徐中圣

北京正遠(yuǎn)監(jiān)理咨詢有限公司

富水砂卵石地層條件下超高壓旋噴樁施工技術(shù)分析

徐中圣

北京正遠(yuǎn)監(jiān)理咨詢有限公司

超高壓旋噴樁以其優(yōu)異的地基加固效果和擋土擋水性能被深基坑工程廣泛使用，而該項技術(shù)在類似于北京地區(qū)的富水卵礫石地層中樁體質(zhì)量以及樁間咬合程度均難以有效控制，針對該問題，本文通過試驗探索超高壓旋噴注漿加固技術(shù)在富水卵礫石地層進(jìn)行地層加固和止水加固的可行性、可靠性。

超高壓旋噴樁注漿加固砂卵石層參數(shù)分析

超高壓噴射注漿加固技術(shù)自二十世紀(jì)70年代在日本問世以來，已經(jīng)在全世界工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)水平和機械設(shè)備的發(fā)展，超高壓旋噴注漿加固技術(shù)也已相對成熟。然而加固質(zhì)量如果控制不好，會發(fā)生滲漏水、基坑變形及周邊土體沉降等現(xiàn)象，不但會給后期施工帶來不利影響，嚴(yán)重時還會發(fā)生基坑失穩(wěn)、坍塌等安全事故，給工程各方帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。本文通過試驗總結(jié)施工經(jīng)驗和技術(shù)要點，為超高壓旋噴注漿加固技術(shù)在北京及類似地層區(qū)域的工程中更廣泛地應(yīng)用提供技術(shù)參考。不足或錯誤之處在所難免，敬請讀者批評指正。

1.工程概況與難點分析

1.1 工程概況

北京地鐵8號線永定門外站為地鐵8號線和地鐵14號線換乘車站，位于永定門外大街與京滬鐵路的立交路口南部，永定門外大街沙子口路口北部。車站沿永定門外大街南北向布置，位于永定門外大街西側(cè)輔道與人行道下方，車站北端為在建的M14永定門外站和地下過街通道；車站南端為安樂林路與永定門外大街交叉路口，交通繁忙，距離南側(cè)最近的居民住宅樓約150m。永定門外站初步止水方案采取“連續(xù)墻止水+注漿封底+坑內(nèi)控制井”方案。由于注漿封底區(qū)域位于富水卵礫石地層，施工工藝控制難度大，對設(shè)備的性能要求相對較高。

1.2 水文地質(zhì)條件

車站底板主要位于粉質(zhì)粘土⑥層以及卵石⑦層上。注漿封底區(qū)域位于車站底板下方的卵石⑨層和粉細(xì)砂⑨3層，該地層含水量高、透水性好，地下水流速大，漿液凝固速度慢，其中卵石⑦、⑨層重型動力觸探值分別為115和136，常規(guī)旋噴工藝難以保證樁體強度以及咬合效果。(見表1)

2.RJP超高壓旋噴樁施工

2.1 工作原理

高壓噴射注漿就是利用鉆機鉆孔，把帶有噴嘴的注漿管插至土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使水、空氣、漿液成為高壓射流，從噴嘴中噴射出來沖擊破壞土體，部分細(xì)小的土料隨著漿液冒出水面，其余土粒在噴射流的沖擊力，離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后，便在土中形成一個固結(jié)體，從而提高土層的強度參數(shù)，減小土體的滲透系數(shù)，達(dá)到地層加固和注漿止水的目的，工作原理詳見圖1。

表1 注漿區(qū)域地層描述

圖1 工作原理示意圖

2.2 工藝流程

測量樁位→引孔→鉆機下方鉆桿→噴漿→提升→形成加固體(觀察旋噴參數(shù))→廢漿處理(清洗)→設(shè)備移位

2.3 施工方法

1)引孔。針對本工程地質(zhì)條件采用風(fēng)動液壓鉆機配偏心式?jīng)_擊器沖擊跟管鉆進(jìn)；采用履帶式多功能巖土鉆機跟管鉆進(jìn)。鉆孔達(dá)到設(shè)計深度后，將鉆桿提出，向孔內(nèi)灌入膨潤土泥漿護(hù)壁，再拔除鋼套管。

