土體加固高壓旋噴灌漿工藝試驗

李小剛

(中國水電基礎局有限公司，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、北岸防護堤、北岸新、老蟒河交叉工程，以及孤柏嘴控導工程等組成。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。根據盾構施工要求，于隧洞段南、北兩端各設有南岸工作豎井和北岸工作豎井。

北岸工作豎井內徑16.4 m，外徑21 m，豎井頂高程105.6 m，底板底標高57.5 m，井深48.1 m。井壁圍護結構為鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，內圈直徑18 m，墻厚1.5 m，墻深77 m。豎井外圍設計0.8 m厚，71.6 m深灰漿墻擋水，降低豎井荷載。

為確保盾構始發(fā)段安全順利掘進，采用高壓旋噴對豎井土體實施加固。

高噴體質量技術指標:

單樁直徑≥1.0 m，樁間應完全搭接，不留空隙，搭接長度≥20 cm。

1.2 工程地質條件

北岸豎井上部為Q42砂壤土、粉砂、細砂，松散～稍密狀，強度較低，工程地質性質較差;豎井中部、底部為Q42中砂和Q41細砂、中砂，中密～密實，強度較高。下部位于Q3粉質壤土層中。

2 試驗目的

豎井工程土體加固設計指標十分嚴格，加固深度達到50 m，選用適宜的高壓噴射灌漿施工工藝和施工技術參數(shù)對達到質量標準尤為重要，需通過試驗予以驗證。結合招標文件相關技術要求，對選用的噴射灌漿工藝、孔距和施工參數(shù)、材料和設備性能做驗證性試驗，驗證旋噴孔距和施工參數(shù)在本工程地質條件下，加固土體的可行性和質量的可靠性，驗證高壓噴射灌漿工藝對地層的適用性，進而對施工參數(shù)優(yōu)化調整，確定適合于本工程的噴射灌漿工藝和施工技術參數(shù)。

3 試驗方案和具體工作內容

3.1 試驗方案

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參數(shù)進行旋噴試驗。施工結束后，主要通過對樁體鉆孔取芯和壓水試驗檢測旋噴樁施工質量。

根據高噴加固地基的設計要求，試驗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。

2)檢驗旋噴工藝、設備對本工程地質條件的適宜性，以及在該地質條件下所能達到的樁徑大小。

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

4)鉆孔取芯和壓水試驗:旋噴施工結束，對旋噴固結體進行鉆孔取芯檢查，群樁型心部位作靜水頭壓水試驗檢查。

5)確定施工工藝，優(yōu)化和調整施工技術參數(shù)。

4 試驗設備

4.1 設備與機具

表1 主要機械設備與機具

5 高壓旋噴樁試驗施工

5.1 施工工藝流程

樁位放樣→鉆機就位→鉆孔→高噴臺車就位→試噴→噴管下至孔底→自下而上旋噴至設計頂高→沖洗噴管→高噴臺車移位→回灌。

5.2 鉆孔施工

選用XY－4型地質鉆機，采用合金鉆進泥漿護壁鉆孔，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

旋噴樁施工采用預先成孔，而后下入高噴管，待噴管下設到設計深度后，進行旋噴灌漿。旋噴時，將噴管下入孔底，按漿、水、氣順序依次送入，噴管原位旋轉、各參數(shù)達到設計要求和孔口返漿正常后，自下而上進行旋噴作業(yè)，直至設計樁頂高程。每孔旋噴結束后，及時向孔內回灌，保證樁頂密實。

5.3.2 施工措施

群樁試驗區(qū)三根樁的鉆孔和高噴注漿保證一定的間隔時間，第一根樁旋噴注漿結束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)進行，噴射提升需要卸管時，復噴段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 高壓噴射灌漿試驗施工參數(shù)

5.5.1 雙高壓漿三管法施工技術參數(shù)(群樁試驗)

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;風壓:0.9～1 MPa;進漿密度:1.35 g/cm3

5.5.2 新三管法施工技術參數(shù)(單樁試驗)

