高压旋喷技术在溶洞桩基中的应用研究

陈波

（深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518000）

高压旋喷技术是于上世纪70年代初期在日本兴起的一种新型地基处理技术，70年代中后期，我国的冶金、煤炭、建筑等部门相继在深基坑开挖、桥墩加固、水坝坝基防渗、软弱地基加固等方面应用该技术，并取得了较好的效果。然而，发展至今，国内对于高压旋喷技术的施工机理尚没有做系统的研究，在处理溶洞软弱地基方面，尚缺乏充足的工程实例。基于此，本文结合一工程实例，探讨了高压旋喷技术在溶洞桩基中的施工工艺和技术机理，以供同类工程参考。

1 工程概况

龙城北高架桥工程Y15-1桩桩径1.6m，原设计桩长为24m（设计桩顶标高31.894m，设计桩底标高7.894m），根据此桩的地质勘察报告，标高9.61m～4.31m范围为微风化大理岩，4.31m下无地质报告，地质勘探中未发现溶洞。该桩于2007年12月11日开孔施工，2007年12月22日结束。施工至标高9.952m，在抽芯检测过程中发现部分没有进行超前钻的桩基础桩底存在溶洞遇溶洞，且继续冲进时岩样不够完整。按设计要求，须穿过溶洞进入完整微风化岩1d方能终孔，因此，经参建各方现场确定岩样，最终终孔标高为6.21m，实际桩长为25.68m。由于当时该桩的承台、立柱均施工完毕，无法采取原桩位重冲方式进行处理，因此，决定采用高压注浆方式进行加固处理。下面简述高压旋喷注浆的技术机理及其施工工艺。

2 高压旋喷技术的加固机理

高压旋喷注浆技术是利用钻机将注浆管钻进至加固土层的预定位置，而后用高压设备将浆液或水以20～40MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，有两种注浆形式，即旋转喷射（简称旋喷）和定向喷射（简称定喷。高压喷射流能量大、速度快，其脉动动压超过土体结构强度，土颗粒就从土体中剥落下来。细小的土粒会随着浆液冒出水面，其余土粒则在喷射流的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律的重新排列，待浆液凝固后，就形成了强度远大于土体的固结体。固结体的形态和喷射流移动方向有关。旋喷时，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，固结体呈圆柱状。旋喷主要用于加固地基，提高地基土的抗剪强度，改善土的变形性质，使其在上部结构荷载作用下，不至于产生过大的变形或破坏。旋喷也可以组成闭合的帷幕，用于截阻地下流和治理流砂。定喷时，喷嘴一边喷射一边提升，喷射的方向固定不变，固结体形如壁状。定喷主要用于基础防渗，改善地基土的水流性质，稳定边坡。按照施工机械不同，高压旋喷注浆又可分为单管法、二重管法、三重管法和多重管法，其中单管法施工较为理想。

3 材料的选择

3.1 浆液的性质

如前所述，高压旋喷注浆是靠高压喷射流破坏土层，并与土体混合构成新的固结体；静压注浆则主要靠液流的渗透、压密和劈裂填充土体的空隙。因此，与静压注浆不同，喷射注浆对浆液材料种类、粘度与颗粒大小要求不是十分严格。但喷射工艺要求浆液应具有良好的可喷性，有足够的稳定性，能调节浆液的胶凝时间。此外，浆液还应具有良好的力学性能，无毒、无臭，结石率高。目前，我国基本上采用以水泥浆为土剂，掺入少量外加剂的喷射方法。水灰比一般采用1:1到1.5:1，就能保证浆液的喷射效果。

3.2 固结体强度

固结体强度主要取决于、土质、喷射材料、水灰比、注浆管的类型和提升速度以及单位时间的注浆量等因素。注浆材料为水泥时，固结体抗压强度的初步设计可参考表1。对于大型的或重要的工程，应通过现场喷射试验后采样测试来确定固结体的强度等性质。

4 旋喷参数的选择

4.1 压力参数的选择

一般情况下采用加大泵压力来增加其流量及流速，进而增大喷射力。根据以往经验，本工程压力选择为：0～3m时，采用25MPa，3m以下时采用23MPa。

4.2 旋转提升参数的选择

旋转、提升的速度与喷流半径有关，而有效半径与喷嘴的几何尺寸和喷射角度有相互联系，并直接影响喷流的特性。根据施工经验，旋喷提升速度宜控制在25～28cm/min范围内，旋转速度宜控制在20～28r/min范围内。其中在顶部1m应选用较慢的转速和提升速度。一般为20～23cm/min速度提升，20r/min旋转。

