三管法旋噴樁在橋梁基礎加固工程中的應用分析

王海瑞

(中交一公局集團有限公司，北京 100024）

0 引言

高壓噴射注漿法是加固地基的一種方法，主要是將注漿管插入土層后，利用高壓設備將漿液壓出，在高壓作用下土料與漿液充分混合，凝固后與土體形成固結體，從而達到加固地基的作用。實踐證實，高壓噴射注漿法在淤泥、淤泥質土、粉土、砂土等地質中得到廣泛應用，加固效果良好。近年來，隨著科學技術的進步、機具設備的更新，對道路橋梁工程質量提出更高要求，選擇一種經濟、可靠的基礎加固處理方案，成為施工企業的關注要點[1]。本文結合工程實踐，探討旋噴樁在橋梁基礎加固施工中的應用，為實際施工作業提供參考。

1 工程概況

某項目施工線路總長33.5km，路幅寬度為16.0m，雙向兩車道，設計車速50km/h。其中，橋梁位于K3+820～K4+580段，總長760m，采用連續簡支梁結構。現場勘察結果顯示，該地區的地質條件是第四系覆蓋層，厚度為5～15m，以沖洪積黏性土為主，巖體強至中度風化。施工區內補鉆勘察孔，孔深共計17.5m，自上到下巖性分別是：（1）粉質黏土，厚度4.2m，稍濕，硬塑；（2）粉質黏土夾圓礫，厚度0.3m，稍濕，粒徑為3～5cm；（3）碎石土，厚度12.7m，稍濕，中密；（4）粉質黏土，厚度0.3m，稍濕，硬塑。為提高地基強度和承載力，擬采用旋噴樁施工方案，技術指標包括：旋噴樁樁徑≥600mm，樁身強度≥8MPa，單樁承載力≥100kPa。

2 旋噴樁的加固機理和工藝類型

2.1 加固機理

旋噴樁主要是通過高壓噴射的水泥復合漿液破壞原有土層結構，將原有土層顆粒與水泥復合漿液在噴射過程中充分混合攪拌實現置換，通過在高壓下的充填和壓密，逐步形成新的固結體，同時水泥漿液通過滲透作用如同根須般滲透至土體，進一步提升了地基承載力，其效果與相似工藝相比具有施工效率高、強度提升快等優點，具體如下：

（1）旋噴樁在高壓狀態下能夠適應各種土層結構，即使在黏性土層中依舊可以達到提升承載力效果，不受環境因素限制，應用廣泛；

（2）使用水泥作為硬化劑，不僅材料容易獲得、價格低廉，而且對土體的加固效果好，樁身強度可達到0.5～15MPa；

（3）鉆機在鉆孔作業中，根據設計需求既能垂直成孔，也能傾斜成孔，深度不受限制，可實現分段加固或連接加固；

（4）施工過程中對周邊土體擾動小，不會產生較大揚塵，不會造成嚴重污染，有利于環境保護，可在建筑密集的區域施工；

（5）結構形式靈活，既可作為臨時加固措施，也能為建筑項目的地基進行永久加固。

2.2 工藝類型

旋噴樁由于其施工高效，噴射效果好，廣泛用于各種砂性土層、黏性土層中，根據其噴射方式不同，分為單管法、二管法、三管法等。其中，單管法是使用單根管路噴射漿液破壞土體并成樁，優點是成本低、施工速度快，缺點是固結體的直徑較小；二管法是在單管基礎上增加了壓縮空氣，從而擴大固結范圍[2]；三管法（見圖1所示）在二管法基礎上增加了水流管，噴射過程中可提升對土體的切割和分解力，進一步提升固結體的范圍和強度。三種方法的對比見表1。

表1 噴射數據比較

圖1 三管法施工示意圖

結合該工程實際情況，綜合分析后采用三管法旋噴樁施工方案，如圖1所示。樁徑為50cm，樁長為10m，樁頭采用80cm×80cm×80cm的立方體形式，埋深50cm。

3 旋噴樁施工技術參數計算

旋噴樁施工技術參數涉及噴射壓力、噴射泵量、射流功率、注漿量和復合地基承載力等的計算。

（1）噴射壓力：

式中：

p——噴射壓力，MPa；

ρ——噴射液體的密度，g/cm3；

Q——噴射流量，L/min；

n——噴嘴數量，個；

μ——噴嘴流量系數，圓錐形噴嘴取值0.95；

φ——噴嘴流速系數，圓錐形噴嘴取值0.978；

d0——噴嘴出口內徑，mm。

（2）噴射泵量：

式中，各符號表示意義與式（1）相同。

（3）射流功率：

式中，N表示噴射流總功率，kW；其他符號表示意義與式（1）相同。

（4）注漿量：

式中：

q——合理注漿泵量，m3/min；

De——預計旋噴固結體直徑，mm；

V——注漿管提引速度，m/min；

K——設計充填率，一般取值0.75～0.90。

（5）復合地基承載力：

復合地基承載力根據現場單樁或多樁復合地基載荷試驗確定，計算公式：

式中：

fspk——復合地基的承載力特征值；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值；

Ap——面積轉換率；

β——樁間土承載力折減系數；

fsk——樁間土承載力特征值。

結合該工程實際情況，采用高壓噴水+中壓噴漿工藝。計算得到高壓噴水主要技術參數：使用2個噴嘴，直徑為2mm，壓力為24～25MPa，漿液流量為80～100L/min，回轉速度10～75r/min，提升速度0.1～0.12m/min。中壓噴漿主要技術參數：使用2個噴嘴，直徑為3mm，壓力為10～75MPa，漿液流量為65～95L/min，回轉速度10～75r/min，提升速度0.2～0.24m/min。