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;風壓:0.9～1 MPa;進漿密度:1.54 ～1.55 g/cm3。

5.5.3 普通雙管法施工技術參數(shù)

提升速度:≤15 cm/min;旋轉速度:12～15 r/min;漿壓:35～38 MPa;漿量:75 L/min;風壓:0.6～0.8 MPa;風量:1.2～1.5 m3/min;進漿密度:1.5 g/cm3。

6 高壓噴射試驗施工與質量控制情況

6.1 高壓噴射試驗施工情況

高噴試驗施工從5月2日開始，至5月15日結束。初期采用普通雙管法試驗(為設計方案)，5月2日至5月7日共進行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，隨后調整采用了新三管法和雙高壓漿液三管法旋噴工藝進行試驗。

調整旋噴工藝后，5月10—15日順利完成了試驗樁高噴灌漿施工。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。其它技術參數(shù)見“高壓旋噴試驗樁施工成果表”。

6.2 質量控制情況

6.2.1 鉆孔質量控制

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

經采取技術措施，鉆孔偏斜得到了有效控制，采用簡易測量方法對孔斜進行檢測，結果滿足技術標準要求。

6.2.2 施工技術參數(shù)控制

旋噴施工前，確保設備運行狀況良好、儀表完好;根據試驗擬定的技術參數(shù)，在下設噴管前進行試噴;在噴射注漿過程中，設專人對各種技術參數(shù)進行檢查。

6.3 試驗完成的工作量

本次高壓旋噴試驗共完成旋噴樁4根，樁體檢查孔6個，詳細工作量見表2。

表2 試驗完成的工程量統(tǒng)計表

7 高壓噴射試驗成果

7.1 施工成果

表3 高壓旋噴試驗樁施工成果表

7.2 漿液試驗成果

表4 高噴漿液試驗結果

8 樁體質量檢查

8.1 樁體開挖檢查

旋噴結束4天后，5月20日對試驗樁頂部進行了開挖檢查。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體均有較高強度。見圖1、圖2。

圖1 單樁開挖實照

圖2 群樁開挖實照

8.2 鉆孔取芯和壓水試驗

旋噴樁施工結束7 d后，開始對樁體進行鉆孔取芯和壓水試驗檢查。群樁完成取芯孔4個，單樁完成取芯孔2個。取芯孔施工按距樁中心距離，由遠到近的順序進行，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 單樁試驗區(qū)檢查孔布置

圖4 群樁試驗區(qū)檢查孔布置

鉆取巖樣完整、柱狀，呈灰色，局部較為破碎，結石有一定強度，可見成分非常均勻。

8.3 鉆孔壓水試驗

為檢查樁與樁的搭接質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分段進行了壓水，對GS－J－06檢查孔進行了全孔段壓水。根據壓入流量值按下式計算透水率。

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

9 分析與結論

9.1 高噴工藝對本工程的適應性

本工程豎井封底和始發(fā)端地層加固設計采用高壓旋噴方案，應是可行的，因為沒有其它更為有效的經濟方案可取代。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大的難度:1)加固地基深度達到50 m，超出國內常規(guī)高壓旋噴灌漿施工深度，高噴效果一般難以評估。因為隨著深度的增加，地層的密實度增大(復勘資料25～50 m標貫擊數(shù)為30～60擊)，高壓噴射灌漿影響范圍就會隨之變小。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，地層壓力大，會在一定程度上影響旋噴樁樁體直徑。基于以上兩個方面考慮，我們在高噴試驗施工工藝選擇上，除嘗試設計的兩管法外，主要選用并實施了雙高壓三管法(雙高壓漿液三管旋噴和新三管法旋噴)工藝試驗，以增大對地層的切割破壞能力，求得較大的旋噴樁徑。

通過試驗證明，采用設計的兩管法高壓旋噴工藝實施50 m深度旋噴施工，難度大，卡、埋噴管事故率高，不適宜。因為普通雙管法采用單泵供漿，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地基機理研究［J］.水利技術監(jiān)督，2007(6):36－38.