8、高压旋喷桩施工工艺工法

高压旋喷桩施工工艺工法

1前言

1.1工艺工法概况

高压旋喷桩施工技术是70年代日本首先提出，它是在静压灌浆的基础上，引进水力采煤技术而发展起来的，是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或复合浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。70年代初期，日本最先把高压喷射技术用于地基加固和防水帷幕，形成一种特殊的地基加固技术，即所谓CCP工法(Chemical Churning Pile)。此后，70年代中期又开发了同时喷射高压浆液和压缩空气的二重管法，最后形成喷射高压清水、压缩空气和低压浆液的三重管法。目前，高压旋喷桩施工在世界各地得到广泛应用。

1.2工艺原理

1.2.1高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、（空气）成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。

1.2.2根据喷射方法的不同，喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。

1.单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。

2.二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏、冲切土体形成固结体。

3.三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的土体中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，形成较大的固结体。

4.单管、二重管、三重管旋喷桩机注浆施工示意参见图1、图2、图3。

5.本工法以三重管法为例。

水

搅

水

图2 二重管旋喷注浆示意图

水

搅

水

水

搅水

2工艺工法特点

施工设备简单、轻便、噪声小、施工速度快的特点。采用不同的钻机，不仅可以形成垂直的桩，也可以形成倾斜的桩。可以只对指定区域进行加固，加固体的强度较高，加固深度可自由调节，加固体的强度可达到1～10MPa。可以形成一定间距的桩或相互咬合形成止水帷幕或挡土墙。

3适用范围

广泛应用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉质粘土、（亚粘土）、粉土（亚砂土）、砂土、黄土及人工填土中的素填土甚至碎石土等多种土层。可作为既有建筑和新建建筑的地基加固、基础防渗之用；也可作为施工中的临时措施（如深基坑侧壁挡土或挡水、防水帷幕等），也可作为永久建筑物的地基加固、防渗处理，在动水地层中施工时，首先要消除动水的影响。

4主要引用标准

4.1《建筑边坡工程技术规范》(GB50330）

4.2《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120）

4.3《地铁设计规范》（GB50157）

4.4《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118）

4.5《建筑地基基础设计规范》（GB50007）

4.6《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307）

4.7《建筑桩基技术规范》（JGJ94）

4.8《城市轨道交通工程测量规范》（GB50308）

4.9《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299）

4.10《高压喷射注浆施工操作技术规程》（HG/T20691）

4.11《混凝土外加剂》（GB8076）

4.12《铁路工程土工试验规程》（TB10102）

4.13《通用硅酸盐水泥》（GB175）

5施工方法

三重管旋喷桩施工分成两个阶段，第一阶段为成孔阶段，即采用钻机驱动喷射管进行钻进，边钻进边喷高压水，使喷头达到预定的深度。如有必要时，可在地基中预先成孔，然后放入喷射管进行喷射加固。第二阶段为喷射加固阶段，

即用高压水、水泥浆(或加入其它外掺剂)以及压缩空气，通过喷射管由喷射头上的横向喷嘴喷出，与此同时，钻杆一边旋转，一边向上提升使水泥浆与土混合，形成一定直径的柱状固结体。

6工艺流程及操作要点

6.1施工工艺流程

三重管高压旋喷桩施工工艺流程见图4所示。

图4 高压旋喷桩施工工艺流程图

6.2操作要点

6.2.1施工准备

1.施工前对施工场地进行清理、平整，应保证场地的三通一平，确保用电安全。

2.施工前探明管线、建构筑物等地下障碍物埋深和位置，挖出探坑并作好详细的标示标记。

3.挖好排浆沟，设置排浆等临时设施。

4.设备材料进场，对设备机械性能等进行检查。水泥、外加剂等材料进场按要求抽检试验。

6.2.2试桩及确定工艺参数

1.在展开大批量制桩前进行试桩，以校验施工工艺参数的选择是否合理，并根据试桩结果及工程经验调整施工工艺参数。三重管高压旋喷桩止水帷幕试桩的理论施工参数如表1所示。

表1 三重管高压旋喷桩止水帷幕施工参数表

2.浆液配置：水泥宜采用强度等级为32.5以上级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.5，每延米水泥用量及各种施工参数根据试桩情况进行相应的调整。根据需要可以加入适量的外加剂和掺合料，外加剂和掺合料的用量，应通过试验确定。

3.外加剂添加：浆液采用“柔性材料”，即向水泥浆液中加入20%膨润土，同时为了减少地下水对浆液的稀释作用，在浆液中可以加入2%的氯化钙。也可以根据需要加入4%左右的水玻璃，水玻璃提前加水稀释搅拌均匀后再加水泥。

6.2.3桩位测设

按规定对施工场地的基准点、基轴线及水准点实施引测、复核。

对于标定的基准点要做好明显的标志和编号，并做好保护工作。使用全站仪等，采用极坐标法进行桩位的放样。对施工范围内的所有桩进行测量定位，并做好明显牢固的桩位标志,做好测量记录，以便复核。

