高压旋喷桩法在既有高速公路软基治理中的应用

吕若冰，孔纲强，沈 扬，丁选明

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098）

高压旋喷桩法在既有高速公路软基治理中的应用

吕若冰1,2，孔纲强1,2，沈 扬1,2，丁选明1,2

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098）

结合江苏省沿海高速公路软基工程实例，介绍了高压旋喷桩法的加固机理、设计方法、施工工艺以及质量控制方法，对施工过程中的路面隆起情况进行监控分析。研究表明，高压旋喷桩技术可以有效处治既有高速公路软基工后沉降问题。本工程实例为后续类似工程优化设计和质量监控提供参考。

既有高速公路；软土地基；路面隆起；高压旋喷桩；现场监测

我国沿海诸省、长江三角洲、珠江三角洲地区高速公路发展较快，而这些地区的地基土通常具有含水率高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和厚度不均等问题。随着交通量的迅速增加，软土地基上建设的高速公路工后沉降问题日渐突出[1]，如何处治已通车高速公路软基工后沉降问题显得尤为迫切。地基软弱造成路面不平必然会影响通车的舒适性，而且由于路面不平造成的跳车产生的冲击力会使路面的不平整度进一步加剧，形成恶性循环。

高压旋喷桩法治理软土地基是利用钻机将具有特殊喷嘴的注浆管置于桩底预定高程后，喷嘴以一定的速度旋转并提升，高压喷射流冲击破坏土层，使得浆液与周围土体搅拌混合凝结成固体，从而达到加固土体的目的。到目前为止，高压旋喷注浆技术已经得到了广泛的应用，并且国内外学者在理论方面也进行了很多的相关研究，研究表明，高压旋喷桩在处理软土地基时具有良好的效果，并且处理后的工后沉降量可以进行较为准确的计算[2～5]。2006年曾克强对旋喷桩复合地基设计的几个参数进行了研究，对不同土层旋喷桩的有效桩长取值进行了分析，同时指出浆料类型及注浆量应根据土层条件进行合理选择[6]；2012年王志丰等提出了一种新的旋喷桩直径计算方法，研究表明，在三重管法中其基于圆形断面自由紊动射流理论的计算参数与土的黏粒含量有着较好的线性关系[7]。

国内外学者虽然对高压旋喷桩法进行了大量的研究，但是将其应用在已通车的既有高速公路上的研究和实践却相对较少。因此，本文结合江苏省沿海既有高速公路软基路段变形病害综合处治项目，无需将路面重新开挖，而直接将高压旋喷桩法应用在已通车高速公路上治理其不均匀沉降问题；介绍了高压旋喷桩法加固不均匀沉降高速公路的平面布置、加固深度、施工工艺和路面监测等情况，为后续类似工程优化设计和质量监控提供参考依据。

1 设计方案

1）工程概况 江苏省沿海高速连盐段位于连盐高速公路灌云二标施工段，全长7.092km。本标段最主要的不良地质现象为浅部有较厚软土分布。目前该路段由于不同路段地质情况的突变，以及不同路段采用了差异较大的地基处理方法，使得相邻两路段的地基刚度不同，造成地质条件差、地基处理不到位的路段沉降大，其他路段沉降小，从而产生沉降差。该路段自通车以来沉降一直没有稳定，每年新增沉降量达到5～10cm之多。经过比较各种加固方法，并在翔实的现场调查基础上，对该路段拟采用高压旋喷桩加固方案。

2）注浆孔及桩位布置 试验路段处理长度为30m，参照相关规范[8～10]，路堤引孔直径110mm，注浆深度16m，高压旋喷成桩直径为600mm，注浆孔纵向间距1.8m，横向间距1.8m，处理完毕后用无砂水泥密封，封口深度为2.9m。总桩数为306根，总桩长为4 896m。加固方案布置见图1。

图1 加固方案布置图

3）水泥浆配制 通过试验段施工情况，决定注浆材料采用强度为42.5的普硅水泥，掺灰量250kg/m3，施工中采取的水灰比为1∶1。

4）注浆控制 根据施工过程中路面抬起情况控制浆液压力20～24MPa，空气压力0.5～0.9MPa，水泥浆流量65L/min，钻杆升速20cm/min，钻杆转速18r/min。

2 施工工艺(图2)

图2 施工工艺现场图

1）钻机就位 钻机安放在设计的孔位上并应保持垂直，施工时旋喷管的允许倾斜度不得大于1.5%。

2）钻孔 上部沥青及路基塘渣先用潜孔锤引孔。使用76型旋转钻机，钻进深度可达30m以上，适用于标准贯入度小于40的砂土和粘性土层，当遇到比较坚硬的地层时宜用地质钻机钻孔。钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm。

3）插管 将注浆管插入路基中的预定深度，如使用地质钻机钻孔完毕，必须拔出岩芯管并换上旋喷管插入到预定深度。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1MPa，若压力过高，则易将孔壁射塌。

4）喷射作业 当喷管插入预定深度后，由上而下进行喷射作业，技术人员必须时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，并随时做好记录。当浆液初凝时间超过20h应及时停止使用该水泥浆液(正常水灰比1∶1，初凝时间为15h左右)。

