三江导托渠二重管高压旋喷工法成桩直径分析

李元平

(江西省水投建设集团有限公司，南昌 330029)

1 问题的提出

二重管高压旋喷施工技术主要通过压缩空气包裹高压水泥浆，以达到增大高压旋喷桩成桩直径，增强加固效果的作用。当前，该技术在路堤软土地基加固、隧道围岩超前加固、水利工程软基处治等工程建设施工领域得到广泛应用。二重管高压旋喷钻喷杆底侧面所固定的双喷嘴内管主要输送水泥浆，外管则输送压缩空气，在钻杆旋转提升的过程中压缩空气和水泥浆液同时喷出，达到切削、破坏土体的作用。压缩空气对从喷嘴喷出的高压流体具有包裹作用，使射流速度沿喷射距离的衰减速度明显减弱，增大旋喷桩成桩直径。但是，由于二重管高压旋喷施工是液、固、气三相介质耦合作用的复杂过程，故很难从理论角度测算水泥浆液、压缩空气、土体作用过程中旋喷桩成桩直径。而成桩直径是二重管高压旋喷桩重要的施工参数，对于控制施工过程及提升施工质量十分关键，为此，在借鉴相关研究文献并参考大量工程实践的基础上，文章提出二重管高压旋喷工法成桩直径的快速测算方法。

2 二重管法成桩直径快速测算

2.1 单重管法成桩直径的计算

通常以圆形断面自由紊动射流理论及土体破坏理论为基础进行单管法高压旋喷成桩直径的计算及分析，涉及原理较为简单：即在不变的施工参数及喷嘴未发生移动的情况下，通过从固定喷嘴中所喷射出的高压射流切削破坏土体，这一过程中喷射时间无限制，但是高压射流对周围土体的切削和破坏距离存在一个上限[1]；而实际施工过程中喷嘴并非固定不动，喷嘴会发生提升和选装，导致喷射时间大大缩短，即喷嘴移动越快，喷射时间越短，成桩直径与切削距离极限值相比也越小，反之则反是。按照这种思路，则单管法高压旋喷施工成桩直径可按照下式确定：

Ds=2ηxL+Dr

(1)

式中：Ds为单管法高压旋喷成桩直径，mm；η为喷嘴移动速度影响下的折减系数；XL为切削距离极限值，m；Dr为高压旋喷钻喷杆直径，mm，单管法、二重管法和三重管法高压旋喷工法下分别取60mm、76mm和90mm。

2.2 二重管法成桩直径测算

结合二重管法成桩施工过程，从喷嘴喷出的高压射流在破坏和切削土体的过程中射流速度急速衰减，并随着射流速度的下降，对土体的切削力逐渐减弱，最终当射流速度降至土体临界破坏速度以下时，便失去对土体的切削力。二重管法施工技术因高压射流周围有压缩空气包裹，能有效延长射流速度的衰减过程，增大对土体的切削力和成桩直径。但是，在二重管法施工过程中也会因此而形成复杂的水泥浆射流、压缩空气、待切削土体[2]等作用关系，压缩空气对成桩直径增大效应目前尚无法通过理论计算得出，文章主要基于大量工程实践，从压缩空气影响的视角出发，提出以下二重管法成桩直径的计算公式：

Dd=ΛDs

(2)

式中：Dd为二重管高压旋喷工法成桩直径，mm；Λ为压缩空气影响下的成桩直径增大系数；其余参数含义同前。

二重管高压旋喷工法施工过程中压缩空气的影响程度主要受喷射压力pa的影响，高压旋喷施工常用压缩空气喷射压力值为0.5-1.5MPa，则压缩空气影响下的成桩直径增大系数应按下式确定：

Λ=1+m(pa/patm)

(3)

