李小剛

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津武清 301700)

1 概述

1.1 工程概況

穿黃工程由南、北岸渠道、南岸退水洞、進(jìn)口建筑物、穿黃隧洞(含邙山隧洞段和過河隧洞段)、出口建筑物、北岸防護(hù)堤、北岸新、老蟒河交叉工程，以及孤柏嘴控導(dǎo)工程等組成。穿黃隧洞包括過河隧洞段和邙山隧洞段，過河隧洞段長3 450 m，隧洞總長4 250 m。根據(jù)盾構(gòu)施工要求，于隧洞段南、北兩端各設(shè)有南岸工作豎井和北岸工作豎井。

北岸工作豎井內(nèi)徑16.4 m，外徑21 m，豎井頂高程105.6 m，底板底標(biāo)高57.5 m，井深48.1 m。井壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，內(nèi)圈直徑18 m，墻厚1.5 m，墻深77 m。豎井外圍設(shè)計(jì)0.8 m厚，71.6 m深灰漿墻擋水，降低豎井荷載。

為確保盾構(gòu)始發(fā)段安全順利掘進(jìn)，采用高壓旋噴對豎井土體實(shí)施加固。

高噴體質(zhì)量技術(shù)指標(biāo):

單樁直徑≥1.0 m，樁間應(yīng)完全搭接，不留空隙，搭接長度≥20 cm。

1.2 工程地質(zhì)條件

北岸豎井上部為Q42砂壤土、粉砂、細(xì)砂，松散～稍密狀，強(qiáng)度較低，工程地質(zhì)性質(zhì)較差;豎井中部、底部為Q42中砂和Q41細(xì)砂、中砂，中密～密實(shí)，強(qiáng)度較高。下部位于Q3粉質(zhì)壤土層中。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

豎井工程土體加固設(shè)計(jì)指標(biāo)十分嚴(yán)格，加固深度達(dá)到50 m，選用適宜的高壓噴射灌漿施工工藝和施工技術(shù)參數(shù)對達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)尤為重要，需通過試驗(yàn)予以驗(yàn)證。結(jié)合招標(biāo)文件相關(guān)技術(shù)要求，對選用的噴射灌漿工藝、孔距和施工參數(shù)、材料和設(shè)備性能做驗(yàn)證性試驗(yàn)，驗(yàn)證旋噴孔距和施工參數(shù)在本工程地質(zhì)條件下，加固土體的可行性和質(zhì)量的可靠性，驗(yàn)證高壓噴射灌漿工藝對地層的適用性，進(jìn)而對施工參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，確定適合于本工程的噴射灌漿工藝和施工技術(shù)參數(shù)。

3 試驗(yàn)方案和具體工作內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)方案

選用普通雙管法、雙高壓漿液三管法和新三管法高壓旋噴工藝和擬定旋噴技術(shù)參數(shù)進(jìn)行旋噴試驗(yàn)。施工結(jié)束后，主要通過對樁體鉆孔取芯和壓水試驗(yàn)檢測旋噴樁施工質(zhì)量。

根據(jù)高噴加固地基的設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)樁布置為單樁和群樁兩種形式，其中群樁按等邊三角形布置，樁中心距0.8 m。

3.2 具體工作內(nèi)容

1)普通雙管法、雙高壓漿液三管法和新三管法高壓旋噴工藝試驗(yàn)。

2)檢驗(yàn)旋噴工藝、設(shè)備對本工程地質(zhì)條件的適宜性，以及在該地質(zhì)條件下所能達(dá)到的樁徑大小。

3)高噴漿液試驗(yàn):通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，檢驗(yàn)旋噴漿液性能，包括漿液密度、黏度、穩(wěn)定性，凝固體抗壓和抗折強(qiáng)度等;以及孔口返漿的漿液性能試驗(yàn)。

4)鉆孔取芯和壓水試驗(yàn):旋噴施工結(jié)束，對旋噴固結(jié)體進(jìn)行鉆孔取芯檢查，群樁型心部位作靜水頭壓水試驗(yàn)檢查。

5)確定施工工藝，優(yōu)化和調(diào)整施工技術(shù)參數(shù)。

4 試驗(yàn)設(shè)備

4.1 設(shè)備與機(jī)具

表1 主要機(jī)械設(shè)備與機(jī)具

5 高壓旋噴樁試驗(yàn)施工

5.1 施工工藝流程

樁位放樣→鉆機(jī)就位→鉆孔→高噴臺(tái)車就位→試噴→噴管下至孔底→自下而上旋噴至設(shè)計(jì)頂高→沖洗噴管→高噴臺(tái)車移位→回灌。

5.2 鉆孔施工

選用XY－4型地質(zhì)鉆機(jī)，采用合金鉆進(jìn)泥漿護(hù)壁鉆孔，孔徑150 mm，比旋噴管外徑大40 mm，以保證高噴管順利下入和旋噴過程中返漿通道暢通。