6.2.4钻机就位

1.移动旋喷桩机到指定桩位，钻杆头对准孔位中心。为保证钻孔达到设计要求的垂直度，钻机就位后，作水平校正，钻机钻杆采用钻杆导向架进行定位，使钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置，其垂直度不得大于1%～1.5%，钻头对正桩位中心，对点误差不大于50mm，钻杆与钻孔方向应保持一致。就位后，首先进行低压（0.5MPa）射水试验，用以检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。

2.旋喷桩止水帷幕施工时，首先施工最外围的一排桩，采用1,5,9…，间隔跳打的方法进行施工，围内部采用不跳桩按次序施工。

6.2.5钻孔

钻孔与插管同时施工为一道工序，钻孔过程中作好详细的钻孔记录。钻孔过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，采取边射水边钻进的方法。开始钻孔时，射水水压由0.5Mpa提高到1.0Mpa。一根钻杆用完后，停止射水，接长钻杆，继续施钻直到达到设计标高为准，此时水压不宜大于1.0 Mpa。

6.2.6浆液制备及检测

1.实验室负责浆液配合比设计，严格按设计要求配置水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入集料斗中。浆液拌制时，先在搅拌罐中加入水，然后再放入水泥进行搅拌，搅拌时间不少于10分钟。旋喷注浆的材料用水泥，根据需要加入适量的外加剂。

2.浆液易在旋喷前半小时以内配制，浆液必须搅拌均匀，浆液存留不得超过4小时，当未用完的浆液超过4小时，通过试验证明其性能符合要求后方可使用。浆液应始终保持搅拌状态，防止产生沉淀。施工过程中试验员应经常随机抽取浆液进行检验。

6.2.7喷射作业

1.喷射注浆前要检查高压设备和管路系统，使用前应对安全阀进行鉴定，其运行必须可靠，注浆管接头的密封环必须无破损，密封性能良好，注浆管及喷嘴内不得有任何杂物。

2.当喷管插入预定深度后，由下而上进行喷射作业，技术人员必须时刻注意检查压力、流量、风量、旋转提升速度、冒浆量等参数是否符合设计要求，并随时做好记录，绘制作业过程曲线。

3.喷射过程中，注浆管分段提升时搭接长度不得小于200mm。冒浆量控制在20％注浆量以内，大于20％或完全不冒浆时，应查明原因并采取相应的措施。

冒浆过大的主要原因是有效喷射范围与注浆量不相适应，注浆量大大超出喷浆固结所需浆量；减少冒浆的措施：提高喷射压力，加快提升和旋转速度；不冒浆采取的措施：在浆液中掺入适量的速凝剂，缩短固结时间，使浆液在一定土层范围内凝固；在地层空隙大的地段增大注浆量，填满空隙后再继续正常喷浆。

4.浆液流量：喷浆量可以按下式计算：

Q=H/V*q(1+β)

式中：H——旋喷长度

V——旋喷管提升速度

q——泵的排浆量

β——浆液损失系数，一般取0.1～0.2

6.2.8冲洗

清洗。向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至冲洗干净。并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。

6.2.9桩机移位

待旋喷机注浆管全部提出地面后，先关闭电机，然后将桩机移至下一桩位，重复上述施工过程。

7劳动力组织

单台旋喷桩机劳动力组织如下表：

表2 劳动力配置表

8主要机具设备

单台旋喷桩机机械设备配置如下表：

表3 机械设备配置表

9质量控制

9.1施工中易出现的质量问题

9.1.1加固体强度不均、产生缩颈现象。

9.1.2钻孔偏斜。

9.1.3固结体顶部凹陷。

9.1.4冒浆量过大或过小。

9.2质量问题的预防措施和处理方法

9.2.1加固体强度不均、产生缩颈现象的预防措施及处理方法

1.根据地质水文条件的不同，选择不同的桩位布置和施工工艺参数，保证成桩桩径和桩间咬合。

2.旋喷施工之前，应做水密、气密试验，检查各部件的密封性，一切正常后才能施工，保证旋喷的连续性。

3严格检查喷嘴的位置、形状、个数及直径等，保证旋喷效果。

4在高压旋喷注浆过程中接管或因故停机重新旋喷作业时，复喷搭接高度不得小于200mm。

5为了增强旋喷效果，可以采取提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施，也可以采用复喷工艺：第一次喷射（初喷）时，注入水泥浆液；初喷完毕后，将注浆管下降至初喷开始的孔深，再抽送水泥浆，自下而上进行第二次喷射（复喷）。

9.2.2钻孔偏斜的预防措施及处理方法

1.施工之前探明地下障碍物，遇地下障碍物时应清除或重新对桩位进行布置避开。

2.施工之前对场地进行平整，钻机就位后，对钻机和钻杆进行检查，保证其处于水平和垂直状态。

9.2.3固结体顶部凹陷的预防措施及处理方法

1.旋喷长度比设计长0.3～1.0米，或在旋喷桩施工完毕，将固结体顶部凿去部分，在凹穴部位用混凝土填满或直接在旋喷孔中再次注入浆液，或在旋喷注浆完成后，在固体的顶部0.5～1.0m范围内再钻进0.5～1.0m，在原位提杆再注浆复喷一次加强。

