旋喷桩软基段施工技术

王晓琼

(中铁十四局集团有限公司，山东济南250101)

0 引言

随着我国地下基础设施建设的不断发展，盾构法的应用愈加广泛，大大提高了隧道施工速度。但该方法会在一定程度上导致隧道周围地层变形及地表沉降[1]，特别是在穿越软基土层时容易引起较大的工后沉降，若不能及时采取有效措施，将会对周边管线造成影响，甚至危及地面建筑物的安全[2]。为此，在盾构施工影响区域范围内，常采用高压旋喷技术加固处理隧道四周土体，使隧道周围土体性状得到改善，增加其承载能力和抵抗变形的能力，能有效控制盾构施工过程中引起的地面变形问题。

高压旋喷桩法是通过钻机将具有特殊喷嘴的注浆管置于土层指定深度后，以高压喷射流切割破坏土层，同时以一定的速度旋转并提升钻杆，将水泥浆与破碎土体搅拌混合至凝固，从而达到加固土体的目的[3]。按照注浆管的类型，高压旋喷柱法可分为单管法、双重管法、三重管法、多重管法、干喷法[4]。在旋喷桩施工中，大量注入土层的高压流体会对土体造成劈裂、挤压等作用，导致地面隆起。当施工位于城市地区时，这种变形会影响地下管线以及附近建筑。如何控制旋喷桩施工工艺，达到预期效果，防止土体变形，值得通过工程实例进行深入研究。

目前，国内外相关学者已经针对旋喷桩施工引起的地面变形等问题进行了研究。文献[5]结合现场试验，对高压旋喷施工引起的地面变形进行了监测，分析了旋喷施工对高铁桩基的影响；文献[6]提出了一种路堤竖向小直径引孔高压旋喷桩技术，并从理论分析了路堤隆起与各工艺参数间的关系；文献[7]针对旋喷桩施工引起地面隆起，提出了一种新的分析方法，并用该方法探究了主要工艺参数对地面隆起的影响规律；文献[8]研究了旋喷桩施工对周边管线的影响，提出了相应的改进措施。本文通过一个典型的工程实例，对施工期间地面隆起现象进行监测，分析了旋喷导致地面变形的具体原因，并进一步提出了具体的处理方案，所得结论对类似工程具有参考价值。

1 工程概况

海沧大道站至东渡路站区间全长2 736 m。地质资料显示，海沧大道站至东渡路站盾构区间右线DK18+531.484—DK18+665段，及左线DK18+531.484—DK18+694段盾构全断面位于淤泥质地层中。为减少后期运营沉降影响，采用旋喷桩法加固处理该段软土地基。右线加固区有一400 mm×300 mm电信排管。

根据设计及施工规范要求，在现场针对软基土层设计高压旋喷施工，施工水泥采用标号42.5的普通硅酸盐水泥，水泥掺量为20%，28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。旋喷桩桩底穿入淤泥层应不小于1 m。

2 高压旋喷技术

2.1 高压旋喷技术基本原理

双重管法旋喷所用的浆液对土层渗透性好，注浆材料来源广泛且经济、无污染，既能加固地层强度又有良好的止水效果。综合考虑该工程盾构区间段的地质条件、周围环境状况，采用双重管法。

双重管法旋喷先将双通道的二重注浆管放置于预定土层位置，然后位于管底侧部的同轴双重喷嘴喷射出空气和高压水泥浆，对土体造成冲击破坏[9]。即用一层喷射管横向喷射空气并切割地基土体，高速喷出的空气产生上升力，由此排除地表的破碎土粒、土块[10]。地基被切割、搅拌后，通过另一个喷嘴向其中以低压力注入水泥浆，使水泥浆与土混合。双重管法对桩径适应条件见表1。

表1 桩径适用条件

注：N为标准贯入实验锤击数。

采用双重管法旋喷施工时，在提升注浆管前应先达到预定的喷射压力、喷浆量，注浆管分段提升的搭接长度不得小于100 mm[11]。在地面出现溢浆现象或注浆管提升至设计桩顶高度时，应停止当前桩的旋喷工作，拔出旋喷管并清洗管路。双重管法是将水泥浆与压缩空气同时喷射，既可延长喷射距离，增大切削能力，又可促进废土的排除，减轻加固体单位体积的重量。

2.2 施工流程

双重管法高压旋喷施工流程主要分为以下步骤。

1)测放桩位：根据桩位布置图确定每个旋喷桩位置并放样，然后检查桩的位置、数目以及布置形式。

2)钻机就位：将钻机移动到指定桩位，使钻头对准孔位中心，同时对钻机作水平校正，使孔位中心位置与钻杆轴线垂直，并进行实测或用经纬仪测钻杆，确保钻孔垂直度偏差不大于1.5%。

