富水砂卵石地层条件下超高压旋喷桩施工技术分析

徐中圣

北京正远监理咨询有限公司

富水砂卵石地层条件下超高压旋喷桩施工技术分析

徐中圣

北京正远监理咨询有限公司

超高压旋喷桩以其优异的地基加固效果和挡土挡水性能被深基坑工程广泛使用，而该项技术在类似于北京地区的富水卵砾石地层中桩体质量以及桩间咬合程度均难以有效控制，针对该问题，本文通过试验探索超高压旋喷注浆加固技术在富水卵砾石地层进行地层加固和止水加固的可行性、可靠性。

超高压旋喷桩注浆加固砂卵石层参数分析

超高压喷射注浆加固技术自二十世纪70年代在日本问世以来，已经在全世界工程领域得到了广泛的应用，随着技术水平和机械设备的发展，超高压旋喷注浆加固技术也已相对成熟。然而加固质量如果控制不好，会发生渗漏水、基坑变形及周边土体沉降等现象，不但会给后期施工带来不利影响，严重时还会发生基坑失稳、坍塌等安全事故，给工程各方带来极大的经济损失和社会影响。本文通过试验总结施工经验和技术要点，为超高压旋喷注浆加固技术在北京及类似地层区域的工程中更广泛地应用提供技术参考。不足或错误之处在所难免，敬请读者批评指正。

1.工程概况与难点分析

1.1 工程概况

北京地铁8号线永定门外站为地铁8号线和地铁14号线换乘车站，位于永定门外大街与京沪铁路的立交路口南部，永定门外大街沙子口路口北部。车站沿永定门外大街南北向布置，位于永定门外大街西侧辅道与人行道下方，车站北端为在建的M14永定门外站和地下过街通道；车站南端为安乐林路与永定门外大街交叉路口，交通繁忙，距离南侧最近的居民住宅楼约150m。永定门外站初步止水方案采取“连续墙止水+注浆封底+坑内控制井”方案。由于注浆封底区域位于富水卵砾石地层，施工工艺控制难度大，对设备的性能要求相对较高。

1.2 水文地质条件

车站底板主要位于粉质粘土⑥层以及卵石⑦层上。注浆封底区域位于车站底板下方的卵石⑨层和粉细砂⑨3层，该地层含水量高、透水性好，地下水流速大，浆液凝固速度慢，其中卵石⑦、⑨层重型动力触探值分别为115和136，常规旋喷工艺难以保证桩体强度以及咬合效果。(见表1)

2.RJP超高压旋喷桩施工

2.1 工作原理

高压喷射注浆就是利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使水、空气、浆液成为高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体，部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体，从而提高土层的强度参数，减小土体的渗透系数，达到地层加固和注浆止水的目的，工作原理详见图1。

表1 注浆区域地层描述

图1 工作原理示意图

2.2 工艺流程

测量桩位→引孔→钻机下方钻杆→喷浆→提升→形成加固体(观察旋喷参数)→废浆处理(清洗)→设备移位

2.3 施工方法

1)引孔。针对本工程地质条件采用风动液压钻机配偏心式冲击器冲击跟管钻进；采用履带式多功能岩土钻机跟管钻进。钻孔达到设计深度后，将钻杆提出，向孔内灌入膨润土泥浆护壁，再拔除钢套管。

2)钻机就位下放钻杆(见图2)

3)喷浆。钻杆下至设计标高后(喷嘴部位)，开始喷浆，喷浆时采用双高压喷射，为保证桩底端的质量，喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转5分钟以上，待孔口冒浆正常后再开始旋喷提升。

4)提升。开启高压喷射泵后，由下向上旋喷，同时将泥浆清理排出。喷射时，先应达到预定的喷射压力、喷浆后再逐渐提升旋喷管，钻杆的旋转和提升应连续进行。

图2 钻机下放钻杆示意图

5)废浆处理(清洗)并进行桩机移位。

2.4 工艺特点

1)可实现垂直、倾斜施工。

2)可实现大深度地基的改良，最大深度达60m，桩径大质量好。

3)可随时改变旋喷参数来控制固结体的大小，大大提高工程质量。

4)实现两次切削土体，确保土粒和浆液搅拌均匀。

5)加固直径可以自由选择。

2.5 试验方案设计

2.5.1 试验场地选择及加固体设计。由于相邻标段区间风井(天～永区间)目前施工阶段为基坑开挖，地层与永定门外站类似，且便于后期开挖检测试验结果，所以根据天～永区间地质纵断面的情况，以及天～永区间风井的施工组织安排，选择风井大里程线路左侧盾构井处地层进行超高压旋喷桩试验，该处地层土层状分布较均匀，土层类型基本包含了永定门外站的施工困难地层，因此选择该处作为试验点具有很好的代表性。