2.在喷射灌浆完毕时，即连续或间断地向喷射孔内静压灌注浆液，直至孔内混合液凝固不再下沉。

3.喷射灌浆完成后，向凝固体与其上部结构之间的空隙进行第二次静压灌浆，浆液的配比应为不收缩且具有膨胀性的材料。

4.在喷射过程中，应观察冒浆的情况，及时了解土层情况，检查喷射注浆的效果和喷射参数是否合理。对于冒浆应妥善处理，及时清除沉淀的泥渣。

10安全措施

10.1主要安全风险分析

高压旋喷桩施工过程中，存在的安全风险主要有高压浆液喷射伤害、粉尘伤害以及其它机械伤害风险等。

10.2保证措施

10.2.1施工前应检查高压设备和管路系统，其压力和流量（风量）需满足设计要求，应检查管道的耐久性以及管道连接是否可靠，泵体、注浆管及喷嘴内不得有任何杂物，各类密封圈必须良好，无渗漏现象，否则接头断开、软管破裂，将会导致浆液、高压水流飞散、软管甩出等安全事故。安全阀中的安全销要进行试压检验（试压检验到当地压力容器检验所检验），必须确保在达到规定压力时能断销卸压。

10.2.2操作人员与喷嘴之间的距离不应小于1m。

10.2.3检查管路接头、喷嘴及钻杆时必须完成处于泄压状态才能进行。

10.2.4作业人员按要求佩戴防护用品，浆液等进入人眼、鼻及口内时立即采用清水清洗处理。

11环保措施

11.1对环境的影响因素

11.1.1浆液制备过程中宜造成扬尘。

11.1.2水泥浆、冒浆等浆液溢流造成周边环境污染。

11.1.3废弃浆液及渣土造成环境污染

11.2环保措施

11.2.1水泥、膨润土等细颗粒材料，应遮盖存放；运输时必须必须封闭覆盖，不得沿途撒落。

11.2.2泥浆制备过程中搭设泥浆搅拌棚，并采取挡风措施，放水泥时缓慢进行，同时对废弃的水泥袋集中管理，轻拿轻放，防止水泥飘散扩散。

11.2.3制定洒水防尘措施，指定专人负责现场洒水降尘。

11.2.4对施工场地进行统一规划，设置排浆沟、沉淀池，废弃的浆液及冒浆集中排放至沉淀池内，不得随意排放废弃的加固料。废弃的渣土拉运至指定地点排放。

12应用实例

12.1工程简介

哈尔滨地铁一号线一期工程土建八标，主要包括三站两区间及出入段线，即工程大学站、太平桥站、交通学院站、工程大学站—太平桥站区间、太平桥站—交通学院站区间及太平桥车辆段的出入段线。

工程位于哈尔滨市南岗区南通大街及道外区东直路下，周边主要为居民住宅区和商企用房，是比较繁华的地区，无历史文物或古迹。地貌单元均处于松花江漫滩区，地层较为复杂，主要为杂填土、粉质粘土、粉砂及中粗砂组成，地下

水、承压水，施工中均受到四种地下水不同程度的影响。

在太平桥站～交通学院站区间小里程为盾构始发井，端头加固采用Φ900@600㎜三重管高压旋喷桩430根，加固深度为6.2～18.7m，加固范围为10m×12.5m，地层自上而下主要为

高 程 (m) (大连高程系统)

粉质粘土、粉砂及中砂层，且处于微承压水层中。地质柱状图见图5所示。

图5 太平桥站～交通学院站区间小里程端盾构端头地

质柱状图

12.2施工情况

通过试桩并根据试桩结果及工程经验，确定施工工艺参数如下：

注浆管：提升速度10cm/min、旋转速度10～15r/min；

水：压力30～32Mpa、流量80L/min；

浆液：压力2Mpa、流量80L/min；

空气：压力0.7Mpa、流量0.8m3/min；

水灰比：0.8：1；

水泥：采用P.O42.5水泥；

每延米水泥用量：450㎏。

盾构始发端共施工Φ900㎜三重管高压旋喷桩430根，施工时间为2010年6月21日～2010年8月12日，平均施工8根/天。在上行线接收端共设置Φ900㎜三重管高压旋喷桩516根，施工时间为2010年9月12日～2010年11月9日，平均施工8根/天。

12.3工程结果评价

该工程使用三重管高压旋喷桩进行地基加固处理，通过对加固体进行取芯检验、水平探孔及洞门凿除后的加固效果检验，均证明了三重管高压旋喷桩在哈尔滨松花江漫滩区的地质水文条件下施工质量能够很好地达到预期土体加固要求，从而确保了盾构始发施工的安全。

12.4建设效果及施工图片

图6 喷嘴及管路检查图7 旋喷施工

图8 三重管高压旋喷桩取芯效果图