旋喷桩的发展应用与研究现状探讨

刘慧萍 余东辉 杨 剑 王 超

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)



旋喷桩的发展应用与研究现状探讨

刘慧萍 余东辉 杨 剑 王 超

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)

介绍了高压喷射注浆法的概念、分类和应用范围，对旋喷桩在国内外的发展和研究现状展开了阐述，以期建立出旋喷桩地基处理和加固技术发展脉络的整体框架，为其在今后的发展应用提供依据。

旋喷桩，高压喷射注浆，地基处理

0 引言

当地基承载力不能满足设计要求时，或者既有建筑地基发生过大变形，引起上部结构过多沉降时，就有必要对地基进行加固处理。托换加固方法有很多，但由于施工场地狭小，既不能影响既有建筑使用，也不能对周围环境造成影响，能够满足上述要求的托换加固方法并不多，这时高压喷射注浆法的优越性就显示出来。

高压喷射注浆是现代科技发展的产物，得益于高压泵、钻机和特殊结构的喷嘴的发明创造[1]。最早这些设备应用在水力采煤中，后来最先由日本引入到岩土工程中，取得了很好的工程经济效益，从而得到了广泛推广。旋喷桩即是高压喷射注浆法应用于岩土工程的产物。

1 高压喷射注浆法

1.1 高压喷射注浆法的含义

高压喷射注浆需要预先在地基土中钻孔，孔洞尺寸不需要太大，足够容得下注浆管即可，对土体结构不会有明显破坏。施工时，注浆管沿着打好的孔洞深入土层，注浆管的尾部是具有特殊结构的喷嘴。喷嘴的作用一方面是喷出压力很高的水泥浆液，这样土体结构受到冲击而松动、土颗粒被水刀冲切而掉落；另一方面随着喷嘴的不断旋转喷射，形成以喷嘴为中心的高压场，以近似圆的形状向外扩张。原先的孔洞直径很小，只起到导入注浆管的作用，而此时高压旋喷注浆的过程中，高压浆液的影响范围是一个比孔洞直径大得多的圆形区域。在该区域中松动、破碎的土块随着浆液一起旋转搅动，水泥浆液与土体颗粒掺和在一起，因此旋喷桩实质上是由水泥和土相互结合生成的，其强度来源是水泥—土网格结构。随着注浆过程的持续进行，大量浆液注入土中，一部分松散的土粒会随着浆液从孔洞与注浆管之间的空隙向上带出，形成冒浆现象，对施工环境的整洁构成一定影响。

1.2 高压喷射注浆法的分类

按照施工机具和射流介质的不同，高压喷射注浆法分为单管法、二重管法和三重管法[2]。受施工机具性能的限制，一般采用的高压泵输出压力为20 MPa。输出的介质有单一介质，也有多重介质共同作用，单管法就是输出单一的水泥浆，二重管在此基础上增加了高压空气，形成液气共同作用，三重管则是水、气、浆同轴喷射，依靠高压水冲击土体、填充浆液形成强度。高压喷射的角度和最终生成的固结体都是可以定制的，由工程需要而定，由此产生了各种喷射类型。旋喷法最常见，360°全覆盖喷射，形成的固结体近似圆桩，旋喷桩也由此得名。另外，在一些地下防渗工程中，高压喷嘴只摆动一定角度形成扇形形状，或者不摆动生成壁形，只要扇形或壁形相互叠合，即可构成闭合的区段用来防止地下水的渗透。

1.3 高压喷射注浆法的应用

高压喷射注浆法的应用范围广泛，既可用于地下，如围护地下管道，也可用于地上，如防止山体滑坡。仅加固地基一项就可以应用于多种领域，可以加固房屋地基、桥基，也可以加固路基，房建、市政等都能体现出其应用价值。除了加固的用途，得益于固结体透水性差，高压喷射注浆还可用于防渗工程，包括地下建筑的防水和大量的水利工程的应用。除常见的竖向旋喷之外，近些年水平旋喷的应用实例也逐渐增多，其中典型代表就是开挖隧道时水平旋喷加固。