5.3 高壓旋噴施工工藝與施工措施

5.3.1 施工工藝

旋噴樁施工采用預(yù)先成孔，而后下入高噴管，待噴管下設(shè)到設(shè)計(jì)深度后，進(jìn)行旋噴灌漿。旋噴時(shí)，將噴管下入孔底，按漿、水、氣順序依次送入，噴管原位旋轉(zhuǎn)、各參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求和孔口返漿正常后，自下而上進(jìn)行旋噴作業(yè)，直至設(shè)計(jì)樁頂高程。每孔旋噴結(jié)束后，及時(shí)向孔內(nèi)回灌，保證樁頂密實(shí)。

5.3.2 施工措施

群樁試驗(yàn)區(qū)三根樁的鉆孔和高噴注漿保證一定的間隔時(shí)間，第一根樁旋噴注漿結(jié)束10 h后，開始第二根樁孔鉆孔，樁與樁旋噴施工間隔＞24 h。

旋噴灌漿連續(xù)進(jìn)行，噴射提升需要卸管時(shí)，復(fù)噴段30～50 cm，保證上下樁體的連續(xù)性。

5.4 漿液材料及配合比

噴漿材料主要為濟(jì)源太行普通硅酸鹽水泥(PO32.5)，因加固地基地層較為單一，為粉細(xì)砂、中砂，含泥量很少，為保證漿液穩(wěn)定性，高壓旋噴選用水泥—膨潤土混合漿液，膨潤土為水泥重量的5%。旋噴工藝不同，漿液配比也略有不同。普通雙管法漿液水膠比1∶1，雙高壓漿液水膠比1.52∶1，新三管法漿液水膠比0.86∶1。

5.5 高壓噴射灌漿試驗(yàn)施工參數(shù)

5.5.1 雙高壓漿三管法施工技術(shù)參數(shù)(群樁試驗(yàn))

提升速度:25 m以下12 cm/min，25 m以上15 cm/min。漿壓:35～36 MPa;漿量:140～150 L/min;風(fēng)壓:0.9～1 MPa;進(jìn)漿密度:1.35 g/cm3

5.5.2 新三管法施工技術(shù)參數(shù)(單樁試驗(yàn))

提升速度:10 cm/min;漿壓:30～32 MPa;漿量:65～75 L/min;水壓:35～38 MPa;水量:75～100 L/min;風(fēng)壓:0.9～1 MPa;進(jìn)漿密度:1.54 ～1.55 g/cm3。

5.5.3 普通雙管法施工技術(shù)參數(shù)

提升速度:≤15 cm/min;旋轉(zhuǎn)速度:12～15 r/min;漿壓:35～38 MPa;漿量:75 L/min;風(fēng)壓:0.6～0.8 MPa;風(fēng)量:1.2～1.5 m3/min;進(jìn)漿密度:1.5 g/cm3。

6 高壓噴射試驗(yàn)施工與質(zhì)量控制情況

6.1 高壓噴射試驗(yàn)施工情況

高噴試驗(yàn)施工從5月2日開始，至5月15日結(jié)束。初期采用普通雙管法試驗(yàn)(為設(shè)計(jì)方案)，5月2日至5月7日共進(jìn)行4次噴射，其中出現(xiàn)了3次旋噴管卡、埋事故，只成功噴射1根35 m深旋噴樁。受地質(zhì)條件和工藝方法的局限，普通雙管法施工工藝未取得成功，因而放棄了該工法，隨后調(diào)整采用了新三管法和雙高壓漿液三管法旋噴工藝進(jìn)行試驗(yàn)。

調(diào)整旋噴工藝后，5月10—15日順利完成了試驗(yàn)樁高噴灌漿施工。其中采用雙高壓漿液三管法完成了群樁旋噴施工，采用新三管法完成了單樁旋噴施工。

群樁旋噴提速25 m以下為12 cm/min，其中GS－01和GS－02樁25 m以上15 cm/min，GS－03樁25 m～14 m為14 cm/min，14 m以上11 cm/min。其它技術(shù)參數(shù)見“高壓旋噴試驗(yàn)樁施工成果表”。

6.2 質(zhì)量控制情況

6.2.1 鉆孔質(zhì)量控制

旋噴孔位中心偏差≤5 cm，孔斜≤0.5%。施工時(shí)對鉆孔偏斜采取的控制措施為:①鉆機(jī)工作時(shí)保持平穩(wěn)。②鉆機(jī)就位后，使開孔鉆具保持鉛垂?fàn)顟B(tài)。③合理調(diào)整鉆進(jìn)速度，選擇合格鉆具、鉆桿，并加長粗徑鉆具長度＞3.5 m。

經(jīng)采取技術(shù)措施，鉆孔偏斜得到了有效控制，采用簡易測量方法對孔斜進(jìn)行檢測，結(jié)果滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.2.2 施工技術(shù)參數(shù)控制

旋噴施工前，確保設(shè)備運(yùn)行狀況良好、儀表完好;根據(jù)試驗(yàn)擬定的技術(shù)參數(shù)，在下設(shè)噴管前進(jìn)行試噴;在噴射注漿過程中，設(shè)專人對各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢查。

