超高压旋喷注浆法施工对地层扰动的研究

胡奇凡

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

1 概述

静压注浆作为一种常用注浆手段被广泛应用于基础加固、建(构)筑物保护及地下邻近施工防护等工程中[1-4]，静压注浆需借助压力进行浆液扩散和压密、填充，施工时对周边地层产生挤推、劈裂、抬升作用[5-7]，注浆压力控制不当容易引起土体较大的水平位移和竖向隆起[8-9]，极易导致地表和邻近地层中的建(构)筑物破坏；同时，静压注浆受地层差异性影响较大，加之土层特性的普遍离散性，在缺乏类似地层实施经验时，静压注浆加固范围和加固质量难以保证。超高压旋喷注浆法利用超高压浆液、水、空气射流冲击切削破坏土层进行加固[10-11]，有效规避了静压注浆借助压力扩散的弊端，在常规地层中均能有效加固，加固体质量均匀、强度高、稳定性好[12]，对周边地层的影响较小，有利于邻近结构的保护[13-15]，但目前该技术多应用于细颗粒地层和软土地区的地基加固、基坑止水、盾构井端头加固等，在卵砾石地层的应用几乎未涉及，在地下工程邻近施工防护中的应用也鲜有出现。

当前，随着地下空间开发利用和城市轨道交通、综合管廊工程建设的大力推进，地下邻近工程建设实施不可避免且日趋频繁[16]，对既有地下结构的保护成了地下工程实施的重要组成部分；同时，地下工程建设也不断向更深处推进，诸如北京、太原、沈阳、青岛等多个城市的轨道交通等设施建设已经进入卵砾石、砂卵石地层，在可预见的将来，在包含卵砾石、砂卵石地层在内的地下空间开展邻近施工防护的设计和施工将不可避免。为此，开展超高压旋喷注浆法施工对周边地层扰动的研究，特别是补充对卵砾石、砂卵石等地层的施工扰动研究具有现实意义。

2 试验方案设计

采用超高压旋喷注浆法在北京某在建工程场地施作3根试验桩，在距旋喷桩中心不同距离和不同地层进行了针对性监测点布设，在超高压旋喷桩施工过程中，对地层的水平位移、分层沉降、孔隙水压力等指标进行监测取值，通过对各项监测指标的分析，来研究超高压旋喷桩施工对地层扰动的特征，各指标的监测方法、监测频率及监测标准详见表1。

表1 监测方法、精度、频率表

3 现场试验实施

受在建工程施工组织限制，深层土体水平位移共布设3个监测孔，监测孔深20 m，编号为A、B、C；土体分层沉降布设1个监测孔，与深层土体水平位移监测孔C孔共用，该孔竖向共布设17个测点；设3个孔隙水压力监测孔，编号为1、2、3(监测孔1在旋喷桩实施过程中受限未能使用)，孔2在地面下以10、24 m深度位置布置了测点，监测孔3在地面以下21、32 m深度位置布置测点。旋喷桩、监测孔、监测点布置平面详见图1，布设剖面以及与地层的空间位置关系详见图2。

图1 旋喷桩及监测孔布置平面(单位：mm)

图2 监测孔及测点布置地质纵剖面(单位：m)

超高压旋喷试验桩由下向上旋喷成桩，在地表以下8 m范围未进行旋喷加固，选取基坑监测基准点为本次试验监测数据参照基点。所有监测孔和测点布设在试验桩施工前一周完成，待各项监测指标实测值稳定后完成初始值采集工作。

4 试验结果及分析

4.1 深层水平位移监测结果及分析

4.1.1 深层水平位移监测结果

对超高压旋喷桩实施过程中各监测孔实测土层深层水平位移数据进行整理和曲线拟合，得到不同高程上地层的水平位移曲线，详见图3～图5。

图3 A孔深层水平位移-测点深度曲线

A孔地层水平位移增量在1号桩和2、3号桩施工时一致性较好(2号桩施工时A测点受机械布置影响无法正常使用，因此3号桩施工测得数据实际为2、3号桩施工影响的总和)，位移较大地层范围的深度为13～18 m(绝对高程23～28 m)，在17 m深度(绝对高程24 m)处达到最大，其中1号桩施工引起地层水平位移2～9.9 mm，2、3号桩施工引起地层水平位移2～4.8 mm，根据地质纵断面，该范围大致为粉土、粉质黏土、卵石和细中砂地层的薄层和界面区域，17 m深度为卵石与细中砂薄层界面，其余③3粉细砂及卵石⑤层范围地层水平位移0.2～1.0 mm。

