旋噴樁軟基段施工技術(shù)

王曉瓊

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250101)

0 引言

隨著我國(guó)地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)法的應(yīng)用愈加廣泛，大大提高了隧道施工速度。但該方法會(huì)在一定程度上導(dǎo)致隧道周圍地層變形及地表沉降[1]，特別是在穿越軟基土層時(shí)容易引起較大的工后沉降，若不能及時(shí)采取有效措施，將會(huì)對(duì)周邊管線造成影響，甚至危及地面建筑物的安全[2]。為此，在盾構(gòu)施工影響區(qū)域范圍內(nèi)，常采用高壓旋噴技術(shù)加固處理隧道四周土體，使隧道周圍土體性狀得到改善，增加其承載能力和抵抗變形的能力，能有效控制盾構(gòu)施工過(guò)程中引起的地面變形問(wèn)題。

高壓旋噴樁法是通過(guò)鉆機(jī)將具有特殊噴嘴的注漿管置于土層指定深度后，以高壓噴射流切割破壞土層，同時(shí)以一定的速度旋轉(zhuǎn)并提升鉆桿，將水泥漿與破碎土體攪拌混合至凝固，從而達(dá)到加固土體的目的[3]。按照注漿管的類型，高壓旋噴柱法可分為單管法、雙重管法、三重管法、多重管法、干噴法[4]。在旋噴樁施工中，大量注入土層的高壓流體會(huì)對(duì)土體造成劈裂、擠壓等作用，導(dǎo)致地面隆起。當(dāng)施工位于城市地區(qū)時(shí)，這種變形會(huì)影響地下管線以及附近建筑。如何控制旋噴樁施工工藝，達(dá)到預(yù)期效果，防止土體變形，值得通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行深入研究。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)針對(duì)旋噴樁施工引起的地面變形等問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)高壓旋噴施工引起的地面變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了旋噴施工對(duì)高鐵樁基的影響；文獻(xiàn)[6]提出了一種路堤豎向小直徑引孔高壓旋噴樁技術(shù)，并從理論分析了路堤隆起與各工藝參數(shù)間的關(guān)系；文獻(xiàn)[7]針對(duì)旋噴樁施工引起地面隆起，提出了一種新的分析方法，并用該方法探究了主要工藝參數(shù)對(duì)地面隆起的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[8]研究了旋噴樁施工對(duì)周邊管線的影響，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。本文通過(guò)一個(gè)典型的工程實(shí)例，對(duì)施工期間地面隆起現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了旋噴導(dǎo)致地面變形的具體原因，并進(jìn)一步提出了具體的處理方案，所得結(jié)論對(duì)類似工程具有參考價(jià)值。

1 工程概況

海滄大道站至東渡路站區(qū)間全長(zhǎng)2 736 m。地質(zhì)資料顯示，海滄大道站至東渡路站盾構(gòu)區(qū)間右線DK18+531.484—DK18+665段，及左線DK18+531.484—DK18+694段盾構(gòu)全斷面位于淤泥質(zhì)地層中。為減少后期運(yùn)營(yíng)沉降影響，采用旋噴樁法加固處理該段軟土地基。右線加固區(qū)有一400 mm×300 mm電信排管。

根據(jù)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求，在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)軟基土層設(shè)計(jì)高壓旋噴施工，施工水泥采用標(biāo)號(hào)42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為20%，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。旋噴樁樁底穿入淤泥層應(yīng)不小于1 m。

2 高壓旋噴技術(shù)

2.1 高壓旋噴技術(shù)基本原理

雙重管法旋噴所用的漿液對(duì)土層滲透性好，注漿材料來(lái)源廣泛且經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染，既能加固地層強(qiáng)度又有良好的止水效果。綜合考慮該工程盾構(gòu)區(qū)間段的地質(zhì)條件、周圍環(huán)境狀況，采用雙重管法。

雙重管法旋噴先將雙通道的二重注漿管放置于預(yù)定土層位置，然后位于管底側(cè)部的同軸雙重噴嘴噴射出空氣和高壓水泥漿，對(duì)土體造成沖擊破壞[9]。即用一層噴射管橫向噴射空氣并切割地基土體，高速噴出的空氣產(chǎn)生上升力，由此排除地表的破碎土粒、土塊[10]。地基被切割、攪拌后，通過(guò)另一個(gè)噴嘴向其中以低壓力注入水泥漿，使水泥漿與土混合。雙重管法對(duì)樁徑適應(yīng)條件見(jiàn)表1。