6.3 試驗(yàn)完成的工作量

本次高壓旋噴試驗(yàn)共完成旋噴樁4根，樁體檢查孔6個(gè)，詳細(xì)工作量見表2。

表2 試驗(yàn)完成的工程量統(tǒng)計(jì)表

7 高壓噴射試驗(yàn)成果

7.1 施工成果

表3 高壓旋噴試驗(yàn)樁施工成果表

7.2 漿液試驗(yàn)成果

表4 高噴漿液試驗(yàn)結(jié)果

8 樁體質(zhì)量檢查

8.1 樁體開挖檢查

旋噴結(jié)束4天后，5月20日對試驗(yàn)樁頂部進(jìn)行了開挖檢查。群樁開挖深度3.5～4 m，開挖暴露出兩根樁體，樁體較為規(guī)則，表面呈灰色和黃灰色，樁徑1.1～1.3 m，樁與樁之間接觸緊密，搭接良好，旋噴樁搭接厚度達(dá)到0.3～0.6 m;單樁開挖深度4 m，樁體規(guī)則，表面呈灰色和黃灰色，樁徑1.7～1.9 m;群樁和單樁旋噴固結(jié)體均有較高強(qiáng)度。見圖1、圖2。

圖1 單樁開挖實(shí)照

圖2 群樁開挖實(shí)照

8.2 鉆孔取芯和壓水試驗(yàn)

旋噴樁施工結(jié)束7 d后，開始對樁體進(jìn)行鉆孔取芯和壓水試驗(yàn)檢查。群樁完成取芯孔4個(gè)，單樁完成取芯孔2個(gè)。取芯孔施工按距樁中心距離，由遠(yuǎn)到近的順序進(jìn)行，以摸索不同深度旋噴樁徑大小情況，鉆孔取芯孔布置見圖3、圖4。

圖3 單樁試驗(yàn)區(qū)檢查孔布置

圖4 群樁試驗(yàn)區(qū)檢查孔布置

鉆取巖樣完整、柱狀，呈灰色，局部較為破碎，結(jié)石有一定強(qiáng)度，可見成分非常均勻。

8.3 鉆孔壓水試驗(yàn)

為檢查樁與樁的搭接質(zhì)量和旋噴樁體滲透性能，采用靜水頭壓水方法對群樁中心檢查孔GS－J－01分段進(jìn)行了壓水，對GS－J－06檢查孔進(jìn)行了全孔段壓水。根據(jù)壓入流量值按下式計(jì)算透水率。

式中:q為透水率，Lu;Q為壓入流量，L/min;P為作用于試段內(nèi)的全壓力，MPa;L為試段長度，m;經(jīng)計(jì)算全孔段平均透水率為0.73Lu。

9 分析與結(jié)論

9.1 高噴工藝對本工程的適應(yīng)性

本工程豎井封底和始發(fā)端地層加固設(shè)計(jì)采用高壓旋噴方案，應(yīng)是可行的，因?yàn)闆]有其它更為有效的經(jīng)濟(jì)方案可取代。但對于本工程而言，采用高壓旋噴對豎井封底和始發(fā)端地層加固還存在相當(dāng)大的難度:1)加固地基深度達(dá)到50 m，超出國內(nèi)常規(guī)高壓旋噴灌漿施工深度，高噴效果一般難以評(píng)估。因?yàn)殡S著深度的增加，地層的密實(shí)度增大(復(fù)勘資料25～50 m標(biāo)貫擊數(shù)為30～60擊)，高壓噴射灌漿影響范圍就會(huì)隨之變小。2)本工程需要加固處理的地層為粉砂和中砂地層，含泥量很少，透水性強(qiáng)，地層壓力大，會(huì)在一定程度上影響旋噴樁樁體直徑?；谝陨蟽蓚€(gè)方面考慮，我們在高噴試驗(yàn)施工工藝選擇上，除嘗試設(shè)計(jì)的兩管法外，主要選用并實(shí)施了雙高壓三管法(雙高壓漿液三管旋噴和新三管法旋噴)工藝試驗(yàn)，以增大對地層的切割破壞能力，求得較大的旋噴樁徑。

通過試驗(yàn)證明，采用設(shè)計(jì)的兩管法高壓旋噴工藝實(shí)施50 m深度旋噴施工，難度大，卡、埋噴管事故率高，不適宜。因?yàn)槠胀p管法采用單泵供漿，漿量較小(一般為70～80 L/min)，旋噴孔深度大，不能形成正常返漿，排漿通道不暢通，造成泵入的水泥漿液全部壓入地層，在一定程度上形成超高壓灌漿，旋噴孔周圍受到過大的地層壓力，無法予以平衡，勢必造成孔壁跨塌，繼而形成卡、埋噴管事故。

采用雙高壓漿液三管法和新三管法泵送流量增到130～150 L/min，能夠形成正常返漿，具備高壓旋噴灌漿正常施工作業(yè)條件，通過試驗(yàn)采用這兩種高壓旋噴灌漿工藝方法均可行。

［1］肖雪茹.高壓旋噴注漿法加固土質(zhì)地基機(jī)理研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2007(6):36－38.