水利工程軟地基處理中高壓旋噴樁施工

李 亮

（山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，山西 長(zhǎng)治 046021）

高壓旋噴樁技術(shù)，是利用鉆機(jī)在基礎(chǔ)開挖面造孔后，將高壓漿液、水流、空氣通過伸入孔內(nèi)的噴管噴出，擾動(dòng)、剝蝕地層，受到擾動(dòng)后的松散地層與噴射的漿液充分摻攪混合、經(jīng)固結(jié)形成結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度較高的樁體，較好地負(fù)擔(dān)了上部建筑物傳遞的荷載。在水利工程中還能通過樁體之間的搭接，形成防滲墻體，對(duì)防止壩基滲漏、基巖滲漏及滲透不穩(wěn)定等地質(zhì)問題的發(fā)生起到一定作用。

1 工程概況

某水電站工程位于山西省長(zhǎng)治市濁漳河干流上，壩軸線長(zhǎng)212 m，壩基部分地層巖性主要為低液限粘土、卵石混合土。設(shè)計(jì)采取高壓旋噴樁，對(duì)壩基基礎(chǔ)進(jìn)行加固，樁體有效直徑1.0 m，間距2.2 m，設(shè)計(jì)1230根，按照梅花形布置。樁體施工完畢后，將樁頭挖除300 mm，然后鋪設(shè)300 mm 碎石。加固后單樁承載力不低于800 kN，復(fù)合地基容許承載力不低于250 kPa。

2 施工方法

根據(jù)噴射介質(zhì)及噴射構(gòu)造的不同，目前常見的旋噴樁施工方法，有單管旋噴法、雙管旋噴法、三管旋噴法。其中單管法利用高壓漿液直接切割地層，并攪和充填，硬化后形成樁體，該方法形成的樁體直徑為0.5～0.8 m；雙管法通過兩個(gè)管道利用高壓空氣和泥漿同時(shí)切割地層，高壓泥漿和地層中的土石料充分?jǐn)嚭?，硬化后形成樁體，該方法形成的樁體直徑為0.8～1.2 m；三管法通過高壓空氣、水和漿液組成噴管，首先利用高壓空氣和水?dāng)_動(dòng)地層，后通過低壓漿液與地層充分?jǐn)嚭?，固結(jié)形成樁體，該方法形成的樁體直徑在1.2～1.5 m。三管法中也可以將漿液改為高壓漿液，這樣漿液在與擾動(dòng)層進(jìn)行混滲的同時(shí)可以對(duì)地層進(jìn)行二次切割，進(jìn)而形成更大直徑的樁體。實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)地層條件和設(shè)計(jì)要求，通過試驗(yàn)選擇合適的施工方法和施工參數(shù)。

本工程基礎(chǔ)處理施工前，進(jìn)行了雙管法和三管法施工試驗(yàn)，其中三管法擬定2 種不同的施工參數(shù)，雙管法擬定7 種不同的施工參數(shù)，試驗(yàn)完成后通過檢驗(yàn)證明當(dāng)鉆孔孔徑為110 mm，氣流壓力不小于0.7 MPa，漿液壓力不小于33 MPa，流量大于70 L/min，密度為1.45 g/ cm3，回漿密度大于1.3 g/cm3，噴管轉(zhuǎn)速為10 r/min，提速粘土區(qū)5 cm/min，卵石土區(qū)10 cm/min時(shí)，雙管法施工成樁效果良好，故本工程利用雙管法進(jìn)行施工。使用的設(shè)備有全液壓跟管鉆機(jī)、GYP-50液壓高噴臺(tái)車、PP-120 高壓灌漿泵、YV 形活塞式空壓機(jī)、ZJ-400 高速攪拌機(jī)、3 PN 回漿泵、HBW 200/40泥漿泵。

3 施工過程

該地基處理工程的主要施工流程：樁孔定位、鉆孔、終孔檢驗(yàn)、噴機(jī)就位、孔口試噴、下設(shè)噴管、旋轉(zhuǎn)提升噴漿、噴漿結(jié)束、孔口補(bǔ)漿液、施工下一孔。

3.1 造孔

本工程采用全液壓跟管鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，首先將鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)孔位，確保機(jī)身水平、穩(wěn)固后進(jìn)行鉆孔。鉆孔完成后，拆除套管時(shí)，在套管內(nèi)注入提前拌制好的高密度膨潤(rùn)土泥漿，一邊拔除一邊注入，直至孔內(nèi)全部套管拔出。

