高压旋喷灌浆在岩溶软弱层加固处理中的应用

曾安怀，韦兴标

（广西水文地质工程地质勘察院，广西柳州545006）

1 概述

柳州市某房地产开发有限公司拟建的16#楼建筑占地面积长38m×宽27m，楼高27 层（不含地下室1层），拟采用剪力墙结构，基础采用筏板基础（CFG桩复合地基），但基底以下岩溶强烈发育，岩溶形态以全充填溶洞、半充填溶洞和无充填溶洞为主，洞内充填物多以软塑状粘土为主，须对其进行地基加固处理，以提高岩溶发育部位的地基承载力和稳定性，设计要求：高压旋喷桩灌浆加固处理后复合地基承载力特征值fspk≥220kPa。

我院根据业主提供的“岩土工程勘察报告”、“建筑平面布置图”、“溶洞分布示意图”和设计要求，依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）和《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）等国家现行技术规范，设计高压旋喷桩直径D=600mm，采用正方形布桩时，桩间距s=1.45m；采用矩形布桩时，s1=1.5m，s2=1.33m。经历35d 的外业作业，完成高压旋喷孔128 个，累计进尺约2100m，高压旋喷灌浆消耗水泥约120t；基底岩溶软弱层经高压旋喷灌浆加固处理后，经检测单位采用钻探取芯和重型动力触探等原位测试手段进行检测，其复合地基承载力特征值fspk≥220kPa，满足设计要求。

2 场地岩土工程地质特征和水文地质条件

2.1 场地岩土工程地质特征

根据现场钻探、按地层沉积年代、成因类型，将拟建场地地面以下钻探深度范围内的地层进行划分。场地分布的地层自上而下依次为人工填土层（Q4ml）杂填土①、第四系冲积成因（Q4al）粘土②、粉质粘土③及卵石④、含卵石粘土④1层；下伏基岩为石炭系（C13）破碎石灰岩⑤及较完整石灰岩⑥层。现将场地岩土层由上至下详细描述如下。

2.1.1 第四系人工填土层（Q4ml）

杂填土①：杂色，以黄灰、黄色为主，结构松散，稍湿，由粘性土、砂砾等建筑垃圾组成，粒径一般1～10cm，最大50cm，局部含少量生活垃圾及植物根系，为近代回填土，回填时间约为2～8年；该层在场地内个别钻孔有揭露分布。

2.1.2 第四系冲积成因（Q3al）

（1）粘土②：黄色、黄红色，呈稍湿、硬塑状，局部坚硬，土层切面较光滑，韧性及干强度高，无摇振反应；经过水流搬运、冲积后仍保持一些次生红粘土的特征，属中等压缩性土；该层在分布于整个场地。

（2）粉质粘土③：黄色，浅黄色，稍湿，硬塑状态为主，局部可塑，切面稍粗糙，干强度高，韧性中等，无摇振反应，局部含有砾砂，属中等压缩性土；该层在大部分钻孔有揭露。

（3）卵石④：灰白色、黄灰色，湿，饱和，稍密状，母岩成份为砂岩、灰岩、硅质岩等，呈亚圆形—圆形，级配不良，充填物主要为粘性土及砂粒，属于中等偏低压缩性土；该层在分布于整个场地。

（4）含卵石粘土④1：黄色、黄灰色，很湿，流塑状态，土层切面光滑，韧性及干强度中等，含有卵石；该层机械加钻杆后无需加压，人力压杆即可轻松钻进，属高压缩性土；该层个别钻孔(DZK20)有揭露。

2.1.3 石炭系（C13）

（1）破碎石灰岩⑤：深灰色、灰色、灰白色，隐晶质结构，块状构造，风化强烈，节理裂隙发育，有方解石脉发育，岩芯破碎，岩芯被溶蚀，呈碎块状，块径一般在20～80mm不等，取芯困难，采取率约30%～50%。属软岩，破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级；该层在大部分钻孔有揭露。

（2）较完整石灰岩⑥：深灰色、灰色、灰白色，隐晶质结构，中厚—厚层状构造，中等风化状态，节理裂隙有发育，岩芯多呈短柱状，芯采取率约80%～90%；属较硬岩，较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级；该层在场地内均有分布。

