引孔辅助施工技术对高压旋喷桩成桩质量的提升效果分析

■宋永杰

（福州市首邑交通建设投资有限责任公司，福州 350000）

近年来，随着城镇化进程的加快，城镇道路的提升改造也在提速，城镇中的很多道路跨越河流，原有的桥梁已不能满足现状交通量的需求及交通荷载的要求，需要进行拆除新建，新建桥头的地基要具备较高的强度、刚度、稳定性以及承载能力[1]。 有些新建桥梁的桥头会存在软土地基，容易造成路面沉降、桥头跳车等病害出现，须进行软基处理。 目前应用较多的处理技术是高压旋喷法施工，该技术最早起源于日本， 是在化学静压注浆法的基础上，结合高压水流射切技术发展而来[2]。 该技术具有明显的优势：（1）设备简易、施工便捷，适用范围广；（2）固结体的形状和方向可控、 柱体强度、 耐久性高；（3）料源广泛易得、价格便宜，生产安全、对环境影响小等[3]，在国内外得到了广泛的应用。 然而，高压旋喷法应用于杂填土、填石层、填中粗砂层等空隙率较大软基时易导致成桩质量较差。基于此，本研究以南通镇通洲路（二期）道路工程为例，探讨并验证采用引孔辅助施工技术提升高压旋喷法成桩质量问题，为高压旋喷法施工技术的完善提供更多选择。

1 工程概况

南通镇通洲路（二期）道路工程位于福州市闽侯县南通镇，项目起点接南通镇民生路，向南延伸，终点接南通镇南通街，道路长度1 835.866 m，道路宽度20 m。全线有桥梁1 座，该桥横跨通洲河，现状桥梁不能满足交通量的需求及设计荷载要求，安全隐患大，且桥梁跨径偏小，阻水面积大并不符河道规划断面，故需在原桥址拆除旧桥重建新桥。

新建桥头有软基需要处理，通过对软基进行钻探勘察可知，该桥头软基的地质情况从上往下主要为1.4 m 厚的杂填土、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 厚的淤泥夹砂。软基处理采用单管高压旋喷桩，具体设计参数如下：（1）软基处理面积1 326 m2，高压旋喷桩707 根，总长度15 906 m；（2）高压旋喷桩设计为单管旋喷桩，平面布置为梅花形布置，间距1.5 m×1.3 m；（3）设计桩径φ500 mm，桩长（21.5～23.7）m 采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.2；水泥浆喷射压力宜大于20 MPa，喷浆管提升速度为（0.1～0.25）m/min，水泥用量150 kg/m，要求施工成桩28 d 后取芯的无侧限抗压强度大于等于3.0 MPa，复合地基承载力大于等于132 kPa。

2 高压旋喷桩施工工艺

2.1 布置形式

本项目高压旋喷桩按梅花形布置，见图1。

图1 高压旋喷桩布置情况

2.2 施工工艺

软基处理采用的高压旋喷法自下而上喷浆搅拌成型， 喷嘴为单管双嘴， 注浆管喷嘴直径为20 mm，注浆压力不小于20 MPa。 水泥浆从喷嘴中喷出，高压旋转环切削土体，削切较大颗粒为小颗粒，达到置换及填充的效果，从而提高土体强度，工艺流程见图2。

图2 高压旋喷桩工艺流程

3 高压旋喷桩成桩存在的质量问题及主要原因分析

3.1 质量问题

经试桩发现存在以下问题：（1）施工过程中返浆异常，冒浆量比较少；相邻旋喷孔口出现串浆现象；（2）原地面以下5 m 范围内高压旋喷桩存在基本不成型、桩身不完整、抗压强度低、承载力低等质量问题。