2)鉆機就位下放鉆桿(見圖2)

3)噴漿。鉆桿下至設(shè)計標(biāo)高后(噴嘴部位)，開始噴漿，噴漿時采用雙高壓噴射，為保證樁底端的質(zhì)量，噴嘴下沉到設(shè)計深度時，在原位置旋轉(zhuǎn)5分鐘以上，待孔口冒漿正常后再開始旋噴提升。

4)提升。開啟高壓噴射泵后，由下向上旋噴，同時將泥漿清理排出。噴射時，先應(yīng)達(dá)到預(yù)定的噴射壓力、噴漿后再逐漸提升旋噴管，鉆桿的旋轉(zhuǎn)和提升應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。

圖2 鉆機下放鉆桿示意圖

5)廢漿處理(清洗)并進(jìn)行樁機移位。

2.4 工藝特點

1)可實現(xiàn)垂直、傾斜施工。

2)可實現(xiàn)大深度地基的改良，最大深度達(dá)60m，樁徑大質(zhì)量好。

3)可隨時改變旋噴參數(shù)來控制固結(jié)體的大小，大大提高工程質(zhì)量。

4)實現(xiàn)兩次切削土體，確保土粒和漿液攪拌均勻。

5)加固直徑可以自由選擇。

2.5 試驗方案設(shè)計

2.5.1 試驗場地選擇及加固體設(shè)計。由于相鄰標(biāo)段區(qū)間風(fēng)井(天～永區(qū)間)目前施工階段為基坑開挖，地層與永定門外站類似，且便于后期開挖檢測試驗結(jié)果，所以根據(jù)天～永區(qū)間地質(zhì)縱斷面的情況，以及天～永區(qū)間風(fēng)井的施工組織安排，選擇風(fēng)井大里程線路左側(cè)盾構(gòu)井處地層進(jìn)行超高壓旋噴樁試驗，該處地層土層狀分布較均勻，土層類型基本包含了永定門外站的施工困難地層，因此選擇該處作為試驗點具有很好的代表性。

本次試驗共設(shè)3根試驗樁，樁徑擬定為2.0m，3根樁兩兩相互搭接咬合，中心間距1.5m，加固深度范圍擬定自地面下48m～8m，有效樁長40m，樁體約3/4位于卵石地層，地中約2/3位于地下水位以下，注漿漿液壓力約36MPa，水壓約32MPa，氣壓0.74～0.9MPa，提升速度約40～45min/m。

2.5.2 試驗研究內(nèi)容

①有效加固范圍研究?？觾?nèi)土體開挖過程中，對加固體范圍進(jìn)行測量，確定漿液的噴射半徑，初步確定不同設(shè)計參數(shù)下的實際加固范圍。

②加固效果研究。在加固體的不同部位進(jìn)行取芯，并對樣本進(jìn)行單軸無側(cè)限抗壓強度測試，明確不同地層、離加固中心不同距離處的加固體強度參數(shù)，確定其加固效果。

③加固體止水效果研究。對加固體的不同部位取芯，并進(jìn)行抗?jié)B試驗，得到加固體的抗?jié)B系數(shù)，明確其在開挖過程中抵抗地下水滲透的能力。

④加固體封底作用的可行性研究。對兩根加固體的咬合部位進(jìn)行取芯，測試器抗?jié)B透系數(shù)，從而明確其封底作用的可行性。

⑤設(shè)計參數(shù)及施工工藝的總結(jié)分析。通過上述各項內(nèi)容的研究結(jié)果，總結(jié)分析設(shè)計參數(shù)、施工工藝對超高壓旋噴注漿實施效果的影響，確定科學(xué)合理的設(shè)計參數(shù)和施工工藝。

3.結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

1)1 號樁。從施工時間及參數(shù)分析得：在漿壓不變的情況下，當(dāng)氣溫下降到0度以下后即使提升速度變慢，形成的樁徑明顯減少；在0度以上時在漿液與水壓相同的情況下，提升速度變慢形成的樁徑越大。

