高压旋喷桩在厦漳同城大道净空受限段的软基处理应用

雷鹏、吕全纲

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056）

0 引言

高压喷射注浆法通常分成两个阶段。第一阶段是采用普通钻机边旋转边钻进成孔，使喷射头钻至设计标高后停止钻动。第二阶段是喷射形成水泥土体加固的阶段，即提升钻杆旋喷注浆。水泥浆通过旋喷管的喷射头上的横向喷嘴向周围土体喷射，旋喷过程中水泥浆液的压力大于20MPa。同时钻杆一边旋转一边向上提升，作为主固化剂的水泥浆液通过加压设备产生一定的压力，高压喷射流强大的切削能力使四周土体与水泥浆液混合在一起，水泥水化物与土体反应形成的结晶，经过长期物理、化学变化之后，形成强度较高的圆柱状的喷射固结体即旋喷桩，达到改良土质、降低土中含水量、提高地基承载力、减少土层压缩变形、减小工后沉降、阻止渗水、防止砂土液化的目的。

当地基土质为淤泥质土、淤泥、砂性土、黏性土、素填土等时，采用高压喷射注浆法处理效果较佳。高压喷射注浆法根据喷射管的不同分为单管、双管、三管和双高压多重管。在道路软土地基加固中主要采用单管喷射工艺法施工。高压喷射注浆设备构造简单，体积不大，操作灵活，钻机高度小于4m，适宜处理场地狭小、净空受限的道路软基段。高压喷射注浆施工过程中具有低振动、噪音较低的特点，对加固区域附近振动影响小。施工现场因场地狭小、净高受限或安全要求影响施工机械进场时可采用高压旋喷桩处理。高压旋喷桩钻机在施工场地狭小的路段施工时，可靠近现有构造物30cm 处施工而不扰动附近土体，在场地狭小、净空受限的道路软基段具有独特的优越性。高压旋喷桩复合地基处理后，软土地基土体强度得到改善，稳定性和工后沉降达到要求。本文结合厦漳同城大道工程建设的有关情况，对高压旋喷桩设计和施工过程的桩体质量检查和工程质量的检验方法等进行了介绍，并给出了工程实例。

1 工程基本情况

厦漳同城大道主线和辅道在K20+335 和K20+643处均有3 条高压线，线路斜跨施工区域，高压电线线路为：110kV 的角崇线、35kV 的三星支线。高压线路净空最低处高度约为14m，高压线路下需保证安全施工距离。原设计主线软基处理方案为CFG 桩，辅道采用挤密砂桩处理。施工主要机具的高度约为20m，桩架高度较高，不满足施工安全距离的要求。高压线短期无法迁改，根据现场实际情况，只能将本段高压线影响范围内的CFG 桩和挤密砂桩处理改为高压旋喷桩处理（见图1），以确保路基工程能够尽快进行施工。现场勘察报告显示，本段桩体穿过的路基岩土参数如表1 所示。

图1 高压旋喷桩施工

表1 路基岩土参数

2 高压旋喷桩设计处理方案和设计计算

2.1 设计方案

高压旋喷桩施工工艺建议采用单管法，设计喷射桩径为60cm，设计用灰量不少于200kg/m（水泥掺量通过试桩确定），水灰比可取0.8～1.2，水泥浆液压力不宜小于20MPa，提升注浆液速度150～250mm/min，旋转速度15～25r/min。高压旋喷桩桩距2.0m，桩长15m，呈正三角形布置。桩体施工完后现场检测桩体28 天无侧限抗压强度不低于2.5MPa，单桩和复合地基承载力分别大于265kN、140kPa。

高压旋喷桩处理地基：稳定性计算包括路堤边坡和地基的稳定性验算，稳定验算采用总应力法（瑞典条分法），安全系数以K＞1.1 控制。

高压旋喷桩加固处理后沉降计算采用复合压缩模量Es 法。

2.2 设计计算

2.2.1 单桩竖向承载力的设计计算

现场载荷试验是确定单桩竖向承载力特征值的比较可靠的方法。也可按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02—2013）式(3.2-1)和式(3.2-2)估算，取其中较小值。

