高壓旋噴樁在市政道路路基處理中的應用及效果分析

莊云翼

0 引言

軟土具有含水量高、透水性差、壓縮性高、抗剪強度低、固結時間長等特點。在市政工程施工時，經常碰見軟土地基，從而導致地基的沉降量大或者不均勻沉降等問題，這直接影響施工進度以及施工安全，因此需要對軟土進行特殊處理。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的注漿法相比具有節約施工成本、提高施工效果好以及縮短施工工期等優點，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性要求較強，為了保障旋噴樁的施工質量，需要提高相應的作業人員對旋噴樁施工工藝的熟悉度。目前，許多學者已經對高壓旋噴樁在軟基處理方面的應用做了有益的探索，例如周勇等[1]固結灌漿及高壓旋噴樁地基軟基處理施工關鍵技術，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]對旋噴樁連續施工引起的地表變形開展了一系列的現場試驗研究，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計。本文的創新之處在于以福建省泉州市某市政道路工程為具體實例，在對高壓旋噴樁的地基處理原理、固結機理、成樁機理等進行分析的基礎上，總結了高壓旋噴樁應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。

1 高壓旋噴樁的地基處理原理

1.1 固結機理

將高壓噴嘴置于設定位置的軟土層內，然后將水泥漿液或一些特制漿液噴入土體內，鉆桿保持一定的旋轉速度均勻噴射，噴管在噴漿的同時徐徐提升，噴射出的漿液和土粒的混合體凝固成型后形成一定強度的圓柱形固結體，由該固結體承擔上部荷載從而達到加固的效果。依照噴射出的介質一般分為單管法、二重管法及三重管法，而單管法在工程中應用最多。單管法的噴射介質僅含有漿液；而二重管法與三重管法則包含兩種或多種介質，二重管法是利用二重噴射管噴出兩類介質（漿液和空氣），其中空氣負責切割土體，漿液則在土體內形成較大的固結體，達到加固效果；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，而增加固結體的體積，實際施工中的加固體直徑甚至能達到2m，從而對原本的軟土實施非常有效的加固。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 成樁機理

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

2 高壓旋噴樁在市政道路路基處理中的應用

2.1 工程概況

福建省泉州市某市政工程，道路長度為265.475m，規劃紅線寬18m，機動車道左右二幅各7.5m，人行道兩側各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。路線所經過的地層主要是沖積層，部分存在湖相沉積，同時還具有海、陸相互沉積的特征，沿線內部的巖石種類較多，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范圍內的粉土、粉砂可液化。因沿線的地質條件不太好，道路路基需經過加固后方可施工，且缺乏路堤填料。土層主要力學參數如表1所示。

表1 土層主要力學參數表

本項目的市政道路所設計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 高壓旋噴樁設計示意圖

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。正式施工前應制作2～ 3根工藝試驗樁，確定旋噴樁的施工工藝及樁的參數。然后將鉆機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，為防止泥沙堵塞噴嘴，噴水和插管可同時進行，但水壓力不應大于1MPa，防止破壞沿途的滲透土層。噴管達到預定深度后，先送氣，待到氣體壓強到達指定值時再送漿液，等噴射壓力達到設計壓力后再提升噴管。旋噴樁應由下而上均勻噴射至設計標高，在這個過程中嚴格控制漿液的凝固時間、漿體流速、運送量、輸送壓力以及提升速度等參數。在噴射施工完成后，對送漿管進行清理工作以備后續繼續施工。

2.3 施工方法

由于設計環節和相關細節的復雜性，因此現場作業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，也需要對設計細節有充分的了解。在此基礎上，按照既定的施工工藝和施工方案進行施工。

首先，施工前要做一系列的施工準備工作。其中較為重要的兩個任務是測量放線和樁孔定位。測量放線的過程中根據設計圖紙按坐標點依次進行，對每個點都需要復核確保其正確性。準確記錄圖紙上的孔位信息（包括孔號、編號以及樁號）。另外，還需要根據基準點測量不同樁孔的標高，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，鉆孔質量在一定程度上決定了旋噴樁的施工質量，因此在施工過程中的相關操作必須高度重視。在現場嚴格按照相關施工方案和設計規范要求進行施工。當鉆機到達指定位置時，應對鉆機進行固定，以保證鉆機的穩定性。

最后，在注漿完成的基礎上進行灌注施工。水泥漿液質量必須滿足相關要求，這對整體質量有十分重要的影響。有條件的情況下，可以在施工現場建立攪拌機現場配置水泥漿液。在配漿的過程嚴格遵守相關規范，確保漿液內材料配比的科學性，同時充分攪拌保障漿液的一致性和均勻性；還需要保證旋噴過程漿液的運輸量，避免漿液供應不足的問題；在低溫天氣下，充分考慮氣溫對非連續性噴射可能出現的影響，對運漿管道采取一定的保暖措施。