表1 樁徑適用條件

注：N為標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)錘擊數(shù)。

采用雙重管法旋噴施工時(shí)，在提升注漿管前應(yīng)先達(dá)到預(yù)定的噴射壓力、噴漿量，注漿管分段提升的搭接長(zhǎng)度不得小于100 mm[11]。在地面出現(xiàn)溢漿現(xiàn)象或注漿管提升至設(shè)計(jì)樁頂高度時(shí)，應(yīng)停止當(dāng)前樁的旋噴工作，拔出旋噴管并清洗管路。雙重管法是將水泥漿與壓縮空氣同時(shí)噴射，既可延長(zhǎng)噴射距離，增大切削能力，又可促進(jìn)廢土的排除，減輕加固體單位體積的重量。

2.2 施工流程

雙重管法高壓旋噴施工流程主要分為以下步驟。

1)測(cè)放樁位：根據(jù)樁位布置圖確定每個(gè)旋噴樁位置并放樣，然后檢查樁的位置、數(shù)目以及布置形式。

2)鉆機(jī)就位：將鉆機(jī)移動(dòng)到指定樁位，使鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位中心，同時(shí)對(duì)鉆機(jī)作水平校正，使孔位中心位置與鉆桿軸線垂直，并進(jìn)行實(shí)測(cè)或用經(jīng)緯儀測(cè)鉆桿，確保鉆孔垂直度偏差不大于1.5%。

3)漿液制備：制備漿液時(shí)要嚴(yán)格按照施工參數(shù)中規(guī)定的配比進(jìn)行配置，漿液在進(jìn)入高壓泵前要經(jīng)過(guò)攪拌機(jī)攪拌以及篩網(wǎng)、過(guò)濾網(wǎng)2次過(guò)濾。

4)插入高噴管：?jiǎn)?dòng)鉆機(jī)，將噴漿管下到孔底的預(yù)定深度處，將配制好的漿液低壓泵入。

5)高噴作業(yè)：噴管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，高壓泥漿泵內(nèi)噴嘴噴射壓力提高至20 MPa，同時(shí)外噴嘴以0.7 MPa的壓力噴射壓縮空氣，待噴射30 s后提升和旋轉(zhuǎn)噴漿管。噴射過(guò)程中要時(shí)刻監(jiān)測(cè)水泥漿初凝時(shí)間、泥漿泵泵壓、空壓機(jī)壓力、注漿流量、轉(zhuǎn)速、提升速度等施工參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.3 其他設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合設(shè)計(jì)要求、施工規(guī)范及類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，旋噴樁其他施工參數(shù)及技術(shù)要求見(jiàn)表2和表3。

表2 旋噴樁施工參數(shù)

表3 旋噴樁施工技術(shù)要求

注：D為設(shè)計(jì)樁徑。

3 施工期地面隆起

3.1 地面隆起簡(jiǎn)介

在旋噴過(guò)程中部分漿液沿注漿管壁冒出地面時(shí)，常常會(huì)帶出一定數(shù)量的土顆粒，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，冒漿(內(nèi)有土粒、水及漿液)量小于注漿量10%為正?，F(xiàn)象。由于該加固區(qū)域?yàn)橥临|(zhì)淤泥層加固，加固過(guò)程中淤泥層有較大的擴(kuò)展彈性，加固過(guò)程中返漿較少，小于注漿量的10%。同時(shí)為確保成樁質(zhì)量，防止空穴現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冒出地面的漿液進(jìn)行選擇和調(diào)整濃度，前一根樁做返漿回灌處理，所以現(xiàn)場(chǎng)冒漿較少。

隨著加固區(qū)注漿量的飽和，2015年3月5日15：42在右線施工過(guò)程中出現(xiàn)地面隆起現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得知，隆起最大高度為0.25 m。