4 旋噴樁施工技術要點

該工程所用旋噴樁施工工藝流程為：施工準備→鉆機就位→鉆孔→下噴射管→噴漿→拔管→沖洗→移動機具→回填注漿。旋噴樁施工技術要點包括施工準備、鉆機就位、鉆孔、下噴射管和噴漿等。

4.1 施工準備

（1）現場準備。根據施工要求對現場封閉處理，使用挖掘機進行開挖，平整場地并鋪設碎石，設置排水設施，確保現場無雜物、無積水[3]。

（2）技術準備。主要是測量放線，根據設計圖紙使用全站儀放出樁位，復核孔距將誤差控制在50mm以內，設置木樁進行固定。然后進行標高測量，標記孔口距離地面的高程，經設計單位和監理工程師認可后施工。

（3）機具準備。該工程使用的主要機具有：GD-2全液壓旋噴鉆機、新型三重管旋噴器、水泥攪拌機、SNCH300高壓泥漿泵、3XB高壓清水泵、BW10-250中壓泥漿泵、VY6-12空壓機等。

4.2 鉆機就位

（1）鉆機安放時檢查鉆桿傾斜度，確保鉆桿傾斜度<1.5%且與孔位中心處于一條直線上，鉆孔與注漿泵之間的距離≤50mm。

（2）鉆機就位后，再次檢查鉆孔的位置，與設計位置的偏差要在50mm以內。通過低壓注水的方式，檢查噴嘴是否暢通，確保壓力符合設計要求。

4.3 鉆孔

（1）鉆孔作業采用泥漿護壁，泥漿的容重為1.1～1.25g/cm3。鉆孔直徑超過噴射管外徑20～50cm，以確保正常返漿冒漿。

（2）控制好鉆進速度，每鉆進5m測量機身水平和鉆桿垂直，防止發生偏斜，并觀察地層變化，記錄孔深、漏漿等情況。

（3）如果勘察資料和現場地層條件不符，可布置一個先導孔，鉆進完成后查看地層變化，為正式鉆進作業提供依據，調整技術參數。

（4）終孔深度超過開噴深度50～100cm，將孔內的雜質清理干凈，置換新的泥漿。并且測量樁孔的傾斜度，要求孔斜率≤1%。

4.4 下噴射管

（1）鉆孔驗收合格后，測量噴射管的長度，看噴嘴中心線與噴射管方向是否一致。然后進行試噴，將噴頭置于高壓水泵附近，調整為設計噴射壓力。

（2）地面試噴合格后，下噴射管時注意保護噴嘴，防止發生堵塞。若孔內沉淀物較多，備好黏土泥漿下噴射管一邊充入泥漿、一邊下管，將壓力控制在1MPa以內，防止孔壁坍塌[4]。

4.5 噴漿

（1）噴射管的噴嘴達到設計標高時，即可噴射注漿。調整各個注漿參數，按照旋噴工藝要求提升噴射管，由下向上噴射注漿。

（2）復合漿液與基底土層結合后，伴隨凝固將產生收縮，為確保漿液凝固不影響樁基高程，對原孔位進行二次注漿，注漿時應注意注漿管分段提升的搭接長度超過10cm。

（3）按照設計的水灰比配制水泥漿，該工程的水灰比為1.2∶1。使用攪拌機攪拌，時間不短于180s。保證注漿作業的連續性，水泥漿從制備到用完的時間控制在2.5h以內[5]。

（4）噴射注漿施工距離樁頂300cm時，適當減小提升速度；距離樁頂50cm時，減小注漿壓力，以保證樁體結構的安全性。

（5）一個樁孔噴射注漿完成，將鉆機等機具移動至新的孔位，重復以上施工步驟，直至所有的樁孔完成噴射注漿。

4.6 施工注意事項

（1）樁基長度在達到設計長度后，樁頭預留出20～50cm，方便下道工序施工，同時減少施工影響樁基自身承載力及樁身質量。

（2）在黏性地層采用旋噴施工，其噴漿效果與速度均受土層影響，為保證噴射效果，達到預期基底強度，在第一次高壓噴射后采用二次復噴，從而進一步提升噴射效果。

（3）噴漿過程中當冒漿量超過灌漿量20%時，應加快注漿管提升速度，同時提高噴射壓力，縮小孔徑。

5 質量驗收和加固效果

5.1 質量驗收

施工完成后，按照表2進行質量驗收，結果顯示各項指標均符合標準要求，旋噴樁施工質量合格。

表2 質量驗收標準

5.2 加固效果

旋噴樁采用抽芯法檢驗地基加固效果，試驗樁施工完成經過養生后從中抽取芯樣，芯樣采用金剛石雙管鉆具采集，將采集后的芯樣取上、中、下三段進行加載試驗[6],試驗結果見表3所示。由試驗可知，當豎向荷載加載至150t時，其樁身強度均超過10MPa，芯樣未發生變形破壞，滿足設計及規范要求，加固效果良好。

表3 試驗結果

5 結束語

綜上所述，旋噴樁施工方案的適用范圍廣，加固效果好，施工操作簡單，是地基基礎加固的有效手段。本文結合工程案例，重點介紹了旋噴樁方案設計與施工方法。質量驗收表明，地基加固效果良好。該項目所總結的相關技術經驗，可作為同類型工程的參考。