除此之外，在注漿作業前檢查運漿管道的通透性，避免運送漿液過程中出現堵塞現象。在所有準備工作完成后開始注漿，開始注漿時要保證旋噴管的位置是否準確，然后開始噴射介質（漿液、空氣、水的混合體），旋噴管上升直到預定位置方才停止噴射，旋噴管提升速度通常控制在10～25cm/min的范圍內。目前高壓旋噴樁施工的實際情況，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

高壓旋噴樁為了避免施工過程時的異常冒漿、機械故障等突發事件發生，在施工前和施工中都應采取一定的手段來處理此類事件的發生，從而保證施工的順利進行，確保施工質量達到相關要求。常見的問題及處理方法有：

（1）如果旋噴注漿時沒有發生流量變化，但壓力值出現變化，那么很可能旋噴管存在滲漏問題，這種情況下應對整個旋噴管的密封性進行檢查，消除滲漏問題后再繼續施工。

（2）如果旋噴注漿時出現大范圍冒漿現象，綜合分析現場的實際情況進行處理。假如施工線路的土體處于疏松的狀態，可能是因為此處土體粒徑小的緣故，可以繼續施工。而如果存在隧道或者空洞時，應使用速凝漿液減少漿液的冒出。

（3）如果冒漿情況非常嚴重，考慮可能是噴漿量過大造成的。可以在噴射壓力不變的情況下降低漿液流量或者適當地增加噴管旋轉速度或者加快旋噴管的提升速度。

此外，當機械裝置在施工過程中出現未知機械故障時，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施工。

2.5 質量控制措施

首先，應確保水泥漿液的質量合格。高壓旋噴樁最終的應用效果許多時候主要是由水泥漿的質量決定的，因此在施工之前應根據實際的需求設計出合理的配合比，并考慮運輸、施工作業等對其進行質量優化，在水泥漿進入現場施工之前，應按照規范要求對水泥漿開展相關的檢測試驗，試驗合格后方可用于成樁作業。

其次，高壓旋噴樁的質量還受到現場工人的職業素養的控制。對于現場的施工工人以及從事管理的專業技術人員，需在施工前開展具有針對性的培訓或訓練，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、技術難點、驗收標準等，同時做好技術交底工作。具有針對性的技術培訓，是確保高壓旋噴樁施工質量的必要手段。

最后，在實際作業過程中，還應當加強施工過程管理。對市政工程中的高壓旋噴樁環節制定必要的操作流程、規章制度、監督機制等，并在實際作業過程中依照相關規范及規章制度嚴格執行。應明確現場施工過程中人員的具體責任，落實到人，如在施工過程中發現質量問題也應追責到人。

3 路基處理效果分析

3.1 無地基處理時的路基沉降

根據地質勘測報告，地下水位于地基表面下1.5m，地基豎向邊界為30 m。路基監測點布置位置如圖2所示，這兩個監測點分別監測A點的豎向位移和B點的水平位移。圖3為A、B監測點的豎向位移及水平位移隨路基填筑層數的變化規律。由圖3（a）可以看出，隨著路基的填筑層數，監測點A的豎向位移逐漸增大，在第4層達到最大豎向位移，為5.1cm；圖3（b）可以看出，隨著路基填筑層數的增加，監測點B的水平位移逐漸增大，1～ 2層填筑時的增加量明顯小于3～ 4層增加量，最大位移為5mm。

圖2 監測點布置

圖3 監測點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

根據實際情況，基準點埋在路基外側，監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的兩個斷面作為監測面，每個斷面埋3個監測點，構件埋于20cm的挖槽中。

試驗路段沉降監測從2018年9月8日至11月24日，總共監測78d。沉降監測點沉降結果見表2。

由表2可知，位于路基中線的S6監測點的沉降最大，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 沉降監測結果

另外，對經過處理后的復合地基承載力進行平板試驗，結果表明：地基承載力特征值大于200kPa，壓縮模量大于15MPa，各項指標均達到上部結構設計要求。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用分析，得出如下結論：

（1）高壓旋噴樁具有設備工作要求高度小、成樁質量好、施工噪音小以及施工簡便的特點，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）高壓旋噴樁技術的專業性強，要求施工作業人員對旋噴樁的施工工藝和施工方案比較了解，同時注重施工細節保障施工質量達到加固軟土路基的目的，有效保證道路工程的順利進行。

（3）高壓旋噴樁成樁的體積較小，施工時間也較短，但整體施工量大，很難做好每一樁的施工質量控制，所以在施工中必須做好相關的管理工作，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揮作用的關鍵。