5）冲洗作业 喷射施工完毕后，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除。

6）废浆处理 旋转提喷时会有一部分浆液冒出孔口，将冒出的浆液集中至一处，待施工结束后将凝固的废浆统一运出场地。

7）沥青罩面 可以采用粗粒式沥青混凝土（AC-251型）进行罩面，罩面厚度根据整个处理区域路面结构层的厚度进行调整。

3 施工期路面隆起及沉降监测

路面高程监测是工程质量监测的重要组成部分。根据施工进度中路面隆起情况可以及时调整灌浆压力，以防止路面抬起高度不足达不到设计要求或者抬起高度过高造成路面开裂。施工结束后总的路面高程变化值是高压旋喷桩法加固既有高速公路不均匀沉降最终效果的重要参考数据。

本工程在施工过程中共设置18个高程观测点，每半幅路面设置有9个高程观测点，每1～2个施工工作日做一次高程观测以保证工程质量。施工结束后总的路面高程变化值充分说明了高压旋喷桩法加固既有高速公路不均匀沉降的良好效果以及工程质量。路面监测点布置如图3所示。

图3 路面高程监测点布置

前半幅路面（连云港至盐城方向）路面监测点高程变化情况如图4所示。该半幅路施工日期从2013年8月20～9月6日完成，其中4号监测点附近有3根桩由于施工不符合标准进行了复打，导致这3根桩的实际注浆量超过了设计注浆量，造成4号监测点附近路面隆起高度异常。将4号监测点作为异常点去除，其他8个监测点的平均隆起值为6.84cm，完全达到了设计的预期加固要求。

后半幅施工路段（盐城至连云港方向）路面监测点高程变化情况如图5所示。该半幅路施工日期从2013年9月11～30日完成，其中4号、5号以及9号监测点附近有合计6根桩由于施工不符合标准进行了复打，造成这3个监测点附近路面隆起高度异常。将这3个监测点最终隆起值作为异常点去除，其他6个监测点的平均隆起值为8.27cm。

图4 连云港至盐城方向路面监测点隆起情况

图5 盐城至连云港方向路面监测点隆起情况

从以上图表数据可以看出，两幅路面出现不同程度的抬升，平均隆起值均达到最初的预期目标，加固处理效果明显。

4 加固方法经济性分析

试验路段所在区域主要为海陆交互沉积的滨海平原区，西高东低呈微倾斜状，地势低平，水系发育，地面标高一般为2～4m，新近沉积的软土分布较为普遍，本路段最主要的不良地质现象为较厚的软土层分布。

该路段自建成通车以来每年会有5～10cm的沉降，以往一直采用加铺沥青的方式缓解不均匀沉降，但是加铺沥青的方法在处治过程中会使路面产生新的附加荷载，从而引起软土路基的进一步固结和沉降。根据现场勘查以及工程地质资料，试验路段自2006年建成通车至2012年，7年间路面共加铺沥青达37.1cm之多（见表1），以高压旋喷桩加固试验段为例，处理长度30m，宽35m，沥青混合料价格以1 400元/m3考虑，仅加铺沥青材料成本即为54.537万元。

表1 该路段历年沥青加铺情况

而采用高压旋喷桩法加固该路段，加固30m×35m的路面设计的总桩数为306根，桩长为16m，桩单价为180元/m，则桩的材料成本为88.128万元。

通过以上对比可以发现，如果一直采用加铺沥青的加固方式，约4年后材料成本即会超过高压旋喷桩法的材料成本。同时加铺沥青的加固方式每次施工均需要投入相应的人工、机械及管理成本，而采用高压旋喷桩法时材料以外的成本只需一次投入。可见，从长远的经济性角度分析，采用高压旋喷桩法处治该路段的路基沉降是更为经济合理的。

5 结 论

基于江苏沿海既有高速软基高压旋喷桩试验段施工与监测，可以得到如下3点结论。

1）使用高压旋喷桩法加固软土高速公路路基，其设备较为简单，施工速度较快，对高含水率软土路基加固效果明显，能有效地治理高速公路不均匀沉降。

2）根据不同路段不同的地质条件选择合理的设计、施工参数，可令加固效果更加显著，同时可以合理保护路堤结构层在高压旋喷施工过程中不被破坏，保护路堤原有结构。

3）该路段采用高压旋喷桩法加固的综合处治费用大致相当于连续10年采用沥青加铺路面的处治成本，而若采用沥青加铺路面的方式10年内该路段不可能停止不均匀沉降，可见高压旋喷桩法加固软土路基具有良好的经济效益和社会效益。

[1]钱 归.广明高速公路广州段软基处理方案及检测分析[D].广州：华南理工大学，2012.

[2]张 鑫.高压旋喷桩在高速公路软弱地基中的应用研究[D].西安：西安科技大学，2007.

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[5]李小杰.高压旋喷桩复合地基承载力与沉降计算方法分析[J].岩土力学，2004，25(9)：1499-1502.

[6]曾克强.旋喷桩复合地基设计几个计算参数的探讨[J].矿产与地质，2006，20(3)：298-303.

[7]王志丰，沈水龙，许烨霜，等.基于圆形断面自由紊动射流理论的旋喷桩直径计算方法[J].岩土工程学报，2012，34(10)：1957-1960.

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[9]龚晓南.地基处理手册[M].北京：中国建设出版社，2000.

[10]徐泽中，殷宗泽.交通土建软土工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

（编辑 吴学松）

Construction monitoring on existing expressway soft foundation treatment by high pressure jet grouting pile technique

LV Ruo-bing, KONG Gang-qiang, SHEN Yang, DING Xuan-ming

U418.5; U412.22+2

B

1001-1366(2015)01-0070-04

2014-10-30