2.2.2 复合地基的设计计算

现场复合地基载荷试验可确定复合地基承载力特征值。也可按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02—2013）式（3.2-3）计算。

2.2.3 高压旋喷桩沉降验算

复合地基的变形包括两部分，分别为旋喷桩复合地基加固区的压缩变形S1 和加固区桩端下卧层的压缩变形S2。S1、S2 可按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02—2013）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）的有关规定计算。

3 高压旋喷桩施工工艺

施工前认真对施工范围内地下管线等情况进行详细了解，复核旋喷桩的设计桩位位置；进行大面积施工前，必须结合现场情况选取典型作业点进行现场工艺性试桩，每个工点试验桩根数不少于5 根。其目的是：校验打桩设备、取得大面积施工的各项控制参数，其中包括水泥浆稠度、下钻速度、提钻速度、搅拌次数、旋喷压力等，整理成试桩成果，用于指导大面积施工。

施工工艺流程：场地整平—测量定位—移动钻机到达指定桩位—钻至设计深度—旋喷注浆成桩—机具移位—开始下一根桩的作业。

定位：调整钻杆、对准桩位。移动机具到指定桩位，调整机身至与地面垂直，将钻头对准桩心位置，钻杆需进行双向调平，再进行调整对中以及精确调平。钻杆的垂直度偏斜不超过1%，钻杆垂直度允许偏差不大于1%，钻机口位置与设计桩位的偏差不超过5cm，钻机对位偏差不超过2cm。

移动机具到达指定桩位后，抄平搭架平台，钻杆应与地面垂直，启动钻机进行旋转钻进作业。钻杆钻入地下时为防止泥砂堵塞喷嘴，使用的压力一般不大于10MPa，同时浆液与四周土体进行首次喷射混合，浆液和土体拌和后，减小旋喷作业时土层的阻力，保证加固范围土层与水泥浆充分搅拌。钻孔后，根据要求进行检查，检查包括孔位、成孔深度及垂直度。

高压泥浆泵压力需调整至预定的压力后才可喷射浆液，喷浆后匀速旋转提升注浆管，以防旋喷管扭断。为保证桩底密实均匀，在底部旋转30s 左右，再边喷浆、边旋转，同时匀速提升注浆管。随时注意泵压的调整和异常情况。做好旋喷作业时冒浆情况的记录，一般冒浆量控制在20% 以内。如果注浆量大于20%，或者出现不冒浆的情况，应排除故障，查明冒浆原因，并采取有效措施，防止冒浆异常现象。为了保证施工质量，应特别重视冒浆异常情况的发生，这是确保加固质量的关键。

旋喷和复搅：注浆管插到土层的相应位置后，控制回流阀门，使浆液罐设备的压力满足设计要求，高压浆液输送到喷管后，调整喷嘴的方向、摆动的角度，调控准备完毕后，控制工作台及高压泵阀门，开始提升注浆管、喷射，成桩范围为从设计深度往上成桩，距桩顶1m 时，复喷提升注浆管时放慢搅拌速度和提升速度，提钻上升的档位调控为最慢的1 档，并进行一次复搅，保证桩体搅拌均匀，因为距离地面以下1m 深度范围内承受的荷载较大，加强桩顶1m 范围内的质量成为提高桩体承载力的关键。当喷射作业完成时，要在注浆孔采用二次补灌，防止旋喷桩体因加固体顶部出现浆液凹穴而影响桩顶高程。旋喷作业过程中，旋转速度、提钻速度、喷射注浆压力、加固体的水泥含量、水泥浆稠度等参数将直接影响桩身的均匀性和有效桩径，水灰比控制是否合适也将影响桩体的强度大小。在旋喷作业过程中，应随时注意观察浆液初凝时间，及时记录喷射时间、用浆量、提钻速度、旋摆角度、压力变化、喷射方法等，中间发生故障时，应停止作业并及时检查排除故障。

