引孔輔助施工技術對高壓旋噴樁成樁質量的提升效果分析

■宋永杰

（福州市首邑交通建設投資有限責任公司，福州 350000）

近年來，隨著城鎮化進程的加快，城鎮道路的提升改造也在提速，城鎮中的很多道路跨越河流，原有的橋梁已不能滿足現狀交通量的需求及交通荷載的要求，需要進行拆除新建，新建橋頭的地基要具備較高的強度、剛度、穩定性以及承載能力[1]。 有些新建橋梁的橋頭會存在軟土地基，容易造成路面沉降、橋頭跳車等病害出現，須進行軟基處理。 目前應用較多的處理技術是高壓旋噴法施工，該技術最早起源于日本， 是在化學靜壓注漿法的基礎上，結合高壓水流射切技術發展而來[2]。 該技術具有明顯的優勢：（1）設備簡易、施工便捷，適用范圍廣；（2）固結體的形狀和方向可控、 柱體強度、 耐久性高；（3）料源廣泛易得、價格便宜，生產安全、對環境影響小等[3]，在國內外得到了廣泛的應用。 然而，高壓旋噴法應用于雜填土、填石層、填中粗砂層等空隙率較大軟基時易導致成樁質量較差。基于此，本研究以南通鎮通洲路（二期）道路工程為例，探討并驗證采用引孔輔助施工技術提升高壓旋噴法成樁質量問題，為高壓旋噴法施工技術的完善提供更多選擇。

1 工程概況

南通鎮通洲路（二期）道路工程位于福州市閩侯縣南通鎮，項目起點接南通鎮民生路，向南延伸，終點接南通鎮南通街，道路長度1 835.866 m，道路寬度20 m。全線有橋梁1 座，該橋橫跨通洲河，現狀橋梁不能滿足交通量的需求及設計荷載要求，安全隱患大，且橋梁跨徑偏小，阻水面積大并不符河道規劃斷面，故需在原橋址拆除舊橋重建新橋。

新建橋頭有軟基需要處理，通過對軟基進行鉆探勘察可知，該橋頭軟基的地質情況從上往下主要為1.4 m 厚的雜填土、2.7 m 厚的填石、2.9 m 厚的填中粗砂、2.13 m 厚的河泥、13.4 m 厚的淤泥夾砂。軟基處理采用單管高壓旋噴樁，具體設計參數如下：（1）軟基處理面積1 326 m2，高壓旋噴樁707 根，總長度15 906 m；（2）高壓旋噴樁設計為單管旋噴樁，平面布置為梅花形布置，間距1.5 m×1.3 m；（3）設計樁徑φ500 mm，樁長（21.5～23.7）m 采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8～1.2；水泥漿噴射壓力宜大于20 MPa，噴漿管提升速度為（0.1～0.25）m/min，水泥用量150 kg/m，要求施工成樁28 d 后取芯的無側限抗壓強度大于等于3.0 MPa，復合地基承載力大于等于132 kPa。

2 高壓旋噴樁施工工藝

2.1 布置形式

本項目高壓旋噴樁按梅花形布置，見圖1。

圖1 高壓旋噴樁布置情況

2.2 施工工藝

軟基處理采用的高壓旋噴法自下而上噴漿攪拌成型， 噴嘴為單管雙嘴， 注漿管噴嘴直徑為20 mm，注漿壓力不小于20 MPa。 水泥漿從噴嘴中噴出，高壓旋轉環切削土體，削切較大顆粒為小顆粒，達到置換及填充的效果，從而提高土體強度，工藝流程見圖2。

圖2 高壓旋噴樁工藝流程

3 高壓旋噴樁成樁存在的質量問題及主要原因分析

3.1 質量問題

經試樁發現存在以下問題：（1）施工過程中返漿異常，冒漿量比較少；相鄰旋噴孔口出現串漿現象；（2）原地面以下5 m 范圍內高壓旋噴樁存在基本不成型、樁身不完整、抗壓強度低、承載力低等質量問題。

