單高壓及雙高壓三重管旋噴樁的對比試驗分析

管華旭（上海市基礎工程集團有限公司， 上海 200433）

高壓旋噴樁創建于日本，我國在 20 世紀 70 年代后期引進并經試驗已在工程中得到成功應用。

高壓旋噴樁按照泵送介質的種類及方式的不同，分為單管法、二重管法及三重管法 3 種形式。本文主要針對三重管法中的單高壓及雙高壓工藝對超深基坑坑底加固成樁效果進行分析。在加固深度一定時，兩種工藝形成的樁質量截然不同。

1 工程概況

該工程為上海市新建越江隧道的岸上段工作井及相鄰暗埋段基坑工程。工作井尺寸為 22.00 m ×36.00 m，開挖深度為 27.59 m；相鄰暗埋段基坑長度為 68.00 m，寬度為25.00 m。開挖深度 19.58～15.08m。該隧道下方為規劃的軌道交通盾構區間，隧道底板距離軌道交通盾構區間頂最大距離為 3.91 m。

工作樁確定了加固旋噴樁的工藝及各項參數。試樁選取了具有代表意義的工作井最深加固深度，即 27.490～40.162 m，有效樁長 12.672 m。試樁共 3 根，其中 2 根為三重管單高壓旋噴樁，1 根為三重管雙高壓旋噴樁。

旋噴樁頂位于 ⑥ 暗綠～灰黃色粉質黏土層（硬土層）以上 1.60 m，貫穿 ⑦1-1灰黃色黏質粉土夾粉質黏土、⑦1-2灰黃色砂質粉土層，插入 ⑦2灰黃～灰色粉砂層以下 3.90 m。

2 試樁設備選擇及工藝簡介

該工程試樁設備選用 XPG-65 型普通高壓旋噴鉆機，可施工兩重、三重等高壓旋噴樁工藝要求。

2.1 三重管單高壓旋噴樁

三重管單高壓法是一種水泥漿液、水、氣噴射法，使用分別輸送水、氣、漿液 3 種介質的三重注漿管，在以高壓泵等高壓發生裝置產生高壓水流的周圍圍繞一股圓筒狀氣流，進行高壓水流噴射流和氣流同軸噴射沖切土體，形成較大的空隙，再由泥漿泵將水泥漿以低壓力注入被切割、破碎的地基中，噴嘴做旋轉和提升運動，使水泥漿與土體混合，在土中凝固，形成較大的固結體[1]。

2.2 三重管雙高壓旋噴樁

三重管雙高壓利用鉆機把特殊噴嘴的注漿管鉆進至地層的預定位置后，將包裹壓縮空氣的高壓水流和包裹壓縮空氣的高壓水泥漿流分別通過噴射器上、下部的噴嘴噴出，上部的高壓水噴射流先對土體進行一次切割破碎，再將水泥漿液通過鉆桿下部的噴嘴向四周以高速水平噴入土體沖擊力切削土層，進行二次切削，而且水、氣同時作用于土體，增強了破壞土體的能力。鉆桿一面以一定的速度旋轉，一面低速徐徐提升，使土體與水泥漿充分攪拌混合，膠結硬化后即在地基中形成直徑比較均勻、具有一定強度的樁體，從而使地層得到了較好的加固效果。

3 試樁參數及原始數據對比

3.1 基本參數

試樁設計樁徑 800 mm，水泥摻量 25%；水灰比 1.0，泥漿密度為 1.51 g/cm3，噴嘴旋轉速度為 15 r/min，噴嘴提升速度為 16 r/min。

3.2 樁長控制

根據施工工藝，試樁施工時先將鉆桿全部下放至樁底，再提升鉆桿進行噴漿作業。試樁鉆桿每節 3 m，下放 14 節鉆桿，其中第 14 節下放 1.2 m，共計 40.2 m。噴漿時通過拆除縮短鉆桿長度控制噴漿高度，其中第 14 節鉆桿噴漿 1.2 m，第 13～11 節鉆桿噴漿 3 m，第 10 節鉆桿噴漿 2.5 m，提桿噴漿共計 12.7 m。