图4 B孔深层水平位移-测点深度曲线

B测点11～15 m(绝对高程26～30 m)深度地层在1号桩施工时产生了明显的水平位移，位移值2.5～8.9 mm，该范围地层为粉细砂和粉质黏土中间夹约0.8 m厚粉土薄层，其余深度范围的单一地层水平位移均<0.9 mm，尤其是卵砾石地层，水平位移≤0.4 mm；相比1号桩，2、3号桩施工时引起的地层变形明显减小，最大位移分别为1.9 mm和1.7 mm，但位移较大位置与1号桩基本一致，深度11～15 m，其余深度均<0.7 mm。

图5 C孔深层水平位移-测点深度曲线

C测点8～16 m(绝对高程25～33 m)深度地层在1、2号桩施工时均产生了较明显的水平位移，尤其是2号桩施工影响范围较大，涵盖整个③3粉细砂地层以及粉土、粉质黏土、卵石交界、薄夹层地层，水平位移4～12 mm，其中1号桩影响主要集中在12～16 m，水平位移3.4～7.8 mm，2号桩影响主要集中在8～16 m，水平位移4.7～11.8 mm，其中11～14 m范围尤其明显，水平位移8.9～11.8 mm。

4.1.2 深层水平位移影响因素分析

与测点和加固体净距的关系：根据成桩直径开挖揭示的情况[12]，以及监测点与加固中心的位置关系，各测点与旋喷桩加固体净距详见表2。

表2 测点与加固体净距统计

根据地层及测点与加固体净距，并考虑到1号桩阻断部分2、3号桩施工对B测点影响，2号桩阻断部分3号桩施工对C测点影响，3号桩受引孔、旋喷堵管、护壁浆液凝固等诸多因素影响，浆液未能有效打开周边地层进行加固(成桩直径0.6～1.0 m，引孔直径0.6 m)，分析结论：超高压旋喷注浆加固法施工时，对单一地层的水平位移影响较小，距加固体3.5 m范围外一般<1.0 mm，2.5 m范围外一般<2 mm，在卵砾石地层，距加固体1.0 m范围外<1 mm。

与测点所处地层特征的关系：对于地层交界面、薄夹层区域，超高压旋喷注浆法施工会对地层产生较为明显的水平扰动，但是，随着距离的加大，影响会明显减弱，3.5 m范围外<5 mm，2.5 m范围外<8 mm，1.0 m范围外<12 mm。

4.1.3 深层水平位移影响特征机理探究

超高压旋喷注浆加固原理不同于普通的静压注浆，其主要借助超高压浆液、水、空气射流冲击切削破坏土层原有结构、部分置换原有地层颗粒后凝结固化为一体进行加固，而非高压浆液扩散填充、压密填充、劈裂填充等明显引起土层应力变化和传力的方式，因此，实施过程中高压浆液的能量主要消耗在对地层瞬间冲切破坏过程，而且短时间内是局部小范围的点状冲击，通过地层向四周扩散压力的趋势并不能有效形成，因此，高压浆液主要集中在切削面以内，对以外地层影响也明显降低。

地层界面位置往往存在结构不连续，尤其是粒径组成或密实程度差异较大的两种地层，土层性质不均匀、存在薄弱面，导致地层整体稳定性相对较差，受扰动后变形明显，也更容易被超高压浆液冲击破坏，导致影响程度较单一地层相对更明显。本次试验中，③3粉细砂地层在基坑开挖过程揭示自稳能力较差，受扰动后稳定性明显下降，极易出现局部失稳，这与深度13 m和18 m附近薄层③3粉细砂的水平位移较大的试验结果吻合较好。

