2 新三管法施工技術參數(單樁試驗)

提升速度:10 cm/min;漿壓:30～32 MPa;漿量:65～75 L/min;水壓:35～38 MPa;水量:75～100 L/min;風壓:0.9～1 MPa;進漿密度:1.54 ～1.55 g/cm3。

5.5.3 普通雙管法施工技術參數

提升速度:≤15 cm/min;旋轉速度:12～15 r/min;漿壓:35～38 MPa;漿量:75 L/min;風壓:0.6～0.8 MPa;風量:1.2～1.5 m3/min;進漿密度:1.5 g/cm3。

6 高壓噴射試驗施工與質量控制情況

6.1 高壓噴射試驗施工情況

高噴試驗施工從5月2日開始，至5月15日結束。初期采用普通雙管法試驗(為設計方案)，5月2日至5月7日共進行4次噴射，其中出現了3次旋噴管卡、埋事故，只成功噴射1根35 m深旋噴樁。受地質條件和工藝方法的局限，普通雙管法施工工藝未取得成功，因而放棄了該工法，隨后調整采用了新三管法和雙高壓漿液三管法旋噴工藝進行試驗。

調整旋噴工藝后，5月10—15日順利完成了試驗樁高噴灌漿施工。其中采用雙高壓漿液三管法完成了群樁旋噴施工，采用新三管法完成了單樁旋噴施工。

群樁旋噴提速25 m以下為12 cm/min，其中GS－01和GS－02樁25 m以上15 cm/min，GS－03樁25 m～14 m為14 cm/min，14 m以上11 cm/min。其它技術參數見“高壓旋噴試驗樁施工成果表”。

6.2 質量控制情況

6.2.1 鉆孔質量控制

旋噴孔位中心偏差≤5 cm，孔斜≤0.5%。施工時對鉆孔偏斜采取的控制措施為:①鉆機工作時保持平穩。②鉆機就位后，使開孔鉆具保持鉛垂狀態。③合理調整鉆進速度，選擇合格鉆具、鉆桿，并加長粗徑鉆具長度＞3.5 m。

經采取技術措施，鉆孔偏斜得到了有效控制，采用簡易測量方法對孔斜進行檢測，結果滿足技術標準要求。

6.2.2 施工技術參數控制

旋噴施工前，確保設備運行狀況良好、儀表完好;根據試驗擬定的技術參數，在下設噴管前進行試噴;在噴射注漿過程中，設專人對各種技術參數進行檢查。

6.3 試驗完成的工作量

本次高壓旋噴試驗共完成旋噴樁4根，樁體檢查孔6個，詳細工作量見表2。

表2 試驗完成的工程量統計表

7 高壓噴射試驗成果

7.1 施工成果

表3 高壓旋噴試驗樁施工成果表

7.2 漿液試驗成果

表4 高噴漿液試驗結果

8 樁體質量檢查

8.1 樁體開挖檢查

旋噴結束4天后，5月20日對試驗樁頂部進行了開挖檢查。群樁開挖深度3.5～4 m，開挖暴露出兩根樁體，樁體較為規則，表面呈灰色和黃灰色，樁徑1.1～1.3 m，樁與樁之間接觸緊密，搭接良好，旋噴樁搭接厚度達到0.3～0.6 m;單樁開挖深度4 m，樁體規則，表面呈灰色和黃灰色，樁徑1.7～1.9 m;群樁和單樁旋噴固結體均有較高強度。見圖1、圖2。

圖1 單樁開挖實照

圖2 群樁開挖實照

8.2 鉆孔取芯和壓水試驗

旋噴樁施工結束7 d后，開始對樁體進行鉆孔取芯和壓水試驗檢查。群樁完成取芯孔4個，單樁完成取芯孔2個。取芯孔施工按距樁中心距離，由遠到近的順序進行，以摸索不同深度旋噴樁徑大小情況，鉆孔取芯孔布置見圖3、圖4。

圖3 單樁試驗區檢查孔布置

圖4 群樁試驗區檢查孔布置

鉆取巖樣完整、柱狀，呈灰色，局部較為破碎，結石有一定強度，可見成分非常均勻。

8.3 鉆孔壓水試驗

為檢查樁與樁的搭接質量和旋噴樁體滲透性能，采用靜水頭壓水方法對群樁中心檢查孔GS－J－01分段進行了壓水，對GS－J－06檢查孔進行了全孔段壓水。根據壓入流量值按下式計算透水率。

式中:q為透水率，Lu;Q為壓入流量，L/min;P為作用于試段內的全壓力，MPa;L為試段長度，m;經計算全孔段平均透水率為0.73Lu。

9 分析與結論

9.1 高噴工藝對本工程的適應性

本工程豎井封底和始發端地層加固設計采用高壓旋噴方案，應是可行的，因為沒有其它更為有效的經濟方案可取代。但對于本工程而言，采用高壓旋噴對豎井封底和始發端地層加固還存在相當大的難度:1)加固地基深度達到50 m，超出國內常規高壓旋噴灌漿施工深度，高噴效果一般難以評估。因為隨著深度的增加，地層的密實度增大(復勘資料25～50 m標貫擊數為30～60擊)，高壓噴射灌漿影響范圍就會隨之變小。2)本工程需要加固處理的地層為粉砂和中砂地層，含泥量很少，透水性強，地層壓力大，會在一定程度上影響旋噴樁樁體直徑。基于以上兩個方面考慮，我們在高噴試驗施工工藝選擇上，除嘗試設計的兩管法外，主要選用并實施了雙高壓三管法(雙高壓漿液三管旋噴和新三管法旋噴)工藝試驗，以增大對地層的切割破壞能力，求得較大的旋噴樁徑。

通過試驗證明，采用設計的兩管法高壓旋噴工藝實施50 m深度旋噴施工，難度大，卡、埋噴管事故率高，不適宜。因為普通雙管法采用單泵供漿，漿量較小(一般為70～80 L/min)，旋噴孔深度大，不能形成正常返漿，排漿通道不暢通，造成泵入的水泥漿液全部壓入地層，在一定程度上形成超高壓灌漿，旋噴孔周圍受到過大的地層壓力，無法予以平衡，勢必造成孔壁跨塌，繼而形成卡、埋噴管事故。

采用雙高壓漿液三管法和新三管法泵送流量增到130～150 L/min，能夠形成正常返漿，具備高壓旋噴灌漿正常施工作業條件，通過試驗采用這兩種高壓旋噴灌漿工藝方法均可行。

［1］肖雪茹.高壓旋噴注漿法加固土質地基機理研究［J］.水利技術監督，2007(6):36－38.