2)2 號樁。相同施工參數(shù)在不同深度樁徑有所變化，地質(zhì)條件對樁徑影響較大，進(jìn)入砂卵石層更為明顯。

3)3 號樁。由于該樁施工時間北京連續(xù)最低氣溫在-8度，氣溫過低時使地面以上漿管、水管(高壓橡膠管)管壁摩阻力增大，并且使?jié){液變稠，使前端(噴嘴部位)噴射壓力損失過大，造成樁徑無法打開；從成樁斷面挖開僅為水泥漿。樁體尺寸詳見圖3。

3.2 試驗總結(jié)

1)樁體抗?jié)B效果比較理想，樁身抗?jié)B系數(shù)最小為1.623×10-8cm/s，最大為5.197×10-8cm/s。樁體強度較好，除去粉細(xì)砂中的個別最大值37.2MPa和粉質(zhì)粘土中的個別最大值24.4MPa外，樁身取芯其余抗壓強度均在10MPa～20MPa之間，波動幅度不大。

2)針對砂卵石層的超高壓旋噴注漿試驗主要存在兩個影響施工的問題，一是引孔過程中鉆機卡鉆導(dǎo)致鉆桿抱死，跟進(jìn)的鋼套筒斷裂，無法高質(zhì)量順利引孔。二是在注漿過程中，噴嘴易發(fā)生堵嘴現(xiàn)象，導(dǎo)致噴漿中斷，需提鉆檢修，無法連續(xù)作業(yè)，如圖4。

圖4 試驗樁施工故障率統(tǒng)計

3)三根樁未能全部實現(xiàn)咬合，其中1～2#試驗樁體咬合效果較好，1～3#、2～3#試驗樁體咬合效果不理想。樁體基本成胡蘿卜狀，即上大下小，且三根樁直徑大小不一。如圖5、圖6。

圖5 砂卵石層 成樁(1.8m)

圖6 三樁搭接

4.結(jié)論

4.1 試驗結(jié)論

根據(jù)本次超高壓旋噴注漿現(xiàn)場試驗的挖掘揭示情況，在試驗噴漿壓力、旋轉(zhuǎn)速度、提桿速度下，基本實現(xiàn)了在不同土層進(jìn)行有效的土層置換加固，在粉土、細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土等細(xì)顆粒土層中加固直徑可以達(dá)到2.0m以上；在高密實度富水卵礫石地層中加固直徑可達(dá)到1.4m以上，最大達(dá)到1.9m；在合理布置旋噴樁間距的前提下，各土層中均可形成密實的咬合體，能形成連續(xù)的加固體。

4.2 試驗建議

圖3 試驗樁檢測示意圖

5.結(jié)束語

實踐證明，超高壓選噴注漿加固技術(shù)能有效增加被加固體的抗?jié)B系數(shù)，在粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、卵礫石地層均有明顯的效果效果，并且加固效果足以滿足常規(guī)地下工程施工對于土體抗?jié)B性能的要求；獨立旋噴樁間咬合部位的抗?jié)B系數(shù)也能有效達(dá)到常規(guī)地下工程施工對于土體抗?jié)B性能的要求，因此超高壓旋噴注漿法加固地層可作為包括砂卵石地層在內(nèi)的所有常規(guī)地層內(nèi)止水帷幕的可靠的施作方案。值得進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。

[1]《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002).

[2]北京地鐵8號線三期工程06合同段施工組織設(shè)計.

[3]朱慶麟 跨向二十一世紀(jì)的大直徑高壓噴射注漿RJP工法[中國土木工程學(xué)會第五屆地基處理學(xué)術(shù)討論會論文集][C].北京：基礎(chǔ)工程公司，1997.

[4]李莉玲.陳飛燕.高壓旋噴技術(shù)在地基加固中的應(yīng)用與探討 [A]. 廣西桂通公路工程監(jiān)理咨詢右線責(zé)任公司，2009.

[5]后少平.淺談高壓旋噴樁施工工藝及控制過程 [J]中鐵二十局集團(tuán)安徽工程有限公司，2010.

[6]張志勇.李淑海.孫浩. MJS工法及其在上海某地鐵工程超深地基加固中的應(yīng)用[J]上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司 2012.