2.2 场地岩溶发育特征

根据业主提供的《岩土工程详细勘察报告》和《岩土工程施工阶段勘察报告》，场地溶（土）洞是岩溶作用的产物，其产生和发展受地质构造、岩性、地下水、地形地貌、气候等多方面因素的制约。在50个钻孔中有14个钻孔遇到溶洞，溶洞最大高度9.50m，最小高度0.50m，局部钻孔为两层“串珠式溶洞”，溶洞顶板厚度0.20～1.50m，主要以流塑—软塑状粘性土、砾砂及卵石充填，遇洞率约为28%，线性岩溶率为24%。

2.3 场地水文地质条件

根据勘察揭露，场地内地下水类型有：第四系覆盖层中的上层滞水、粘土层和卵石层中的孔隙水及深部岩层中的岩溶裂隙水。

（1）上层滞水：主要赋存于上部杂填土①层，为原土层含水及地表水下渗受粘土层的阻隔作用而形成的。水位不稳定，埋深在0.70～-8.50m 之间。以大气降水及地表积水入渗补给为主，赋存空间有限，水量较小，易于疏干，对基坑开挖与浅基础施工影响小。

（2）孔隙水：主要赋存于粘土②层、粉质粘土③层及卵石④层中，勘察期间正值雨季，主要受周边高水头临近位置的侧向补给及岩溶裂隙承压水补给，初见水位埋深约8.90～17.70m，测得稳定水位埋深约1.20～10.50m，水位高程约在77.30～82.08m之间，水量一般。

（3）岩溶裂隙水：主要赋存于下部风化岩石裂隙以及溶洞中，具有一定的承压性，该水接收大气降水以及临近高水头地区地下水补给，具有一定的承压，整体沿着岩溶裂隙和沟槽向西侧排泄，补给柳江，该层初见水位基本位于基岩面上下，大部分具6～8m的承压水头，稳定水位高程约在75.92～77.81m之间。