本次试验共设3根试验桩，桩径拟定为2.0m，3根桩两两相互搭接咬合，中心间距1.5m，加固深度范围拟定自地面下48m～8m，有效桩长40m，桩体约3/4位于卵石地层，地中约2/3位于地下水位以下，注浆浆液压力约36MPa，水压约32MPa，气压0.74～0.9MPa，提升速度约40～45min/m。

2.5.2 试验研究内容

①有效加固范围研究。坑内土体开挖过程中，对加固体范围进行测量，确定浆液的喷射半径，初步确定不同设计参数下的实际加固范围。

②加固效果研究。在加固体的不同部位进行取芯，并对样本进行单轴无侧限抗压强度测试，明确不同地层、离加固中心不同距离处的加固体强度参数，确定其加固效果。

③加固体止水效果研究。对加固体的不同部位取芯，并进行抗渗试验，得到加固体的抗渗系数，明确其在开挖过程中抵抗地下水渗透的能力。

④加固体封底作用的可行性研究。对两根加固体的咬合部位进行取芯，测试器抗渗透系数，从而明确其封底作用的可行性。

⑤设计参数及施工工艺的总结分析。通过上述各项内容的研究结果，总结分析设计参数、施工工艺对超高压旋喷注浆实施效果的影响，确定科学合理的设计参数和施工工艺。

3.结果与分析

3.1 试验结果

1)1 号桩。从施工时间及参数分析得：在浆压不变的情况下，当气温下降到0度以下后即使提升速度变慢，形成的桩径明显减少；在0度以上时在浆液与水压相同的情况下，提升速度变慢形成的桩径越大。

2)2 号桩。相同施工参数在不同深度桩径有所变化，地质条件对桩径影响较大，进入砂卵石层更为明显。

3)3 号桩。由于该桩施工时间北京连续最低气温在-8度，气温过低时使地面以上浆管、水管(高压橡胶管)管壁摩阻力增大，并且使浆液变稠，使前端(喷嘴部位)喷射压力损失过大，造成桩径无法打开；从成桩断面挖开仅为水泥浆。桩体尺寸详见图3。

3.2 试验总结

1)桩体抗渗效果比较理想，桩身抗渗系数最小为1.623×10-8cm/s，最大为5.197×10-8cm/s。桩体强度较好，除去粉细砂中的个别最大值37.2MPa和粉质粘土中的个别最大值24.4MPa外，桩身取芯其余抗压强度均在10MPa～20MPa之间，波动幅度不大。

2)针对砂卵石层的超高压旋喷注浆试验主要存在两个影响施工的问题，一是引孔过程中钻机卡钻导致钻杆抱死，跟进的钢套筒断裂，无法高质量顺利引孔。二是在注浆过程中，喷嘴易发生堵嘴现象，导致喷浆中断，需提钻检修，无法连续作业，如图4。

图4 试验桩施工故障率统计

3)三根桩未能全部实现咬合，其中1～2#试验桩体咬合效果较好，1～3#、2～3#试验桩体咬合效果不理想。桩体基本成胡萝卜状，即上大下小，且三根桩直径大小不一。如图5、图6。

图5 砂卵石层 成桩(1.8m)

图6 三桩搭接

4.结论

4.1 试验结论

根据本次超高压旋喷注浆现场试验的挖掘揭示情况，在试验喷浆压力、旋转速度、提杆速度下，基本实现了在不同土层进行有效的土层置换加固，在粉土、细砂、粉细砂、粉质粘土等细颗粒土层中加固直径可以达到2.0m以上；在高密实度富水卵砾石地层中加固直径可达到1.4m以上，最大达到1.9m；在合理布置旋喷桩间距的前提下，各土层中均可形成密实的咬合体，能形成连续的加固体。

4.2 试验建议

图3 试验桩检测示意图

5.结束语

实践证明，超高压选喷注浆加固技术能有效增加被加固体的抗渗系数，在粉细砂、粉质粘土、卵砾石地层均有明显的效果效果，并且加固效果足以满足常规地下工程施工对于土体抗渗性能的要求；独立旋喷桩间咬合部位的抗渗系数也能有效达到常规地下工程施工对于土体抗渗性能的要求，因此超高压旋喷注浆法加固地层可作为包括砂卵石地层在内的所有常规地层内止水帷幕的可靠的施作方案。值得进一步推广与应用。

[1]《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002).

[2]北京地铁8号线三期工程06合同段施工组织设计.

[3]朱庆麟 跨向二十一世纪的大直径高压喷射注浆RJP工法[中国土木工程学会第五届地基处理学术讨论会论文集][C].北京：基础工程公司，1997.

[4]李莉玲.陈飞燕.高压旋喷技术在地基加固中的应用与探讨 [A]. 广西桂通公路工程监理咨询右线责任公司，2009.

[5]后少平.浅谈高压旋喷桩施工工艺及控制过程 [J]中铁二十局集团安徽工程有限公司，2010.

[6]张志勇.李淑海.孙浩. MJS工法及其在上海某地铁工程超深地基加固中的应用[J]上海广联建设发展有限公司 2012.