3.2 主要原因分析

經分析， 試樁質量存在上述問題的主要原因如下：（1）地質原因：該軟基上層的雜填土、填石層、填中粗砂層空隙率較大，達到40%～60%，空隙比＞1.0，呈高壓縮性，土質疏松；產生漏漿、跑漿、水泥漿液，水泥漿與土體不能良好結合，從而土體強度低；注入土體層的漿液擴散至周邊土層，產生無效的大量的漿液浪費，從而出現返漿異常、冒漿量比較少以及相鄰旋噴孔口出現串漿等現象，這種特殊的地質條件是導致成樁質量差的重要原因。 在進行高壓旋噴樁施作時，沒有對相鄰的兩個樁進行間隔施作，且間隔施作的時間較短，從而加劇相鄰旋噴孔口串漿。 （2）地下水的影響：高壓旋噴樁臨近河邊，地下水位較高， 注入含水的地層漿液被地下水稀釋擴散，降低了水泥漿的濃度，降低了樁身的強度；嚴重時候被地下水沖走，出現離析、斷樁等后果。 （3）施工工藝原因：工程范圍內的地層空隙率大，水泥漿比重按照淤泥層的比重計算偏小，注漿壓力采用淤泥的注漿壓力偏大。

4 引孔輔助高壓旋噴樁施工技術

4.1 改進措施

針對上述問題，采取引孔輔助改進高壓旋噴樁施工技術： 先使用螺旋鉆機豎向鉆進一定深度，同時對所鉆的孔進行泥漿護壁， 待該所引的孔穩定后，再使用常規高壓旋噴技術對該孔進行旋噴施工至設計深度，具體措施如下：（1）根據本項目軟基地質條件，引孔深度定為5 m，5 m 以下仍采用常規高壓旋噴技術。引孔時采用優質膨潤土作為泥漿護壁材料進行孔壁防護，達到以下目的：①與周邊的地下水隔絕，制造一個小的封閉環境；②防止旋噴泥漿從較大空隙率的地層跑漿。 （2）為了提升成樁質量，采取如下加強措施：①引孔后及時進行高壓旋噴樁鉆進施工； ②5 m 以下復噴1 遍水泥漿強化樁身強度。 （3）對相鄰的兩個樁采取間隔施作的方法，間隔時間應足夠長。 （4）隔斷地下水：考慮到項目現場臨近河流，采用輕型井點降水方法，使水泥漿液不易滲流或者被地下水稀釋及沖跑。

4.2 引孔輔助施工流程

采用履帶式地質螺旋鉆機作為引孔設備，該設備小、靈活方便、費用較低、成孔質量好，適用于不深地層引孔。 螺旋鉆頭直徑φ150 mm，確保成孔有效直徑不小于φ130 mm。

4.2.1 施工準備

首先是對樁位進行放樣，確定好各個旋噴樁的位置并用簽片樁插設，用石灰圈點標記，方便在施工中迅速定位；其次是溝槽開挖，以高壓旋噴樁的中心為基準向兩側開挖約50 cm 的槽，方便架設旋噴機具；再者是建造灰漿拌制和排污系統，廢漿和沉淀等全部按照污水進行處理，不得直接排放入河流；最后是準備地質螺旋樁機2 臺（1 臺用于引孔、1臺用于旋噴成樁）及其配套鉆頭鉆桿，以及優質膨潤土若干噸。

4.2.2 履帶式地質螺旋引孔鉆機就位

按照放出的樁位，現場就位樁機后進行調平，鉆頭對準樁的中心。 通過調整4 只液壓支腿的高低，保證主機水平，使井架保持垂直。 樁位允許偏差不超過50 mm，樁垂直度偏差不超過0.5%。 同時校驗鉆桿的長度，可使用噴漆標示深度線于鉆塔旁，以確保引孔深度。

4.2.3 鉆進造孔

鉆孔前要調試泥漿制備系統，確保制漿設備正常運轉。 引孔時確保鉆孔位置縱橫軸位置不超過±50 mm，確保鉆進過程機械不產生較大的晃動，引孔自上而下逐層鉆入，引孔速度根據機械的性能及地質層的特性的實際情況嚴格控制，防止鉆孔扭曲變形。 引孔過程安排專人負責，對現場成孔情況做好詳細記錄，密切觀察每個孔鉆進狀態和一些特殊情況，及時反饋上報并采取有效措施。

4.2.4 泥漿護壁

考慮到本項目地層地質復雜（填石層、雜填土層、粗砂層、地下水位高），空隙率特別大，在引孔過程中需采用優質膨潤土作為泥漿護壁材料，對孔洞周邊空隙有較好的填充效果，防止塌孔，泥漿濃度應調制較為濃稠效果最佳。