3.2 隆起原因分析

高壓旋噴樁法對(duì)地基進(jìn)行加固處理形成樁作用機(jī)理是導(dǎo)致地面隆起原因之一。

1)噴射的壓縮空氣和高壓漿液對(duì)土體的切割破壞作用：土體受到脈沖形式的噴射流動(dòng)壓，結(jié)構(gòu)遭到破壞，原地層易于受力隆起。

2)混合攪拌作用：由于噴射壓力作用，鉆桿在旋轉(zhuǎn)和提升過(guò)程中使土粒的移動(dòng)方向與噴嘴的移動(dòng)方向相反，這給原來(lái)受力平衡的土層施加了外力，導(dǎo)致地面隆起。

3)壓密作用：高壓噴射流在切割地基土體時(shí)，破碎土體邊部仍有殘余的壓力，使土層被壓實(shí)，導(dǎo)致地面隆起。

旋噴樁在軟地層施工中的累積效應(yīng)是地面隆起原因之二。

高壓旋噴施工加固地基時(shí)，樁體是由在20～30 MPa的壓力下水平噴射出的漿液與土體發(fā)生混合、置換而成，一般的高壓旋噴施工中必須有廢漿液從孔口溢出[12]。但是在軟基的情況下，地層中存在難以從鉆桿和土體間隙溢出的水泥漿，隨著旋噴樁施工的進(jìn)行，存積的水泥漿量逐漸增多，進(jìn)而產(chǎn)生的壓強(qiáng)增大，形成的壓力進(jìn)一步抬升土體，導(dǎo)致地面隆起。

3.3 解決方案

3.3.1 進(jìn)行管線保護(hù)

為防止加固區(qū)周邊管線在施工過(guò)程中遭到破壞，旋噴樁施工前在電信管線西側(cè)設(shè)置一排φ0.12 m×0.7 m的減壓孔，孔深與相鄰樁底標(biāo)高一致，使用減壓排孔鉆機(jī)引孔至相應(yīng)深度，并注水和膨潤(rùn)土，形成2條具有一定彈性的減壓排孔，確保在旋噴樁施工過(guò)程中壓力得到釋放，從而減少地面隆起，達(dá)到對(duì)管線保護(hù)作用。減壓排孔平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 減壓排孔位置圖(單位：mm)

施工前應(yīng)檢查電信井，觀察井中通信線路的松緊程度并對(duì)過(guò)緊線路進(jìn)行一些釋放，保證線路有些余量，以防施工過(guò)程中土體變形拉斷線路。

加強(qiáng)對(duì)施工影響區(qū)域隆起監(jiān)測(cè)，保證施工前、中、后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時(shí)反映給技術(shù)員，以便對(duì)施工進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3.3.2 采用下步施工

將加固區(qū)分為先施工區(qū)和后施工區(qū)，管線改移段為后施工區(qū)，施工方法調(diào)整為由中間向兩側(cè)左右兩側(cè)對(duì)稱施工和跳躍式施工，防止壓力集中造成地面隆起和對(duì)管線的破壞。施工順序見(jiàn)圖2。

圖2 施工順序

施工過(guò)程中對(duì)注漿壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保在旋噴過(guò)程中注漿壓力控制在20～22 MPa。

為保證旋噴廢漿順利排出，旋噴施工時(shí)先進(jìn)行引孔，孔徑為120 mm，然后進(jìn)行泥漿護(hù)壁鉆孔作業(yè)，作業(yè)完成后對(duì)鉆孔進(jìn)行返漿清理并立即噴射成樁。旋噴過(guò)程中，應(yīng)對(duì)孔口返漿情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若返漿停止，查清原因并及時(shí)處理后方能繼續(xù)噴射。

4 結(jié)論

1)高壓旋噴技術(shù)是盾構(gòu)施工過(guò)程中進(jìn)行土體加固的一種有效手段，但如果工藝處理不當(dāng)，極易引起冒漿、地面隆起等問(wèn)題，對(duì)周邊管線造成影響，危及地面建筑物的安全。

2)高壓旋噴樁法加固地基對(duì)土體產(chǎn)生的切割破碎作用、混合攪拌作用以及壓密作用是導(dǎo)致地面隆起的主要原因。另外，旋噴樁施工時(shí)漿液存積產(chǎn)生的壓強(qiáng)對(duì)土體有抬升作用，也會(huì)導(dǎo)致地面隆起。

3)為對(duì)周邊管線進(jìn)行保護(hù)，可以通過(guò)設(shè)置減壓排孔進(jìn)行壓力釋放，同時(shí)采用下步施工來(lái)防止壓力集中造成地面隆起。