高压旋喷桩地基处理技术工法特点分析

2017-11-01王小彬

山西水利 2017年9期

关键词：喷浆卵石浆液

王小彬

（山西辛安泉供水工程有限公司，山西长治 046000）

高压旋喷桩地基处理技术工法特点分析

王小彬

（山西辛安泉供水工程有限公司，山西长治 046000）

高压旋喷灌注桩就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使水或浆液以20 MPa左右的高压流喷射、冲击、破坏土体，并随浆液结合、凝固成固体，随着喷嘴不停地旋转、提升，最终形成圆柱状桩体，与周围土体形成复合地基，提高地基承载力。通过淜头水电站高压旋喷桩实例，简单分析了高压旋喷桩技术及工法特点。

旋喷灌注桩；旋喷参数；双管法；淜头水电站

1 概况

1.1 工程概况

淜头水电站工程位于山西省平顺县北耽车乡北耽车村上游约400 m的浊漳河干流上，控制流域面积10458 km2。主要包括9孔拦河闸段、左右岸坡连接坝段、水电站发电站主副厂房、启闭机房、消力池等水工建筑物，水库总库容425万m3，电站总装机1200 kW，工程建筑物等级为4等。

1.2 地质状况

坝区地貌主要为剥蚀构造中山区与山前洪冲积、洪积区，区域内出露的地层有古生界。本区地下水分为碳酸岩类溶裂隙水和松散岩类孔隙水两种类型，地下水多有两岸向沟谷流动，由上游向下游流动。坝址处河谷呈“U”型，高程588～910 m，闸址段沟谷平坦宽阔，宽约190 m，河谷内常年流水，河水位高程588 m左右，河床覆盖层厚5~28 m，具有中等透水性，岩性上部为低液限粘土层、卵石混合土层，下伏基岩为泥质页岩，基岩强风化层厚度5~8 m，弱风化层厚度10~15 m。

工程场址主要存在坝基覆盖层及基岩渗漏问题，覆盖层渗漏变形问题，绕闸基渗漏问题，土体承载力低及不均匀变形等问题。

2 坝基旋喷灌注桩设计

竖向承载旋喷桩复合地基承载力特征值，可按下式计算：

式中：fspk——复合地基承载力特征值，kPa；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值，kPa；

Ap——桩的截面积，m2，取0.785；

β——桩间土承载力折减系数，取0.75；

frk——处理后桩间土承载力特征值。

经计算，面积置换率m为0.18，复合地基承载力为250 KPa。

3 钻孔布置

坝基基础处理采用高压旋喷桩复合地基处理方案，高压旋喷桩布置在闸基闸室段范围内，桩号为0+000.00-0+160.00。设计桩径1.0 m，桩距2.2 m（加密区1.7 m），梅花形布置，钻孔钻入基岩下0.5 m。孔位布置共分为87 m表孔泄洪闸段、33.5 m表孔、底孔及电站进水口段及39.5 m左岸挡水坝段共三段160 m，布桩共计1317根。

4 施工方案

4.1 施工流程

钻机就位→钻孔→试喷→喷浆作业→结束→拔管→清理。

4.2 钻机选用

本工程主要采用回转地质钻机及钻喷一体机两种机型，自上而下一次成孔、膨润土泥浆固壁工艺。

4.3 钻孔孔径

位于30-42列（渗0+50.894—渗0+73.754）设计桩顶处于粉质粘土层的高喷桩，粘土层控制不小于150 mm，以下卵石层至终孔不小于110 mm，深入基岩0.5 m；位于1-29列和43-87列设计桩顶处于卵石层的高喷桩，开孔至终孔不小于110 mm，深入基岩0.5 m，钻孔孔径根据实际地层情况确定。

4.4 浆液配制

高喷灌浆采用P.O42.5的普通硅酸盐水泥，浆液配合比为1.2∶1和1∶1（水∶水泥），采用高速搅拌机搅拌，纯拌合时间不少于30 s，保证连续制浆。浆液在使用前过筛，自制备到使用完毕不超过4 h。水泥浆液配比见表1。（注：括号中数字适用于水灰比1:1工况。）

表1 水泥浆液配比

5 高喷主要施工参数选定

5.1 高压旋喷桩主要施工参数

高压旋喷桩施工参数主要根据地层情况决定，可采用双管法和三管法，如表2所示。

表2 旋喷桩高喷灌浆施工参数一览表

5.2 高压旋喷桩形式

通过施工单位进行试验桩采用的“双管法”及“三管法”成桩情况分析，结合地层勘探资料，位于30-42列（渗0+50.894—渗0+73.754）设计桩顶处于粉质粘土层，地基土粘土层分部相对较厚，为取得较好复喷效果，高喷桩采用“三管复喷法”旋喷的形式。

位于1-29和43-87列设计桩顶处于卵石层的高喷桩采用“双管法”的形式。桩径1.0 m，桩距2.2 m，梅花形布桩，分两序施工，先施工一序孔，后施工二序孔。

6 喷射作业质量控制

6.1 地面试喷

钻孔经验收，高喷台车就位对准孔口后，为了直观检查高压系统的完好性以及是否能够满足使用要求，首先应进行地面试喷。

6.1.1 喷浆作业

喷管下至制定深度厚，即可供浆、供风开喷。首先静喷1～3 min，待各压力参数和流量参数均达到要求，且孔口已返出浆液时，即可按既定的提升速度和旋转速度进行喷射灌浆。