3.2 下管噴射

下入噴管前，應(yīng)在孔口注入清水試噴，檢查噴嘴是否堵塞，噴射管下到孔底后，應(yīng)檢查噴管是否鉛直，以保證成樁質(zhì)量。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，噴管在孔底只旋轉(zhuǎn)不提升，先靜置噴射1～3 分鐘，當(dāng)水泥漿冒出后，按試驗(yàn)確定的噴管轉(zhuǎn)速10 r/ min，提速粘土區(qū)5 cm/min，砂卵石土區(qū)10 cm/min，邊旋轉(zhuǎn)邊提升，直到設(shè)計(jì)高程。

4 質(zhì)量控制

施工原材料質(zhì)量以及各施工工序參數(shù)的控制效果，對(duì)工程質(zhì)量有著很大的影響，本工程進(jìn)場(chǎng)原材料和施工過程質(zhì)量控制重點(diǎn)如下。

4.1 施工材料

進(jìn)廠原材料質(zhì)量是影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵，必須對(duì)進(jìn)場(chǎng)原材料質(zhì)量嚴(yán)格檢查。水泥是高壓旋噴樁施工最主要的原料，由于用量大，進(jìn)場(chǎng)的每一批水泥除有合格證外，還應(yīng)取樣送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)水泥的強(qiáng)度、細(xì)度模數(shù)、安定性等指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可用于工程施工。高噴作業(yè)嚴(yán)禁使用不合格的水泥和存儲(chǔ)不當(dāng)失效的水泥拌制漿液。

4.2 施工過程質(zhì)量控制

4.2.1 鉆孔

鉆孔垂直度直接影響樁體的連續(xù)性和承載力，鉆機(jī)就位后應(yīng)保證鉆機(jī)穩(wěn)固、水平，鉆機(jī)主動(dòng)鉆桿的垂直度偏差在±5%以內(nèi)，鉆孔過程中采用KXP－1 型測(cè)斜儀對(duì)孔內(nèi)情況進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)糾偏[1]；鉆孔完成后對(duì)成孔孔徑、孔深及孔偏斜率檢查，要求孔徑應(yīng)不小于110 mm，孔深應(yīng)深入基巖0.5 m，成孔偏斜率不得大于1.5%。

4.2.2 制漿

施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水泥漿液配合比和攪拌時(shí)間，本工程水泥漿液水灰比為1∶1.2，密度為1.45 g/cm3，采用ZJ-400 高速攪拌機(jī)攪拌，純拌合時(shí)間不少于30 s。為避免在噴射過程中漿液沉淀，漿液制作完成后在儲(chǔ)漿桶內(nèi)存放時(shí)應(yīng)采用攪拌機(jī)進(jìn)行低速攪動(dòng)。噴射過程中，噴管每提升2 m，利用比重計(jì)檢測(cè)一次水泥漿液比重，若發(fā)現(xiàn)達(dá)不到1.45 g/cm3時(shí)，應(yīng)立即報(bào)告監(jiān)理，根據(jù)監(jiān)理指示，中斷噴射作業(yè)，調(diào)整水泥用量，重新拌制合格水泥漿液。為防止噴射過程中噴嘴堵塞，影響成樁質(zhì)量，水泥漿液在進(jìn)入泥漿泵吸漿管之前，應(yīng)結(jié)合噴嘴直徑設(shè)置過濾網(wǎng)過濾漿液，本工程噴嘴直徑為2 mm，過濾網(wǎng)直徑應(yīng)不大于2 mm。若漿液制備4 h 內(nèi)未使用完成，應(yīng)按照監(jiān)理人員的指示，作廢漿處理，禁止再用于高壓旋噴樁施工。

4.2.3 噴射

首先架設(shè)好高噴臺(tái)車，噴管對(duì)準(zhǔn)孔口中心，為確保有效噴射壓力能夠達(dá)到33 MPa，注漿泵與高噴臺(tái)車間的輸漿橡膠軟管長(zhǎng)度不能超過50 m。架設(shè)好高噴設(shè)備后，噴管下入孔內(nèi)之前，先在地面以上以清水試噴，檢查高噴系統(tǒng)噴嘴是否堵塞、噴射壓力是否有明顯的降低。試噴結(jié)束后，若高噴系統(tǒng)性能良好，則將噴管垂直地下到鉆孔底部只轉(zhuǎn)動(dòng)不提升，靜止噴射1～3 min，待有漿液冒出孔口時(shí)，邊旋轉(zhuǎn)邊提升噴管至設(shè)計(jì)頂高程成樁。