其中孔隙水、岩溶裂隙水具有一定的水力联系，具互补性。勘察期间正值雨季，场地地下水较为丰富。

3 高压旋喷灌浆加固处理设计

3.1 基本设定

（1）设计桩径：高压旋喷桩直径D=600mm。

（2）高压旋喷桩桩身抗压强度为5MPa，有效桩长不小于10m。

（3）高压旋喷桩大部分采用正方形布桩，局部地带采用矩形布桩。

（4）设计要求：高压旋喷桩灌浆加固处理后复合地基承载力特征值fspk≥220kPa。

3.2 设计计算

3.2.1 单桩竖向承载力特征值（Ra）估算

（1）由桩周土侧阻力和桩端端阻力提供的单桩竖向承载力（Ra1）：

式中：up——桩的周长，m，up=πD=1.88 m；

n ——桩长范围内所划分的土层数；

qsi——桩周第i 层土的侧阻力，kPa；

qp——桩端端阻力特征值，kPa，按照设计要求，以破碎石灰岩为桩端，取qp=280kPa；

li——第i 层土的厚度，m；

αp——桩端端阻力发挥系数，应按照地区经验确定，取αp=0.50；

Ap——桩的截面积，(D 为旋喷桩直径)。

经赋值计算，Ra1=421.07kN。

（2）由桩身强度确定的单桩竖向承载力（Ra2）：

式中： fcu——桩身试块（边长150mm立方体）标准养护28d 立抗压强度平均值，kPa，设计桩身抗压强度为5MPa；

λ——桩身强度折减系数，可按照地区经验取值，取λ=0.25。

单桩竖向承载力取Ra1、Ra2的较小值，即Ra1=Ra2=353.75kN。

3.2.2 桩土面积置换率（m）计算

式中：fspk——处理后复合地基承载力特征值，fspk≥220kPa；

λ——单桩承载力发挥系数，取λ=1.0；

β ——桩间土承载力发挥系数，取β=0.85；

fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa，取fsk=fak=60kPa。

经赋值计算，置换率m 为13.2%。

3.2.3 确定桩间距S

（1）正方形布桩：

de=1.13S

（2）矩形布桩：

式中：d ——桩身平均直径，m，d=0.60m；

de——一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；

S、S1、S2——桩间距、纵向桩间距和横向桩间距，m。

经赋值计算，采用正方形布桩时，桩间距S=1.45m；采用矩形布桩时，S1=1.5m，S2=1.33m。

3.3 设计加固范围

设计加固范围分为纵向深度加固范围和横向水平加固范围两个部分。

（1）设计纵向深度加固范围：按照业主要求，设计纵向深度加固范围：自最下一层溶洞底板以下0.50m至最上一层溶洞顶板以上、进入卵石层1.00m。

（2）设计横向水平加固范围：依据业主提供的“16#楼溶洞分布示意图”，所有溶洞分布范围均为加固范围。

4 工程施工技术

4.1 高压旋喷灌浆加固处理的机理

高压旋喷灌浆加固处理的机理：水泥浆液在高压泵和空压机提供风压共同作用下，对全充填溶洞、半充填溶洞的软塑状粘土进行高压喷射切割，使水泥浆液与粘土颗粒充分搅拌、凝结与硬化，形成结构稳定、压缩性低、承载力较高的复合地基土；而对于无充填溶洞，水泥浆液先填充满空洞，再对其高压旋喷灌浆处理，同样能够形成结构稳定、压缩性低、承载力较高的复合地基土，达到提高岩溶发育部位（软弱层）的地基承载力和稳定性的目的。

4.2 高压旋喷灌浆法和施工工艺

（1）高压旋喷灌浆法的选用：为确保高压旋喷灌浆加固处理质量和效果，要求采用二重管法施工。

（2）高压旋喷灌浆的施工工序为：场地平整→测量放样，确定桩位→锚杆钻机或地质钻机造孔→高压旋喷灌钻机就位安装→下入喷射注浆管→旋喷灌浆作业→拔管→冲洗机具等。

4.3 高压旋喷孔机械钻进成孔技术

（1）测量放样，确定高压旋喷灌浆孔位：由测量工程技术人员按照甲方提供的设计图纸，依据测量操作规程要求，采用测量仪器测量放样，确定孔位，测量允许偏差应控制在20mm以内。

（2）钻机就位安装要求：钻机立轴中心应与钻孔中心保持在同一铅垂线上，即对好孔位，要求钻机水平、周正、稳固，钻进过程中不得发生倾斜或移位现象。钻机安装允许偏差控制在50mm以内。

（3）施工机械设备选用：施工单位应根据自有施工技术装备，结合以往类似工程施工经验，可选用锚杆钻机或地质钻机造孔、旋喷桩专用设备旋喷灌浆作业。

（4）高压旋喷孔钻进成孔技术：土层采取冲击取芯钻进法进行机械成孔；为确保钻孔孔壁稳定，卵石层可采取泥浆护壁、气动潜孔锤随钻跟管钻进成孔；基岩可采用金刚石或复合片钻进。因本岩溶软弱层上部有一层厚6～9m 的卵石层，开孔直径应选用Ø150mm 钻头开孔，同时考虑终孔直径应大于高压旋喷头直径，钻孔直径应不小于Ø75mm。

（5）钻孔深度控制：钻孔深度应参考附近勘察孔资料，终孔深度以进入最下层溶洞底板为准，钻入底板以下基岩深度控制50cm 以上。如发现实际钻孔岩层性质与勘察孔不一致时，应及时与现场建设、监理、勘察单位协调一致，确定最后钻孔深度。

（6）钻孔垂直度偏差控制：因钻孔倾斜会影响相邻两个旋喷孔旋喷灌浆加固质量或效果，钻孔垂直度偏差要求控制在1/100以内。

4.4 高压旋喷灌浆加固技术

（1）正式施工前，旋喷灌浆的技术参数应根据土质条件、加固要求，通过现场试验或根据以往施工经验确定，并根据施工现场条件适当调整。双管法高压水泥浆的压力要求大于20MPa，流量45～55L/min，气流压力要求大于0.7MPa，提升速度要求控制在0.1～0.2m/min。

（2）当喷射注浆管下入受灌地层中，当喷嘴达到设计标高时，即可喷射灌浆。在喷射灌浆参数达到规定值后，随即按照旋喷工艺要求，提升喷射管，自下而上分段旋喷灌浆。喷射管分段提升的搭接长度要求不得小于100mm。

（3）对于需要局部扩大加固范围或提高强度的部位，可采取复喷措施。

（4）在旋喷灌浆过程中，如出现压力骤然下降、上升或冒浆异常时，要求查明原因并及时采取措施。

（5）泥浆或废浆管理直接影响施工现场文明施工，须在施工前做好规划，做到有计划地堆放或废浆及时排出现场；施工中应做好泥浆或废浆处理，及时将废浆运出或在现场临时堆放后作土方运出。