高压喷射注浆法对于软土地基的加固具有良好的适用性，克服了传统注浆法对淤泥质土、软粘土和粉土加固效果较差的缺点。其优势在于加固细粒土，但不足之处是对于粒径较大的砾石土效果不理想，这是因为此类土块大质硬，高压射流无法对其构成有效冲切。由于高压喷射注浆所采用的水泥的凝结硬化是后期强度的主要来源，而有机土其成分影响到水泥的水化反应，故高压喷射注浆亦不适用。

2 旋喷桩的发展和现状

2.1 旋喷桩在国外的发展

旋喷桩问世的时间是1960年。当时日本N·I·T公司在进行地下铁道开挖施工中，先后运用冻结法和静压注浆法进行地层加固和止水，效果均不理想。该公司的中西涉博士为解决这个工程难题，将静压注浆技术与水力采煤技术进行了创造性的结合，发明了之后被称为单管法的工法(CCP工法)，其原理是通过高压泥浆泵将水泥浆泵入注浆管，再由注浆管下部已进入设计土层深度的喷嘴高速喷出，土体受到高压冲击被打碎并与水泥浆混合，最后通过喷嘴的旋转和提升，形成强度较高的水泥土增强体(桩径0.4 m～0.8 m)，呈圆柱状。多根桩并排连在一起，桩间部分重叠，形成封闭群桩，不仅有加固作用，还可产生截水效果，用作止水墙。

单管法成桩直径小，不能完全满足现代建筑地基处理的需要。20世纪70年代，日本对单管法进行改进，引入空气压缩机和高压水泵等设备，利用空气、水流和水泥浆等多种介质，增大冲切土体的范围和速率，相继发明了二重管法(JSG工法，成桩直径0.6 m～1.5 m)和三重管法(CJG工法，成桩直径0.8 m～2.0 m，深度达30 m)。上述两种工法，相比于传统的单管法，增加了高压气流和高压水流，从而使得切土、破土效果增强，加固效率提高，最后得到的水泥土桩桩径明显增大。

进入20世纪80年代，在三重管技术的基础上，又开发出一系列新技术。这些技术都符合提高施工效率、增大加固深度、控制桩形、提高固结体匀质性和可靠度的地基加固新趋势。比较有代表性的是RJP工法、SSS-MAN工法和MJS工法。

RJP工法(1988年)是由三重管法发展而来，固结体直径更大(2.4 m～3.2 m)。两者的区别是，RJP工法先利用上部喷嘴喷射的高压水气流体进行初次切割土体，将较小半径的土块破碎，再利用下部喷嘴喷射高压浆气复合流体进行二次切割，并且与三重管采用低压浆液不同，RJP工法采用的是高压水泥浆(40 MPa)，最终形成更大直径的加固体。

SSS-MAN工法是典型的多重管法，与之前单纯依靠高压射流冲击混合土体的模式不同，该法利用全置换的方法先抽再填，即先抽出高压水冲击土体后形成的泥水，再用水泥浆等介质填充该土层空缺。本工法需要进行水泥护壁以解决空洞的稳定问题，对设备和施工要求较高。

MJS工法是近期发展出的多孔管法，其特点是全方位喷射、喷注速凝剂，从而可调整喷射压力和浆液数量，并做到最短时间凝固，提高施工的效果。

2.2 旋喷桩在国外的研究现状

自从20世纪60年代日本开发出旋喷桩的工法以后，又相继开发出了单管法、二重管法、三重管法以及SSS-MAN工法，保持着该项技术的领先地位。先后向意大利、法国、德国、美国、俄罗斯等等国家进行技术交流，促进了该项技术在世界范围内的发展以及应用。