4.3 喷嘴直径的选择

喷嘴安装在钻头侧面，是旋喷注浆的关键部分，喷粉直径大小对喷射流速度影响很大。一般单管注浆中喷嘴直径选用2.0～3.2mm。

5 高压旋喷注浆施工工艺及技术要求

5.1 施工工艺

5.1.1 钻机就位。钻孔位置布置图如图1所示。钻机安放在设计的孔位上并应保持垂直，旋喷管的允许偏斜控制在1.5%之内。

5.1.2 钻孔。单管旋喷常使用76型旋转振动钻机，钻进厚度达30m以上，适用于标准贯入度小于40的砂土和粘性土层。当遇到比较坚硬的地层时宜用地址钻机钻孔。钻孔位置与设计位置的偏差不得大于50mm。

5.1.3 插管。下管时将喷头进行密封，以防浆、气、水管道堵塞；下到设计深度后，按浆、水、气顺序依次送入，如使用地址钻机钻孔完毕，必须拔出岩芯管，并换上旋喷管插入到预定深度。在插管过程中。为了防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水边插管，水压力不超过1Mpa。若压力过高易将空壁射塌。

图1 Y15－1桩注浆加固钻孔布置图

5.1.4 喷射作业。首先高喷台车就位、进行调平、支撑点垫实垫稳；全面检查喷浆设备是否完好，再进行孔口试喷，检查各种管路是否畅通，各种参数达到设计要求和孔口返浆正常后，再按要求进行正常提升喷射。

5.1.5 冲洗。喷射施工完毕应将注浆管等机具冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除。

5.1.6 移动机具。按照图1所示的施工顺序，将钻机等机具设备移到新孔位上。

5.2 主要技术要求

在钻机就位时，应确保机座平稳，立轴或转盘应与孔位对正，倾角与设计误差控制在0.5°。在喷射注浆前，应检查高压设备及管路系统，管路系统的密封圈必须良好，设备的压力和排量必须满足设计要求。严禁通道和喷嘴内存有杂物。开动注浆泵时应注意，待估算水泥浆的前锋已经流出喷头后，再开始提升注浆管，自下而上喷射注浆。喷射注浆时，开机顺序也要严格遵守规定，开始喷射注浆孔的孔段要与前段搭接0.1m，以防固结体脱节。由于浆液的析水作用，喷射注浆结束一般均有不同程度的收缩，使固体体顶部出现凹穴。因此，应及时用水泥浆进行补灌，水灰比控制在0.6～1之间，并要预防其它钻孔排除的泥土或杂物进入。为加大固结体尺寸，或防治溶洞填充不实，可采用提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施，或采用复喷工艺。

要求持力层与溶洞水泥浆接触良好，溶洞充填饱满；采用抽芯检验水泥浆混凝土强度值要求大于20MPa，施工配方按C30设计。高压喷射注浆喷射过程中出现压力突降或骤增，必须查明原因，及时处理。喷射过程中拆卸喷射管时，应进行下落搭接复喷，搭接长度不小于0.2m。喷射过程中因故中断后，恢复喷射时，应进行复喷，搭接长度不小于0.5m。喷射中断超过浆液初凝时间，应进行扫孔，恢复喷射时，复喷搭接长度不小于1m。喷射过程中孔内漏浆，停止提升，直至不漏浆为止，继续提升。喷射过程中孔内严重漏浆，停止喷射，提出喷射管，采取堵漏措施。对有特殊要求的注浆孔，可采用复喷来增加喷射长度和强度。

5.3 质量检查

高压旋喷注浆的质量检查可分为施工前检查和施工后的检查。施工前，按照设计要求进行现场旋喷固结体试验，借此了解设计采用的旋喷参数、浆液配方、外加剂材料是否合适，固结体质量能否达到设计要求。如某些指标达不到设计要求时，则可采取相应措施，使旋喷质量达到设计要求。施工后的检查，是对旋喷施工质量的鉴定，一般在旋喷施工过程中或施工一段时间进行，检查的数量通常为旋喷固结体数量的2～5%，但每个加固工程至少检查二个，检查对象应选择为地质条件较复杂的地区及旋喷时异常现象的固结体。凡检验不合格者，应在不合格的点位附近进行补喷或采取有效补救措施，然后再进行质量检验。高压喷射注浆后形成的旋喷桩基强度较低，28d的强度在1～10MPa之间，强度增长速度较慢。检验时间应在喷射施工结束后4周进行，以防在固结强度不高时，因检验而受到破坏，影响检验的可靠性。

6 结论

通过本工程的施工，对于高压旋喷注浆的加固机理有了更近一步的认识，得出的主要结论如下：（1）通过高压旋喷注浆使得溶洞处土层由原来的无侧限状态转变为有一定的边界条件的应力状态，从而提高了桩周土体的强度；（2）高压旋喷注浆施工操作对桩周围有一定的挤密压实作用，使得桩侧壁摩擦阻力增大，也使得桩周围的软弱土层承载力提高；（3）通过高压旋喷注浆，水泥-土混合浆液在尚未凝结前将产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒空隙中，形成“脉”状、“板”状水泥结合体，从而提高桩周土体的承载力。

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