（6）施工中应严格按照施工技术参数和材料用量施工，用浆量和提升速度应采用自动记录装置，并做好各项现场施工记录工作。

（7）旋喷注浆完毕后，或在喷射注浆过程中因故中断，短时间（小于或等于浆液初凝时间）内不能继续喷浆时，均应立即拔出注浆管清洗备用，以防浆液凝固后拔不出管。

（8）自检与补强：高压旋喷灌浆加固处理完成后，应根据现场实际施工情况，主要选取在地层吸浆量、冒浆等异常情况的部位，或地层情况复杂可能影响旋喷灌浆质量的部位，且为非旋喷灌浆区域，确定旋喷灌浆质量检测部位进行自检。如发现自检不合格时，应按照原旋喷灌浆质量要求重新旋喷灌浆补强处理，直到合格为止。

4.5 灌浆材料及配比

（1）灌浆材料：本次高压旋喷灌浆加固处理工程所用的水泥为强度等级P.O 42.5MPa及以上的普通硅酸盐水泥，可根据现场实际情况需要加入适量的外加剂及掺合料。外加剂及掺合料的用量，应通过现场试验后确定。

（2）旋喷灌浆用水泥浆为现场机械搅拌，水灰比要求控制在（0.8∶1）～（1.0∶1）；水泥渗入量须不小于300kg/m。

4.6 高压旋喷灌浆异常情况处理

在旋喷灌浆过程中出现下列异常情况时，须查明原因并采取相应措施：

（1）流量不变而压力突然下降时，应检查各部位的泄漏情况，并应拔出注浆管，检查其密封性能。

（2）出现不冒浆或断续冒浆时，若系土质松软如溶洞内流塑状—软塑状粘土时，则视为正常现象，可适当进行复喷；若系附近有空洞、通道，则应不提升注浆管继续注浆直到冒浆为止或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆。待填满岩溶空洞后，再继续正常旋喷灌浆作业。

（3）压力稍有下降时，可能是注浆管被击穿或有孔洞，使其喷射能力降低。此时应排出注浆管进行检查，排除故障。

（4）压力陡增超过最高限值、流量为零、停机后压力仍不变动时，则可能是喷嘴堵塞；应拔管疏通喷嘴。

5 工程质量监控

因16#楼属高层建筑，该岩溶软弱层高压旋喷灌浆加固处理工程属隐蔽工程，应对其高压旋喷灌浆加固施工全过程的监控。监控主要内容有：

（1）高压旋喷桩间距、钻孔深度、垂直度等是否满足设计要求；

（2）高压旋喷灌浆所用材料及其水灰比是否符合设计要求；

（3）旋喷桩的施工工艺（双重管法）及其参数是否选择适当；

（4）双重管法喷射灌浆过程中，高压水泥浆泵压力及其流量、气流压力、旋喷管的转速、提升速度等是否符合设计和施工规范要求；

（5）在喷射灌浆过程中，如出现压力骤然降低、上升或冒浆异常（现场冒浆在10%～20%属于正常现象，如大于20%属于异常现象，但完全不冒浆也是异常现象），应及时查明原因并采用有效措施，方能继续喷射灌浆。

6 工程质量检验

高压旋喷灌浆加固处理完成28d后，由业主委托有相应检测资质的检测单位对该楼岩溶软弱层的灌浆质量进行检验。检验内容包括：旋喷固结体的整体性和均匀性、有效直径及其强度。检验方法可采用钻孔取芯、标准贯入试验、动力触探等方法进行检验。经检测单位检测，钻探取芯看，采取上来的芯样呈短柱状、团块状，水泥浆在溶洞充填物中分布较均匀，局部孔段（空洞部位）为纯水泥柱；从重型圆锥动力触探试验的锤击数看，每贯入10cm锤击数7～10击，局部孔段的锤击数超过20 击，其复合地基承载力特征值fspk≥220kPa，满足设计要求。

7 结语

该楼桩筏基础底部存在岩溶软弱层，经高压旋喷灌浆加固处理后形成结构稳定、压缩性低、承载力较高的复合地基土，提高岩溶发育部位（软弱层）的地基承载力和稳定性。