3.2 主要原因分析

经分析， 试桩质量存在上述问题的主要原因如下：（1）地质原因：该软基上层的杂填土、填石层、填中粗砂层空隙率较大，达到40%～60%，空隙比＞1.0，呈高压缩性，土质疏松；产生漏浆、跑浆、水泥浆液，水泥浆与土体不能良好结合，从而土体强度低；注入土体层的浆液扩散至周边土层，产生无效的大量的浆液浪费，从而出现返浆异常、冒浆量比较少以及相邻旋喷孔口出现串浆等现象，这种特殊的地质条件是导致成桩质量差的重要原因。 在进行高压旋喷桩施作时，没有对相邻的两个桩进行间隔施作，且间隔施作的时间较短，从而加剧相邻旋喷孔口串浆。 （2）地下水的影响：高压旋喷桩临近河边，地下水位较高， 注入含水的地层浆液被地下水稀释扩散，降低了水泥浆的浓度，降低了桩身的强度；严重时候被地下水冲走，出现离析、断桩等后果。 （3）施工工艺原因：工程范围内的地层空隙率大，水泥浆比重按照淤泥层的比重计算偏小，注浆压力采用淤泥的注浆压力偏大。

4 引孔辅助高压旋喷桩施工技术

4.1 改进措施

针对上述问题，采取引孔辅助改进高压旋喷桩施工技术： 先使用螺旋钻机竖向钻进一定深度，同时对所钻的孔进行泥浆护壁， 待该所引的孔稳定后，再使用常规高压旋喷技术对该孔进行旋喷施工至设计深度，具体措施如下：（1）根据本项目软基地质条件，引孔深度定为5 m，5 m 以下仍采用常规高压旋喷技术。引孔时采用优质膨润土作为泥浆护壁材料进行孔壁防护，达到以下目的：①与周边的地下水隔绝，制造一个小的封闭环境；②防止旋喷泥浆从较大空隙率的地层跑浆。 （2）为了提升成桩质量，采取如下加强措施：①引孔后及时进行高压旋喷桩钻进施工； ②5 m 以下复喷1 遍水泥浆强化桩身强度。 （3）对相邻的两个桩采取间隔施作的方法，间隔时间应足够长。 （4）隔断地下水：考虑到项目现场临近河流，采用轻型井点降水方法，使水泥浆液不易渗流或者被地下水稀释及冲跑。

4.2 引孔辅助施工流程

采用履带式地质螺旋钻机作为引孔设备，该设备小、灵活方便、费用较低、成孔质量好，适用于不深地层引孔。 螺旋钻头直径φ150 mm，确保成孔有效直径不小于φ130 mm。

4.2.1 施工准备

首先是对桩位进行放样，确定好各个旋喷桩的位置并用签片桩插设，用石灰圈点标记，方便在施工中迅速定位；其次是沟槽开挖，以高压旋喷桩的中心为基准向两侧开挖约50 cm 的槽，方便架设旋喷机具；再者是建造灰浆拌制和排污系统，废浆和沉淀等全部按照污水进行处理，不得直接排放入河流；最后是准备地质螺旋桩机2 台（1 台用于引孔、1台用于旋喷成桩）及其配套钻头钻杆，以及优质膨润土若干吨。

4.2.2 履带式地质螺旋引孔钻机就位

按照放出的桩位，现场就位桩机后进行调平，钻头对准桩的中心。 通过调整4 只液压支腿的高低，保证主机水平，使井架保持垂直。 桩位允许偏差不超过50 mm，桩垂直度偏差不超过0.5%。 同时校验钻杆的长度，可使用喷漆标示深度线于钻塔旁，以确保引孔深度。

4.2.3 钻进造孔

钻孔前要调试泥浆制备系统，确保制浆设备正常运转。 引孔时确保钻孔位置纵横轴位置不超过±50 mm，确保钻进过程机械不产生较大的晃动，引孔自上而下逐层钻入，引孔速度根据机械的性能及地质层的特性的实际情况严格控制，防止钻孔扭曲变形。 引孔过程安排专人负责，对现场成孔情况做好详细记录，密切观察每个孔钻进状态和一些特殊情况，及时反馈上报并采取有效措施。

4.2.4 泥浆护壁

考虑到本项目地层地质复杂（填石层、杂填土层、粗砂层、地下水位高），空隙率特别大，在引孔过程中需采用优质膨润土作为泥浆护壁材料，对孔洞周边空隙有较好的填充效果，防止塌孔，泥浆浓度应调制较为浓稠效果最佳。

