高压喷射注浆法在广州港新沙港区的应用

曲长武，喻浪，李广森

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

高压喷射注浆法是20世纪70年代发展起来的一项土体加固技术。在日本称为CCP工法（Chemical Churning Pile or Pattern），意思是化学搅拌成型法，相当于我国的土中旋转喷射桩加固法。高压喷射注浆法可用于既有建筑和新建建筑地基加固，深基坑、船坞、地铁等工程的土层加固或防水。适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、砂土、黄土、素填土、碎石土、流塑、软塑或可塑黏性土等地基。高压喷射注浆法分旋喷、定喷和摆喷三种类型，根据工程地质条件和现场情况选用。广州港新沙港区2～3号泊位后方地基改良及港池浚深工程地下水位受潮水影响变动较大，根据码头现场情况和旋喷桩设计尺寸，后方地基改良采用旋转喷射（简称旋喷）法施工。

1 工程概况

广州港新沙港区2～3号泊位后方地基改良及港池浚深工程位于广州港新沙港区，原码头主体结构为直腹式格形钢板桩结构，主格仓直径21 m，码头前沿设计底标高-12.5 m，码头面顶高程4.40 m。按照设计要求对码头2号泊位及部分3号泊位共351 m长度岸线范围内的港池底标高由-12.50 m浚深至-13.50 m，以满足10万吨级散货船在限定条件下的安全靠泊作业。码头浚深至-13.5 m后，为保证格型钢板桩码头整体抗剪稳定性，对码头主格仓墙体后沿15 m范围内回填砂采用旋喷法进行地基改良处理，旋喷桩桩身强度不小于1.5 MPa，同时码头前沿岸线后30 m范围内均布荷载限载20 kN/m2，以满足港池浚深后码头主体结构的安全使用要求。码头设计断面见图1。

2 地质情况

后方陆域施工区域主要为格型钢板桩后方回填砂，根据工程地质资料，纵断面由上而下主要为约0.3 m厚砂混碎石层（内摩擦角φ=30.5°）；约14 m厚中粗砂（内摩擦角φ=27.5°）及细砂（内摩擦角φ=26°）；约1.5 m厚淤泥质土（内摩擦角φ=18°）以及下层为中、粗、砾砂（内摩擦角 φ =35°）。

码头结构格型钢板桩后方陆域施工区域全部为吹填砂，地下水位受潮水影响变动较大，给施工带来一定困难。

图1 码头设计断面图

3 工程施工特点分析

3.1 施工方案的选定

本工程施工区域全部为格型钢板桩后方回填砂，地下水位受潮水影响变动较大，根据码头现场情况和旋喷桩设计尺寸，选用三重管法旋喷桩施工。

3.2 工程质量及工期要求

本工程为改造项目，总工期100 d，由于受码头生产需要的影响，场地需分两次提交给施工单位。为满足码头在施工期间的抗剪切稳定性，需要分区分阶段跳跃施工。共分为39个区，每区长度9 m，分三阶段施工，每区旋喷桩达到7 d龄期后方可开始相邻区域施工；在旋喷桩完工达到设计强度后方可进行码头前沿线46 m范围内的港池挖泥。

为满足该工程工期要求，需要充分利用施工作业面，并配置充足的人员、机械设备进行周密的策划，合理组织，确保工程在保证安全、质量的前提下按期完工。

3.3 旋喷桩质量控制

旋喷桩施工质量控制是本工程的重点和关键点。旋喷桩施工采用三重管法，单桩加固直径为1 500 mm，桩间距1 500 mm，最大桩长11.0 m，桩身强度要求7 d龄期无侧限抗压强度≥0.8 MPa，28 d无侧限抗压强度≥1.5 MPa。灌筑水泥浆的水灰比0.8∶1，采用强度等级不小于P.C 32.5级复合硅酸盐水泥。由于桩径较大，在施工过程中必须严格控制浆液水灰比、提升速率、灌浆压力等技术参数，这些参数的选择需要经过工艺试验确定。

3.4 旋喷桩施工对混凝土面板的影响

旋喷桩施工范围为长351 m，宽15 m，约5 265 m2，为满足码头施工生产要求，不能对码头面板大面积揭开施工，仅在每根桩桩位钻取直径130 mm的圆孔进行钻机钻进喷浆，受喷浆及施工压力的影响，有可能使码头面板产生隆起。且在施工区域内存在一条宽7 m、贯穿1～2号泊位的皮带机廊道。廊道部分基础为20个3.0 m×3.0 m×1.3 m的条形基础，在旋喷桩施工时，对基础扰动大，对皮带机廊道影响大。

4 旋喷桩工艺试验

为保证工程质量进行二组三重管法旋喷桩施工工艺试验。

4.1 第一组工艺试验

第一组工艺试验采取水泥用量、膨胀土、用水量、每延米水泥浆用量、喷浆压力、空压机压力、钻头旋转速度相同，改变硅酸钠用量、喷水压力、钻头提升速度、每延米提升耗时、浆液流量等参数。见表1。