3.3 試樁參數

試樁參數如表1 所示。

表1 三重管單高壓試樁參數

4 數據分析

4.1 2 根三重管單高壓旋噴樁分析

2 根試樁在施工過程中，噴嘴轉速、提升速度、水壓力、空氣壓力不變，泥漿壓力不同，注漿量、漿液流量及現場地面冒漿情況不同，對比如表2 所示。

（1）試樁 1 在注漿壓力為 3 MPa 時的冒漿量為注漿量的 20%，可視為正常注漿的冒漿量；試樁 2 在提升注漿壓力至 4 MPa 時的冒漿量超過正常范圍 20% 的上限，為 35%；2根樁的有效注漿量基本相同（壓力較大的試樁 2 稍大）。

冒漿量大小通常與注漿量及有效噴射范圍相關。當注漿壓力為唯一變量時，注漿量的大小取決于注漿壓力的大小。噴漿嘴向外噴射漿液的壓力由泵送進漿口壓力、噴嘴大小、噴漿深度決定（不考慮漿液在漿管內的壓力降值）。

本次 2 根試樁同設備（即噴嘴大小相同）、同樁長（即噴漿深度相同），噴嘴噴射出的漿液壓力大小與進漿口壓力成正比。試樁 1 在高壓水與同軸氣流切削土體形成的空隙受到土壓力限制（樁深越大、土壓力越大，且噴漿范圍內土體貫入度較大）時，噴漿嘴噴射出的帶壓漿液部分沿著垂直方向釋放壓力，導致地面冒漿；而試樁 2 在提高注漿壓力至 4 MPa（注漿泵正常使用最大壓力值）時，略微增加漿液的水平壓力釋放（從兩個樁有效注漿量可以判斷），但無法實現二次切削土體效果，更多仍沿著垂直方向釋放壓力，導致地面冒漿明顯增大。

（2）2 根試樁在超深樁深條件下進行普通三重管旋噴注漿時，微調注漿壓力比較下，有效注漿量相差無幾，且 2 根試樁的水泥用量均未達到設計 25% 摻量的理論值（2.865 t）。

4.2 三重管雙高壓旋噴樁分析

在進行三重管雙高壓施工過程中，相較于單高壓試樁，水泥摻量、泥漿比重等參數均相同，噴嘴提升速度相同，通過高壓的水泥漿液對土體進行二次切削后[2]，水泥用量（注漿量）、漿液流量明顯加大，遠遠超出設計給定的參數，且冒漿量在一般要求范圍 20% 以內，低于單高壓。

試樁 3 采用了三重管雙高壓工藝，在漿液采用高壓泵進行泵送后，注漿量明顯增大且超過設計注漿量。根據注漿量反算，成樁直徑超過 1 200 mm，不僅達到設計加固注漿參數要求，且有效加大了單樁加固面積，在總加固面積不變的情況下，可以調整樁徑及間距，減少旋噴樁數，縮短工期。

該工程在試樁加固完成后 28 d 對 3 根試樁進行的取芯試驗。在取芯過程中，采用三重管單高壓工藝的 2 根試樁芯樣存在斷層現象，且芯樣不均勻，樁底成樁效果差；采用三重管雙高壓工藝的 1 根試樁自樁頂至樁底芯樣均勻，強度達到設計要求的 1.2 MPa。

5 結 語

（1）在超深基坑坑底地基加固施工時，單一靠高壓水一次切削土體的普通三重管單高壓旋噴樁有效噴射范圍達不到注漿量要求，成樁樁徑及成樁質量無法保證，地基加固效果不明顯。

（2）三重管雙高壓工藝通過高壓水泥漿液對土體的二次切削，可以滿足超深樁深的加固效果。因此對深度較深范圍、貫入度較大土層的成樁直徑、成樁質量都能夠得到保證[3]。

（3）雙高壓旋噴工藝用時短、注漿漿液多、流量大、水泥用量多，可以有效縮短施工工期，減少施工成本。

（4）在上海地區類似該工程地質情況、地基加固深度條件下，建議采用三重管雙高壓旋噴工藝。