水泥浆的制作：硬化剂可采用水泥，选用强度等级为42.5 级的普通硅酸盐水泥，水灰比0.8～1.2，严格按试验配合比提前制备浆液，并搅拌均匀，水泥浆搅拌时间不宜过长，一般控制在15min，制备的水泥浆搅拌时间少于15min 和超过初凝时间的不可使用；为保证喷嘴畅通，水泥浆流入第一级过滤网过滤，然后经第二道过滤网过滤后流入储浆桶，同时保证搅拌均匀。

高压喷射作业完成后，应注入清水清洗喷射管等机具设备中残存的浆液，防止水泥浆硬结堵管。将清水注入浆液罐后，开启高压泵，冲洗泥浆泵、喷射管、胶管内的水泥浆直至基本清洗干净。

4 高压旋喷桩成桩质量监测方法

高压旋喷作业完成7d 后，使用初探法可全面地检查旋喷固结体的质量。主要检查喷射加固体的均匀性并且进行触探检验。成桩后28d，使用取芯法，对桩体的完整性以及内部土质是否均匀、整体长度是否符合要求进行判定，一般选择桩身中较为均匀的部位，进行抗压强度检测，取芯的比例为1～1.5 个百分点。

对于成桩质量的监测，如果桩体的不合格率低于10%，则该桩体符合要求；如果不合格率在10～20%之间，则需要进行补桩；如果不合格率超过30%，则认为桩体成桩质量不合格，不能使用。

对于取芯操作之后的桩体，需要采用与桩体强度相同的水泥砂浆对孔洞进行封堵。在旋喷注浆结束28d 后，现场随机检测单桩承载力和复合地基承载力，检查数量不少于已经完成桩数的0.5%，同时每个作业点不少于3 根，荷载量的最大值应当为设计荷载的2 倍。

5 高压旋喷桩试桩及成果分析

此次试桩9 根，每根均掺加外加剂三乙醇胺，添加剂量为水泥浆体积的万分之一。取芯检测6 根，其中4 根芯样长度符合要求，单桩承载力和复合地基承载力均满足设计要求。

编号1-4 桩的参数注浆压力值为32MPa，钻杆提升速度为19.56cm/min，单桩每延米桩身水泥用量为200kg；编号1-5 桩的参数注浆压力值为31MPa，钻杆提升速度为15.34cm/min，单桩每延米桩身水泥用量为222.2kg；编号1-6 桩的参数注浆压力值为31MPa，钻杆提升速度为17.1cm/min，单桩每延米桩身水泥用量为229.6kg；编号1-7 桩的参数注浆压力值为32MPa，钻杆提升速度为21.42cm/min，单桩每延米桩身水泥用量为207.4kg。

经过对9 根试桩数据以及检测结果对比，最终确定编号1-4 试桩的技术参数，作为此次高压旋喷桩的工艺参数。

将1-4 试桩定为施工参数分析如下：

1-4 试桩参数为旋喷压力32MPa、钻杆转速为15r/min、提升速度19.56cm/min、水灰比1∶1。经过检测过后桩身完整性很好，28d 无侧限抗压强度4.4MPa，单桩每延米水泥用量为200kg，相对于其他试桩水泥用量最少，成桩效果好。

6 结语

通过在实际工程中分析高压旋喷桩的作业过程以及质量检测结果可以看出，试桩这一环节对于高压旋喷桩质量控制和成本控制有着非常重要的作用，如果在前期不能通过试桩总结出合理的施工参数，很容易出现大规模返工和浪费的现象。从该项目通车后的情况来看，旋喷桩处理道路软基工程，地基土强度改良效果好，地基稳定性好，工后沉降量较小，尤其是在场地狭小、净空受限的场地具有独特的适用性。本文结合实际工程项目进行分析，具有突出的现实意义。