4.2 土体分层沉降监测结果及分析

4.2.1 土体分层沉降监测结果

1号、2号及3号桩施工过程中，C监测点地层分层沉降实测数据如表3所示，对监测数据曲线拟合后详见图6。

表3 土体分层沉降分步值 mm

图6 C测点地层分层沉降曲线

对比监测数据和相应地层情况可知：3次超高压旋喷桩施工过程中地层分层沉降趋势基本一致，较大竖向变形主要发生在深度12～13 m(绝对高程28～29 m)，地层为③3粉细砂与④2粉土层界面附近，最大下沉约52 mm；深度15.5 m左右(绝对高程25. 5 m)，地层为④层粉质黏土与⑤层卵石界面附近，最大沉降约23 mm；深度16.5～17.5 m(绝对高程23.5～24.5 m)，地层为⑤2细中砂和⑤层卵石界面附近，最大沉降约18 mm；其余单一地层范围沉降量均≤5 mm，其中在8 m深度之内(未旋喷范围)大致为隆起趋势，最大隆起值≤5 mm，③3粉细砂与④粉质黏土层隆起量最大值分别为3 mm和11 mm，⑤层卵石范围最大隆起量≤3 mm。

4.2.2 土体分层沉降影响特征机理探究

土体分层沉降明显部位主要发生在地层界面，地层界面位置的潜在不利物理特征已在本文4.1.2节中描述；③3粉细砂与④2粉土层界面沉降量较其他界面明显偏大，这还与③3粉细砂地层自稳能力密切相关，同理推测，密实卵砾石地层，由于其自身结构密实，粗颗粒骨架牢固，不易受高压浆液的破坏扰动，因此，在旋喷桩施工时地层的隆起和下沉量相对较小，结合桩径及地层分层沉降量，密实卵砾石地层在超高压旋喷注浆加固体外1 m范围，隆起<3 mm，沉降<5 mm。

4.3 孔隙水压力监测结果及分析

4.3.1 孔隙水压力监测结果

试验过程中，3号测孔的46 m深测点无法使用，仅测取了2号测孔10、24 m测点，3号测孔21、32 m测点不同时间的数据，其中2号测孔10、24 m测点，3号测孔21、32 m测点的稳定初始值分别为-1.8、15.6、1.5、52.6 kPa，监测数据曲线拟合后详见图7。

图7 孔隙水压力监测值时程曲线

根据地质纵断面，3号测孔32 m测点位于富水卵砾石地层，勘测水头约9 m，实测水压平均值51.5 kPa，预计勘测地层偏差较大，测点实际位于下卧黏土层。孔隙水压力时程曲线上2015.11.28—20：47～2015.11.29—5：26、2015.12.02—13：23测得较明显的孔隙水压力变化，对照旋喷桩施工历程：2015年11月28日24：00前后，1号桩超高压喷头在该测点高程附近作业， 2015年12月2日13：00前后，2号桩超高压喷头在该高程附近作业；旋喷浆液压力36～40 MPa、水压31～32 MPa、气压0.74～0.9 MPa，测点距离旋喷中心约3 m，孔隙水压波动最大约3.1 kPa。

3号测孔21 m深测点位于卵砾石地层，在地下水位以上，该测点分别于2015.12.04—14：21及2015.12.5—18：36测得孔隙水压力明显变化，对照旋喷桩施工历程：2015年12月04日14：21无施工作业，预计为测量误差；2015年12月5日18：36时间点对应3号桩引孔作业，判定孔隙水压力变化由此引起，变化最大2.8 kPa。

2号测孔10 m深测点孔隙水压力全程稳定，未出现明显波动，判定该地层孔隙水压力基本未受施工影响；24 m深测点位于卵砾石地层，地下水位以下，勘测水头大约1.0 m，该测点在1号桩旋喷作业开始(2015年11月28日20∶17)前空隙水压力逐渐降低，预计为引孔导致的超空隙水压(该值预计为5.6 kPa)逐渐释放，随后在2015年11月29日2：11～11：46期间出现了孔隙水压力增加和消散过程，变化幅度约为1.0 kPa，对照1号桩的施工历程，该时间段超高压旋喷施工在附近高程作业，可判定为施工引起。