4.2.5 移機

移動地質螺旋鉆機，開動履帶設備移至下一根樁位（間隔引孔），移動時候注意不要造成洞口塌方，引起孔洞堵塞。

4.2.6 驗孔

每一個孔鉆完畢應及時組織驗孔，對孔深、孔徑、垂直度進行檢驗，確保各項指標符合要求，并對其覆蓋保護，防止機械及人員對孔的破壞。 驗孔合格后即可按照圖2 的高壓旋噴樁工藝流程圖進行5 m以下地層高壓旋噴作業。

5 2 種施工工藝效果分析

在同一區域，采用常規高壓旋噴樁施工基樁6 根，編號C1～C6；采用引孔輔助技術施工旋噴樁6 根，編號Y1～Y6。兩組試驗樁相鄰布設、施工，待達到規定齡期后，根據JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術規范》，進行樁身完整性、樁身強度、單樁豎向抗壓承載力、復合地基承載力檢測，以檢驗引孔輔助施工技術效果。

5.1 樁身完整性

采用低應變法檢測樁身完整性，結果見表1。

表1 2 種施工工藝樁身完整性檢測結果

由表1 可知：常規工藝施作的高壓旋噴樁多為III 類樁，樁身有明顯缺陷；引孔輔助施工的高壓旋噴樁多為I 類樁，樁身完整性更好。

5.2 樁身強度

采用取芯法進行樁身強度檢測。 由圖3 可知：常規工藝施作的高壓旋噴樁樁身強度在2.1 ～2.5 MPa，平均強度為2.3 MPa，不滿足大于等于3.0 MPa的設計要求；引孔輔助施作的高壓旋噴樁樁身強度在3.1～3.5 MPa，平均強度為3.3 MPa，滿足設計要求。 兩者相比，采用引孔輔助施工技術的旋噴樁，其樁身強度提高約44.1%。

圖3 2種施工工藝樁身強度對比

5.3 單樁豎向抗壓承載力

采用靜載試驗進行單樁豎向抗壓承載力檢測。由圖4 可知，常規工藝施作的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓承載力在150～190 kPa，平均承載力為173 kPa；采用引孔輔助施工技術施作的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓承載力在290～320 kPa，平均承載力為298 kPa。兩者相比，采用引孔輔助施工技術的旋噴樁，其單樁豎向抗壓承載力提高約72.1%。

圖4 2 種施工工藝單樁承載力對比

5.4 復合地基承載力

采用復合地基靜載荷試驗方法進行復合地基承載力檢測。 由圖5 可知，采用常規工藝施作的高壓旋噴樁復合地基承載力在160～195 kPa，平均承載力為176 kPa；采用引孔輔助施工技術施作的高壓旋噴樁復合地基承載力在265～280 kPa，平均承載力為271 kPa。兩者相比，采用引孔輔助施工技術的旋噴樁，其復合地基承載力提高約54.0%。

圖5 2 種施工工藝復合地基承載力對比

綜上所述，本項目采用常規工藝施作高壓旋噴樁，其樁身完整性差，樁身強度不能滿足設計要求；采用引孔輔助施工技術施作的高壓旋噴樁，其樁身完整性好，樁身強度滿足設計要求，各項性能指標大幅提高。

6 結論

由于本項目軟基上層為雜填土、填石層、填中粗砂層，空隙率大，導致常規工藝施作的高壓旋噴樁質量差，通過采用引孔輔助技術改善高壓旋噴樁施工，樁基性能大幅度提升，很好地滿足了工程需求和設計指標，得到結論如下：（1）由于特殊地質、地下水、施工工藝等原因造成常規施工的高壓旋噴樁成樁效果不好，通過引孔輔助施工技術可有效解決了成樁質量差的問題；（2）引孔輔助施工技術需結合工程實際考慮引孔深度，使用優質膨潤土作為泥漿護壁材料進行孔壁防護；施工過程應嚴格控制引孔的深度、孔徑和垂直度等指標；（3）引孔輔助施工技術施作的高壓旋噴樁，其樁身完整性大都由Ⅲ類樁提升至I 類樁；樁身強度、單樁豎向抗壓承載力、復合地基承載力分別提高約44.1%、72.1%、54.0%。