整個(gè)噴射過程嚴(yán)格按照試驗(yàn)確定的空氣壓力、漿液壓力、噴管轉(zhuǎn)速及提速、漿液密度、回漿密度等施工參數(shù)進(jìn)行控制，過程中對(duì)上述各參數(shù)進(jìn)行認(rèn)真監(jiān)控，詳細(xì)記錄。任一施工參數(shù)發(fā)生較大變化，都應(yīng)暫停噴射作業(yè)，分析找出問題所在，立刻采取相應(yīng)辦法解決。噴漿作業(yè)應(yīng)全孔連續(xù)作業(yè)，如中途發(fā)生機(jī)械故障而導(dǎo)致停機(jī)，復(fù)噴時(shí)新舊樁體搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小0.3 m。

4.3 質(zhì)量檢測(cè)

主要檢測(cè)樁身的連續(xù)性、均勻性及承載力能否滿足設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)方法有開挖檢查、鉆孔取芯、單樁和復(fù)合地基承載力試驗(yàn)等。其中鉆孔取芯檢驗(yàn)樁的樁數(shù)應(yīng)大于總樁數(shù)的1%，單樁和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)樁的樁數(shù)均應(yīng)大于總樁數(shù)的0.5%[2]。本工程一共施工1 230 根樁，施工完成28 d 后，基礎(chǔ)開挖至設(shè)計(jì)樁頂高程后，檢查樁頂有效樁徑最大為120 cm，最小為95 cm，樁體均勻性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)13 根樁進(jìn)行抽芯檢測(cè)，抗壓強(qiáng)度的最小為3.3 MPa，最大為8.3 MPa，滿足不小于3.0 MPa 的設(shè)計(jì)要求。通過分別對(duì)不同7 組樁體的進(jìn)行單樁荷載試驗(yàn)和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)得出，本工程樁體的單樁極限承載力為850 kN，復(fù)合地基承載力為250 kPa，二者均大于設(shè)計(jì)值，符合要求[3]。

5 常見問題及應(yīng)對(duì)措施

5.1 壓力不穩(wěn)定

當(dāng)壓力略微降低時(shí)，可能是因?yàn)橄鹉z輸漿管或者噴管存在細(xì)小孔洞，引起壓力損失，造成噴射效率下降，此時(shí)應(yīng)檢查噴漿系統(tǒng)管路是否存在破損；若出現(xiàn)流量穩(wěn)定而壓力驟降的情況，應(yīng)停止噴射作業(yè)，查看整個(gè)噴漿設(shè)備每一個(gè)部件處的密封性；當(dāng)壓力增加值很大而注漿量為零時(shí)，很可能是因?yàn)閲娮毂荒酀{堵塞，此時(shí)應(yīng)拔出噴管清理噴嘴，并檢查泥漿過濾網(wǎng)是否有效。

5.2 串漿

高壓旋噴樁施工過程中若相鄰孔之間串漿，可立即填塞被串孔，在填塞完成后，方可對(duì)串漿孔進(jìn)行噴射施工，待串漿孔噴射完成后，及時(shí)對(duì)被串孔進(jìn)行掃孔噴射[4]。

5.3 冒漿量異常

一般認(rèn)為，孔口水泥漿液冒出量超過20%時(shí)為異常狀態(tài)，此時(shí)可通過將注漿壓力提高一定值，并利用更小孔徑的噴嘴噴射來解決；當(dāng)冒出漿液不連續(xù)或者基本不冒漿時(shí)，若是因?yàn)榈貙邮杷蓪?dǎo)致，則為正?，F(xiàn)象，可利用適當(dāng)復(fù)噴解決；若基本不冒漿是因?yàn)榈貙又杏写蟮目锥?、空隙而?dǎo)致，則為異?，F(xiàn)象，應(yīng)將注漿管保持在原位增大注漿量直至孔口冒出漿液或者在水泥漿液中摻入速凝劑，加快漿液凝固時(shí)間。

6 結(jié)論

該水電站工程現(xiàn)已投入運(yùn)行，上部建筑物位移變形均在合理范圍內(nèi)，高壓旋噴樁作為軟土地基處理的一種辦法，具有施工簡(jiǎn)單、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，通過樁徑和樁距的優(yōu)化設(shè)計(jì)還能起到一定的防滲作用，在砂土、粘性土和礫石土等軟土地層地基處理時(shí)有很好的實(shí)用性。近年來隨著旋噴施工技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械設(shè)備性能的不斷提高，高壓旋噴施工技術(shù)的有效處理深度、處理直徑范圍和形成樁體的強(qiáng)度都得到了很大提高。