4.3.2 孔隙水压力影响特征机理探究

超高压旋喷注浆施工过程中，周边地层的孔隙压力整体较稳定，距离加固体1 m之外地层的孔隙水压力波动基本控制在3.0 kPa以内，对地层的影响基本可忽略。究其原因，主要在于超高压旋喷注浆加固依托于高压浆液及气流的瞬间冲击作用，借助的是浆液本身具备的速度能量，而非液体压强的静力作用，仅有的局部小范围影响也能及时被消散，尤其是卵砾石等渗透系数大的地层，因此，在孔隙水压力方面基本没有明显的体现；就地层而言，渗透性较低的黏土、粉质黏土、粉土等地层的影响要大于砂、卵砾石等渗透性较强地层。

5 结论及展望

5.1 结论

通过超高压旋喷注浆加固现场试验，对旋喷加固施工中周边地层的水平位移、分层沉降、孔隙水压变化等进行了监测和分析，主要结论如下。

(1)超高压旋喷注浆法施工对单一地层的水平位移影响较小，距加固体3.5 m范围外一般<1.0 mm，2.5 m范围外一般<2 mm，在卵砾石地层中，距加固体1.0 m范围外<1 mm；对于地层交界面、薄夹层区域，超高压旋喷注浆法施工会对地层产生较为明显的水平扰动，但是，随着距离的加大，影响会明显减弱，距加固体3.5 m范围外<5 mm，2.5 m范围外<8 mm，1.0 m范围外<12 mm。

(2)超高压旋喷注浆法施工对地层的竖向位移影响整体较弱，一般的单一地层隆起和沉降量大多<5 mm，试验中粉质黏土层隆起量最大11 mm，卵砾石地层隆起<3 mm，沉降<5 mm；在地层界面位置，尤其是粒径组成差异较大、地层稳定性差等存在薄弱面的界面处竖向位移较为明显，试验测得③3粉细砂与④2粉土层界面附近，最大沉降约52 mm，⑤2细中砂和⑤层卵石界面附近，最大沉降约18 mm。

(3)超高压旋喷注浆法施工对周边地层的孔隙水压力影响十分有限，距离加固体1 m之外地层的孔隙水压力波动基本控制在3.0 kPa以内；就地层差异而言，超高压旋喷注浆法施工对渗透性较弱的黏土、粉质黏土、粉土等地层的孔隙水压力影响要大于砂层、卵砾石层等渗透性较强的地层。

(4)超高压旋喷注浆加固过程中，若对周边环境有明确的变形控制要求，首先应对地层情况进行细致分析，在此基础上设计施工参数，确定旋喷桩直径，并合理控制加固体与保护对象的净距，保证地层的扰动影响在安全范围之内，特别需注意土层界面位置，在粒径组成或密实程度差异较大的两种地层界面上，土层性质往往连续性差、存在薄弱面，旋喷桩施工对其影响程度加大，施工时注意适当降低旋喷浆液及空气压力。

5.2 展望

本次试验研究表明，由于超高压旋喷注浆法加固过程中主要借助超高压浆液、水、空气射流的冲击切削破坏能量，而非高压浆液的静力作用，大大降低了土层的应力变化和传力，因此，其在加固过程中对周边地层的影响范围和影响程度均较常规静压注浆小，能有效弥补静压注浆在贴近防护加固、注浆变形控制等方面的短板，该技术可用于包含地下管线、地下室、地铁车站、区间结构、综合管廊隧道、人防工程、桩基工程、防水系统、输水隧道、储油罐等在内的大量需要严格控制沉降变形和施工扰动[17-18]的地下结构的邻近施工防护工程，能更好地满足其变形控制要求，具有较广泛的应用前景。

诚然，本次试验研究还有很多不完善之处，测点的数量和空间位置不尽全面，部分数据未能有效测量，致使试验结论参考性不够全面，有待后续研究改进完善。