近年来的技术发展主要围绕着两个问题：

1)旋喷法施工时部分泥浆沿钻孔上翻到地面，影响到施工环境的整洁，如何减少污染；

2)桩径增大有利于降低造价，如何在原有技术基础上进一步增大固结体直径，并且使截面保持规则圆形。

日本中西涉等人为解决上述问题进行研究，相继发明了MJS工法和RJP工法，前文已对这两种工法进行了简要介绍，故不在此赘述。另一个技术趋势是将深层搅拌法所使用的搅拌翼与高压喷射注浆独有的喷射流相结合，开发出新的机械设备，在保证截面是规则圆形的同时，还能够得到较大的固结体直径。这类方法统称为搅拌喷射混合法，JACSMAN工法、DMSWM工法和WJDCG工法都是这类方法的典型代表。

2.3 旋喷桩在国内的发展

我国于20世纪70年代首先由铁道部进行旋喷技术的试验研究[3]。第一阶段主要进行现场试验，1972年，我国铁道部门率先开始进行单管法的试验，对机具设备、旋喷工艺、浆液配方展开研究。

70年代中期我国进入第二个施工应用阶段，1975年，铁道部等单位正式将旋喷注浆法应用于工程建设中，在加固桥隧基础、治理既有建筑地基不均匀沉降和加固基坑软弱土等等方面，解决了其他加固方法难以奏效的实际问题，同时也进一步促进了旋喷工艺和机具的研发。1977年，在宝钢工程中，冶金部建筑研究总院尝试采用三重管法，并且最终达到预期效果。在这一阶段中，高压喷射注浆技术的处理对象，已从桥梁隧道与路基工程推广到工业与民用建筑，应用范围也从提高地基承载力推广到防水、防渗、防流沙。

旋喷技术在我国进入成熟并全面推广，即第三个阶段，标志事件是1992年9月1日起施行的JGJ 79—91建筑地基处理技术规范(在最新的JGJ 79—2012[4]中的7.4条收录了旋喷桩复合地基)。旋喷桩加固技术作为成熟的22种地基处理方法之一，专门收录在这部规范之中。规范对该方法的适用范围、勘察、设计、施工以及质量检验等环节都做了明确规定，其中，旋喷桩的承载力采用修正系数进行设计计算。规范的发布促进了旋喷桩加固技术的科学设计和规范施工，对该项技术的全面推广起到了积极作用。1996年5月，RJP工法的发明者中西涉来到北京，指导进行RJP工法现场试验，收到良好效果，固结体直径达到3 m，明显超过了三重管法生成的固结体直径，标志着旋喷技术水平达到了一个新的高度。

3 结语

1)现有技术条件下，在一定范围内水灰比减小，旋喷桩桩体强度提高，很容易造成堵管施工难以开展。因此加强施工机具，尤其是喷嘴的研发是提高其成桩质量的根本途径。

2)旋喷桩的水泥土结构决定了其水平抗剪能力较差，因此，如果能够在旋喷桩施工过程中埋置钢筋笼，且保证桩体质量不受到影响，旋喷桩的承载性能将会明显提高。

[1] 徐至钧,全科政.高压喷射注浆法处理地基[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] 龚晓南.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3] 朱庆林,林培源,郎伯清.旋喷注浆加固地基技术[M].北京:中国铁道出版社,1984.

[4] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范[S].

Inquiry on the development application and research status of rotary jet grouting pile

Liu Huiping Yu Donghui Yang Jian Wang Chao

(CollegeofBuildingEngineering,Xi’anUniversityofIndustry,Xi’an710021,China)

The paper introduces the identification, categories and application scope of high pressure rotary jet grouting pile, describes its development and research status at home and abroad, with a view to establish integral framework of rotary jet grouting pile foundation treatment and reinforcement technology development, and to provide some basis for its application in future.

rotary jet grouting pile, high-pressure rotary jet grouting pile, foundation treatment

1009-6825(2016)10-0067-02

2016-01-23

刘慧萍(1968- )，女，教授； 余东辉(1991- )，男，在读硕士

TU472.36

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