表1 旋喷桩工艺试验参数表

在第一组第一根旋喷桩试验中，由于硅酸钠掺量较少，钻头提升速度过快，每延米提升耗时短，加上地下海水随潮汐影响，没有形成旋喷桩。当加大硅酸钠掺量，减慢钻头提升速度，延长每延米提升耗时时间时，第一组第二根旋喷桩虽然能够形成，但是旋喷桩的强度太低，达不到设计要求。

4.2 第二组工艺试验

第二组旋喷桩施工工艺试验采取提高胶凝材料，水泥掺量由原来的500 kg/m3提高到650 kg/m3，膨胀土增加15 kg/m3。水灰比由原来的1.5降低到0.8。在第二组试验中，水泥用量、膨胀土、硅酸钠、用水量、每延米水泥浆用量、喷浆压力、空压机压力、钻头旋转速度相同，改变喷水压力、钻头提升速度、每延米提升耗时、浆液流量等参数，进行了两根旋喷桩试验，具体参数见表1。

在第二组旋喷桩工艺试验中，第二根旋喷桩由于钻头提升速度小于第一根桩，每延米提升耗时大于第一根桩，浆液流量小，在钻芯取样中，芯样的密实度大于第一根桩，而且强度高，旋喷桩桩身满足28 d无侧限抗压强度≥1.5 MPa的设计要求，确定采用第二组第二根桩的施工工艺参数进行施工。

5 旋喷桩施工

5.1 施工准备

5.1.1 施工用电用水

根据工艺试验结果和施工现场情况，施工用水、用电利用业主提供施工用水、用电接驳口。业主提供的用水量及用电量均可以满足现场施工要求。

5.1.2 原材料的检测及进场存储

施工所用的水泥强度等级为袋装P.C 32.5级复合硅酸盐水泥。水泥要新鲜无结块，每批次进场水泥必须具有产品合格证和出厂检验报告，进场后按每200 t为一批次进行复检。水泥进场后储存采用覆盖一层毡布对其进行严密遮盖，防止淋雨或受潮。

5.1.3 施工机械

施工机械主要采用三重管旋喷桩机1台，设备进场后，对其进行调试、检验。设备处于良好的工作状态，可保证其能正常进行施工，机械配备见表2。

表2 施工机械配置

5.2 施工工艺流程

根据现场情况和采用三重管法的施工工艺，其施工工艺流程如图2。

5.3 主要施工方法

由于码头上面有400 mm厚的钢筋混凝土面板，在旋喷桩施工时，为预防钢筋混凝土面板隆起，将对每根桩对应面板开孔个数多加2个孔，且将码头侧混凝土面板掀开一条宽1.5 m，长351 m混凝土面板，防止混凝土面板隆起，并可以有效减少旋喷桩对码头的法向应力。

在皮带机廊道条形基础处周围先进行压浆施工，待水泥浆固结，达到强度的70%后（7 d），再进行条形基础外围的旋喷桩施工，以保证皮带机廊道的安全使用。

5.3.1 面板开孔

在场地清理完毕后，根据现场情况，选取4根具有代表性桩位，面板开孔后，即可以进行桩机定位。

5.3.2 修建排污和水泥浆拌制系统

旋喷桩施工过程中将会产生10%～20%的返浆量，将废浆液引入沉淀池中，沉淀后的清水根据场地条件可进行无公害排放。沉淀的泥土清场运走。沉淀和排污统一纳入全场污水处理系统。

水泥浆拌制系统主要设置在存储水泥附近，便于作业。主要由水泥浆拌制设备、水泥浆储存设备、水泥浆输送设备组成。

5.3.3 钻机就位

采用XY-1型地质钻机进行钻孔。钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆与桩位一致，偏差在10 mm以内，钻孔垂直度误差小于0.3%。造孔前应调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常。校验钻杆长度，并用红油漆在钻塔旁标注深度线，保证孔底标高满足设计深度。

5.3.4 钻机成孔

钻机施工前，首先在地面进行试喷，在钻孔机械试运转正常后，开始引孔钻进。钻孔过程中详细记录钻杆节数，保证钻孔深度的准确性。钻进过程中，遇到异常情况及时查明原因，并及时采取相应措施。对地层变化、颗粒大小不一和硬度变化等情况详细记录。钻孔结束后，由技术人员进行质量检查，合格后移位至下个孔钻进。

5.3.5 制备水泥浆

水泥浆液制备根据工艺试验结果进行。浆液采用高速搅拌机搅拌，必须连续均匀，搅拌时间不小于30 s，一次搅拌使用时间控制在4 h以内。在制浆过程中随时测量浆液密度，每孔高压旋喷灌浆结束后统计该孔的材料用量。

5.3.6 拔出岩芯管、插入注浆管

钻机钻孔达到深度要求后，拔出钻杆，移开钻机，高喷台车就位，将喷射管插入预定深度。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水边插管，水压力一般不超过1 MPa。如压力过高，则容易将孔壁射塌。将高喷台车移至成孔前，先在地面进行浆、气试喷，检查各项工艺参数符合设计要求后将喷射管下至设计深度，经现场质检人员检查认可后方可进行高喷灌浆施工。喷射过程中如遇特殊情况，如浆压过高或喷嘴堵塞等，应将喷射管提出地面进行处理。