4.2.5 移机

移动地质螺旋钻机，开动履带设备移至下一根桩位（间隔引孔），移动时候注意不要造成洞口塌方，引起孔洞堵塞。

4.2.6 验孔

每一个孔钻完毕应及时组织验孔，对孔深、孔径、垂直度进行检验，确保各项指标符合要求，并对其覆盖保护，防止机械及人员对孔的破坏。 验孔合格后即可按照图2 的高压旋喷桩工艺流程图进行5 m以下地层高压旋喷作业。

5 2 种施工工艺效果分析

在同一区域，采用常规高压旋喷桩施工基桩6 根，编号C1～C6；采用引孔辅助技术施工旋喷桩6 根，编号Y1～Y6。两组试验桩相邻布设、施工，待达到规定龄期后，根据JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》，进行桩身完整性、桩身强度、单桩竖向抗压承载力、复合地基承载力检测，以检验引孔辅助施工技术效果。

5.1 桩身完整性

采用低应变法检测桩身完整性，结果见表1。

表1 2 种施工工艺桩身完整性检测结果

由表1 可知：常规工艺施作的高压旋喷桩多为III 类桩，桩身有明显缺陷；引孔辅助施工的高压旋喷桩多为I 类桩，桩身完整性更好。

5.2 桩身强度

采用取芯法进行桩身强度检测。 由图3 可知：常规工艺施作的高压旋喷桩桩身强度在2.1 ～2.5 MPa，平均强度为2.3 MPa，不满足大于等于3.0 MPa的设计要求；引孔辅助施作的高压旋喷桩桩身强度在3.1～3.5 MPa，平均强度为3.3 MPa，满足设计要求。 两者相比，采用引孔辅助施工技术的旋喷桩，其桩身强度提高约44.1%。

图3 2种施工工艺桩身强度对比

5.3 单桩竖向抗压承载力

采用静载试验进行单桩竖向抗压承载力检测。由图4 可知，常规工艺施作的高压旋喷桩单桩竖向抗压承载力在150～190 kPa，平均承载力为173 kPa；采用引孔辅助施工技术施作的高压旋喷桩单桩竖向抗压承载力在290～320 kPa，平均承载力为298 kPa。两者相比，采用引孔辅助施工技术的旋喷桩，其单桩竖向抗压承载力提高约72.1%。

图4 2 种施工工艺单桩承载力对比

5.4 复合地基承载力

采用复合地基静载荷试验方法进行复合地基承载力检测。 由图5 可知，采用常规工艺施作的高压旋喷桩复合地基承载力在160～195 kPa，平均承载力为176 kPa；采用引孔辅助施工技术施作的高压旋喷桩复合地基承载力在265～280 kPa，平均承载力为271 kPa。两者相比，采用引孔辅助施工技术的旋喷桩，其复合地基承载力提高约54.0%。

图5 2 种施工工艺复合地基承载力对比

综上所述，本项目采用常规工艺施作高压旋喷桩，其桩身完整性差，桩身强度不能满足设计要求；采用引孔辅助施工技术施作的高压旋喷桩，其桩身完整性好，桩身强度满足设计要求，各项性能指标大幅提高。

6 结论

由于本项目软基上层为杂填土、填石层、填中粗砂层，空隙率大，导致常规工艺施作的高压旋喷桩质量差，通过采用引孔辅助技术改善高压旋喷桩施工，桩基性能大幅度提升，很好地满足了工程需求和设计指标，得到结论如下：（1）由于特殊地质、地下水、施工工艺等原因造成常规施工的高压旋喷桩成桩效果不好，通过引孔辅助施工技术可有效解决了成桩质量差的问题；（2）引孔辅助施工技术需结合工程实际考虑引孔深度，使用优质膨润土作为泥浆护壁材料进行孔壁防护；施工过程应严格控制引孔的深度、孔径和垂直度等指标；（3）引孔辅助施工技术施作的高压旋喷桩，其桩身完整性大都由Ⅲ类桩提升至I 类桩；桩身强度、单桩竖向抗压承载力、复合地基承载力分别提高约44.1%、72.1%、54.0%。