高喷灌浆应全孔自下而上连续作业。作业中因拆换喷射管而停顿后，搭接高喷长度不小于20 cm。

6.1.2 提升速度的控制

位于30-42列（渗0+50.894—渗0+73.754）高喷桩喷射作业按下列要点进行：

喷管下至钻孔孔深后开始卵石层喷浆，喷浆至卵石与粘土层结合面，停止送浆，用高压水按5 cm/min的提升速度喷射至超出设计桩顶高程50 cm，然后将喷射管下放至停浆部位以下30 cm，开始送浆，再按7 cm/min的提升速度喷射至超出设计桩顶高程50 cm。

位于1-29和43-87列高喷桩，首先对于卵石层中的粘土夹层，卵石层提升速度10cm/min，黏土层提升速度5 cm/min，卵石层与粘土层结合面上下30 cm范围内，降低提升速度按5 cm/min提升，确保结合面喷浆质量；其次在喷至距设计桩顶高程50 cm时，静喷1 min后按8 cm/min的速度提升2 min后再静喷1 min，再按8 cm/min的速度提升2 min再静喷，直至设计高程，然后继续按8 cm/min的速度提升至超过设计高程50 cm。

6.1.3 回灌

待喷浆结束后，利用下一孔喷溅过程中的回浆或新制浆液进行回灌，直至孔内浆面不再下沉为止。

6.1.4 封孔

高喷灌浆经回灌后，地面空孔部分用壤土回填封孔。

6.1.5 废浆处理

针对现场灌浆机较多，浆液返浆到地面后，会产生大量废弃浆液，如果不妥善进行处理，废浆液就很容易流向下游河道，随河水流向下游，污染环境，为此，现场设置约200 m3矩形废浆处理池一座，用于阶段性容纳地面返浆，返浆经过凝固后定期由自卸汽车拉走，另作他用。

7 几种特殊情况处理

7.1 桩径不足

现场因地层出现硬粘土层，使桩径达不到要求，通常可考虑以下措施：第一加大径钻机口径、增大压力水头和浆液流量等旋喷参数以增加成桩直径；第二按照“两慢一重复”进行慢速喷浆，即变慢旋转速度、变慢提升速度,重复喷浆；第三结合静液注浆等局部修复方法使得旋喷桩径达到要求。第四可采用多重管法，但该方法较复杂，不仅要输送高压水，而且还要同时将冲下来的土、石抽出地面，因此管径较大，达到Φ300。目前在我国尚未大规模使用，经验不足，应结合工程实际情况，并考虑施工周期及经济费用。

7.2 桩体形状不规则

在非均质或有裂隙土中，旋喷的圆柱体不匀称，固结体常在某个方向多出固结块，且外表粗糙，三重管旋喷固结体受气流影响，在黏砂土中外表格外粗糙，这些可通过调整喷射压力、注浆量、喷嘴移动方向和提升速度来控制。

7.3 串浆及冒浆不正常

高喷桩灌浆过程中发生串浆时，应填串浆孔，待灌浆孔高喷灌浆结束，尽快对串浆孔扫孔，进行高喷灌浆，或继续钻进。

喷射过程中，从冒浆成分和流量大小可大致了解喷射注浆质量和地层情况，以及喷射效果和喷射参数的合理性。冒浆量大小与喷射类型、被喷射地层及进浆量有关。冒浆量过大或过小均不正常，以注浆量的20%为界，应及时分析原因进行处理。

发生冒浆量过大通常是有效喷射范围与注浆量不相适应有关，可通过提高喷射注浆压力，适当缩小喷嘴孔径，调整静喷时间等措施来解决。

7.4 返浆异常

地层中若存在较大孔洞引起不冒浆或发生严重漏浆情况，若在钻孔中发生漏浆，则应当加大钻进泥浆的浓度，在泥浆中掺加沙子，或向孔内填入其他堵漏材料，使其恢复孔口正常返浆。

7.5 喷射管安装及冲洗

7.5.1 装、卸喷射管

装、卸喷射管时，采取的措施：密封、加快装卸动作以防止喷嘴堵塞。

7.5.2 喷管冲洗

当喷射到超出设计高程50 cm后迅速拔出喷射管，并及时将各管路冲洗干净，以防管嘴附近上黏着的浆液凝固堵塞管嘴。

8 质量控制

在灌注过程中严格质量控制，首先从水泥、膨润土等原材料进场，到钻机设备，施工原始记录进行严格控制。水泥保证从正规大厂家进货，保证原材料符合要求。其次在造孔、灌浆整个过程中，监理要实行全天候旁站，完整记录施工过程，特别是对孔位、孔深、灌浆压力、开喷时间、提升速度、水泥用量等要详细记录，每个孔位开喷前要签发开喷证方可开喷。

高压旋喷桩质量检查包括旋喷桩单桩桩体开挖检查、室内试验、钻孔检查、载荷试验及其他非破坏性试验等五类方法。本工程通过单桩竖向静载试验和复合地基静载试验，单桩竖向承载力特征值和复合地基承载力特征值分别达到850 KN和250 KPa，均满足设计要求。