5.3.7 旋喷提升

当喷射注浆管插入设计深度后，接通泥浆泵，由下向上旋喷，同时将泥浆清理排出。喷射时，先应达到预定的喷射压力、喷浆后再逐渐提升旋喷管，以防扭断旋喷管。为保证桩底端的质量，喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转10 s左右，待孔口冒浆正常后再旋喷提升。钻杆的旋转和提升应连续进行，不得中断。钻机发生故障，应停止提升钻杆和旋转，以防断桩，并立即检修排除故障。为提高桩底端质量，在桩底部1.0 m范围内应适当增加钻杆喷浆旋喷时间。在旋喷提升过程中，可根据不同的土层，及时调整钻杆旋喷参数。

5.3.8 回灌

旋喷结束后，随即在喷射孔内进行静压充填灌浆，直到浆面不再下沉为止，保证喷浆固结后桩顶标高满足设计要求。

5.3.9 钻机移位

旋喷提升到设计桩顶标高时停止旋喷，提升钻头出孔口，清洗注浆泵及输送管道，钻机移位。

5.3.10 面板修复

旋喷桩完成达到一定强度以后，采用微膨胀C30混凝土对面板进行修复。

6 施工质量检测

6.1 质量控制

旋喷桩质量检验项目根据设计和JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》规范的要求进行。具体项目有：水泥及外加剂的品种和质量、水泥浆的水灰比、旋喷桩施工的程序、压力、注浆量、提升速度及旋转速度和旋喷桩允许的偏差，如表3。

表3 旋喷桩允许偏差检验表

6.2 检测结果

本工程高压旋喷桩共2 508根，使用的P.C 32.5级复合硅酸盐水泥、膨胀土、硅酸钠经检验全部合格；水泥浆的水灰比控制在0.8；旋喷桩施工的程序、压力、注浆量、提升速度及旋转速度等均符合施工工艺参数的要求。

高压旋喷桩无侧限抗压强度的检测，采取在每根桩身钻取两个孔，每个孔上、中、下部各取水泥土芯样试件一组，然后取平均值计算每根桩的强度。共抽芯检验27根桩，检测结果为：最大无侧限抗压强度为9.70 MPa、最小无侧限抗压强度为1.50 MPa、平均强度为5.26 MPa、均方差为2.25 MPa，均满足28 d不小于1.5 MPa的设计要求。

6.3 施工注意事项

1） 施工前，要求检查旋喷管的高压水与空气喷射情况，各部位密封圈是否封闭，合格后方可喷射浆液。

2） 施工时，对高压泥浆泵要全面检查和清洗干净，防止泵体的残渣和铁屑存在；各密封圈应完整无泄漏，安全阀中的安全销要进行试压检验，确保能在额定最高压力时安全施工；压力表应定期检查，保证正常使用，一旦发生故障，要停泵停机排除故障。

3） 喷射时，高压胶管不能超过压力范围使用，使用时屈弯应不小于规定的弯曲半径，防止高压管爆裂伤人。应达到预定的喷射压力、喷浆量后再逐渐提升注浆管。

4） 高压旋喷注浆是在高压下进行，高压射流的破坏力较强，浆液应过滤，使颗粒不大于喷嘴直径；高压泵必须有安全装置，当超过允许泵压时，应能自动停止工作；因故需较长时间中断旋喷时，应及时用清水冲洗输送浆液系统，防止水泥浆凝固在管路内。

5）旋喷过程中，冒浆量控制在10%～25%之间。

6） 高压喷射注浆完毕后，应迅速拔出喷射管。施工中做好泥浆处理，及时将泥浆运出。

7 结语

该工程为国内第一个格形钢板桩结构码头的升级改造工程，由原来的3.5万吨级散货码头改造升级为10万吨级散货码头。该工程自立项以来多次经国内水运工程专家的技术论证和技术支持，确定了该工程在不破坏码头结构面、保证码头正常生产的情况下，对后方地基采用三重管法旋喷桩加固、港池水深浚深至-13.5 m的施工方案。

施工中克服了施工场地狭窄、施工环境差、工期紧等困难，积极配合，主动避让与码头生产的冲突。使得桩径为1.5 m，桩间距为1.5 m，共19 749 m的高压旋喷桩，施工历时93 d，提前7 d完成。另一方面，采用全站仪、水准仪和铟瓦尺对码头的胸墙、轨道梁、皮带机廊柱、电缆隧道、后方处理地面进行水平位移和沉降观测。工程从开始到竣工共监测140个点，监测结果显示各部位位移和沉降变形值均较小，变形累计值和变形速率均符合相关规范规定和设计要求。

［1］ DBJ 15-38—2005，建筑地基处理技术规范［S］.

［2］ JTS 257—2008，水运工程质量检验标准［S］.

［3］ JTJ 268—1996，水运工程混凝土施工规范［S］.