3)浆液制备：制备浆液时要严格按照施工参数中规定的配比进行配置，浆液在进入高压泵前要经过搅拌机搅拌以及筛网、过滤网2次过滤。

4)插入高喷管：启动钻机，将喷浆管下到孔底的预定深度处，将配制好的浆液低压泵入。

5)高喷作业：喷管达到设计深度后，高压泥浆泵内喷嘴喷射压力提高至20 MPa，同时外喷嘴以0.7 MPa的压力喷射压缩空气，待喷射30 s后提升和旋转喷浆管。喷射过程中要时刻监测水泥浆初凝时间、泥浆泵泵压、空压机压力、注浆流量、转速、提升速度等施工参数是否符合设计规范。

2.3 其他设计参数

结合设计要求、施工规范及类似工程的施工经验，旋喷桩其他施工参数及技术要求见表2和表3。

表2 旋喷桩施工参数

表3 旋喷桩施工技术要求

注：D为设计桩径。

3 施工期地面隆起

3.1 地面隆起简介

在旋喷过程中部分浆液沿注浆管壁冒出地面时，常常会带出一定数量的土颗粒，根据经验，冒浆(内有土粒、水及浆液)量小于注浆量10%为正常现象。由于该加固区域为土质淤泥层加固，加固过程中淤泥层有较大的扩展弹性，加固过程中返浆较少，小于注浆量的10%。同时为确保成桩质量，防止空穴现象，对现场冒出地面的浆液进行选择和调整浓度，前一根桩做返浆回灌处理，所以现场冒浆较少。

随着加固区注浆量的饱和，2015年3月5日15：42在右线施工过程中出现地面隆起现象，现场测量得知，隆起最大高度为0.25 m。

3.2 隆起原因分析

高压旋喷桩法对地基进行加固处理形成桩作用机理是导致地面隆起原因之一。

1)喷射的压缩空气和高压浆液对土体的切割破坏作用：土体受到脉冲形式的喷射流动压，结构遭到破坏，原地层易于受力隆起。

2)混合搅拌作用：由于喷射压力作用，钻杆在旋转和提升过程中使土粒的移动方向与喷嘴的移动方向相反，这给原来受力平衡的土层施加了外力，导致地面隆起。

3)压密作用：高压喷射流在切割地基土体时，破碎土体边部仍有残余的压力，使土层被压实，导致地面隆起。

旋喷桩在软地层施工中的累积效应是地面隆起原因之二。

高压旋喷施工加固地基时，桩体是由在20～30 MPa的压力下水平喷射出的浆液与土体发生混合、置换而成，一般的高压旋喷施工中必须有废浆液从孔口溢出[12]。但是在软基的情况下，地层中存在难以从钻杆和土体间隙溢出的水泥浆，随着旋喷桩施工的进行，存积的水泥浆量逐渐增多，进而产生的压强增大，形成的压力进一步抬升土体，导致地面隆起。

3.3 解决方案

3.3.1 进行管线保护

为防止加固区周边管线在施工过程中遭到破坏，旋喷桩施工前在电信管线西侧设置一排φ0.12 m×0.7 m的减压孔，孔深与相邻桩底标高一致，使用减压排孔钻机引孔至相应深度，并注水和膨润土，形成2条具有一定弹性的减压排孔，确保在旋喷桩施工过程中压力得到释放，从而减少地面隆起，达到对管线保护作用。减压排孔平面布置图见图1。

图1 减压排孔位置图(单位：mm)

施工前应检查电信井，观察井中通信线路的松紧程度并对过紧线路进行一些释放，保证线路有些余量，以防施工过程中土体变形拉断线路。

加强对施工影响区域隆起监测，保证施工前、中、后实时监测，出现数据异常及时反映给技术员，以便对施工进行及时调整。

3.3.2 采用下步施工

将加固区分为先施工区和后施工区，管线改移段为后施工区，施工方法调整为由中间向两侧左右两侧对称施工和跳跃式施工，防止压力集中造成地面隆起和对管线的破坏。施工顺序见图2。

图2 施工顺序

施工过程中对注浆压力进行严格控制，确保在旋喷过程中注浆压力控制在20～22 MPa。

为保证旋喷废浆顺利排出，旋喷施工时先进行引孔，孔径为120 mm，然后进行泥浆护壁钻孔作业，作业完成后对钻孔进行返浆清理并立即喷射成桩。旋喷过程中，应对孔口返浆情况进行监测，若返浆停止，查清原因并及时处理后方能继续喷射。

4 结论

1)高压旋喷技术是盾构施工过程中进行土体加固的一种有效手段，但如果工艺处理不当，极易引起冒浆、地面隆起等问题，对周边管线造成影响，危及地面建筑物的安全。

2)高压旋喷桩法加固地基对土体产生的切割破碎作用、混合搅拌作用以及压密作用是导致地面隆起的主要原因。另外，旋喷桩施工时浆液存积产生的压强对土体有抬升作用，也会导致地面隆起。

3)为对周边管线进行保护，可以通过设置减压排孔进行压力释放，同时采用下步施工来防止压力集中造成地面隆起。