式中：m为—地质条件影响的修正系数；因二重管法施工过程中所形成的水泥浆射流、压缩空气、待切削土体等三相介质作用关系复杂，故假定其取值固定不变；patm为标准大气压。当该式中压缩空气喷射压力取值为0时，则Λ=1，该式计算结果便简化为单管法成桩直径。结合相关文献，m通常情况下取值0.054，将该取值代入式(3)后可以得到高压旋喷工法下压缩空气影响下的成桩直径增大系数为1.27-1.81；大量工程经验证明，高压旋喷施工时压缩空气的应用能使桩径增大30-90%，这与文章测算结果十分接近。

3 应用实例

3.1 工程概况

上饶市城市防洪工程三江导托渠改扩建工程包括新建导托渠7.6km，其上开口连接丰溪河，下与延伸段、调蓄池连接，调蓄池通过出口闸连接信江。导托渠及调蓄池土方开挖190×104m3、土方回填40×104m3、石方开挖4×104m3、混凝土5×104m3、钢筋制安2000t。进口闸闸室基础开挖深度达8m，属深基坑，闸室段大堤堤身填筑土料为砂卵石，信江河水轻易渗透穿堤，渗量非常大，一旦基础开挖边坡失稳，后果非常严重。为安全考虑出口闸闸室基坑采用灌注桩+高喷帷幕方案。闸室基坑采用灌注桩受力，间隔高喷桩封闭，临堤侧高喷桩帷幕隔水。基坑尺寸19×32m，灌注桩直径1000mm，桩长12-14.5m，数量为92根。高压旋喷桩施工采用二重管法，采用PO42.5级普通硅酸盐水泥，或用水泥及粉煤灰，为保证施工效果，还应按照水泥用量的2-4%在水泥浆中渗入氯化钙、水玻璃、三乙醇胺等速凝早强剂。为保证施工质量应严格遵守试桩要求，在展开大批量制桩前进行试桩，以进行施工工艺参数的确定及合理性校验。

3.2 二重管高压旋喷桩成桩直径测算

在进行该工程二重管高压旋喷施工前必须通过试桩确定施工参数，两根桩Z1和Z2平面与断面布置，二重管高压旋喷桩试桩示意图，见图1；试桩间距2.0m，试验桩长6.0m，桩径1.0m，试桩施工参数，见表1。

图1 二重管高压旋喷桩试桩示意图 m

表1 试桩施工参数

本次试验主要在深厚软土地区进行，地面以下淤泥土厚度较大，压缩性大，强度低，天然含水量高。根据地勘资料，试验现场土天然密度1.67g/cm3，液限50.8%，塑限26.7%，含水量56.4%，孔隙比1.6，抗剪强度4.9kPa，压缩模量1.8MPa。根据淤泥土颗粒级配曲线，细颗粒质量分数为96.8%，平均粒径0.004mm。

将试验现场土体参数和施工参数代入式(2)和(3)后可以得到二重管高压旋喷桩成桩直径参数取值，二重管高压旋喷桩成桩直径参数计算结，见表2。通过比较发现，Z1桩和Z2桩成桩直径实测值和文章所提出方法测算结果之间的相对误差分别为5.6%和6.3%，符合工程施工实际需要。

表2 二重管高压旋喷桩成桩直径参数计算结果

高压旋喷桩施工技术主要利用高压泵及钻杆端头特制喷头将水泥浆液以较快速度喷入土体，借助水泥浆液的冲击力切削土层，钻杆以一定速度旋转的同时，以10-25cm/min的较低速度徐徐提升，以达到土体与水泥浆充分搅拌、混合、凝固的作用后，最终形成强度在0.5-8.0MPa之间的圆柱形固结体旋喷桩，从而达到加固软弱地基的施工效果。高压旋喷桩施工示意图，见图2。

图2 高压旋喷桩施工示意图

经试桩验证高压旋喷桩工艺参数切实可行，试桩质量高，则按照试桩过程中所提出的各项控制参数进行高压旋喷桩的后续施工。

4 结 论

综上所述，二重管高压旋喷施工时高压射流在压缩空气的包裹下能使射流速度衰减速度有效降低，高压射流对周围软弱土体的切削破坏作用显著增强，成桩直径增大。文章基于对二重管成桩过程的分析并结合大量工程实践，对二重管法高压旋喷成桩直径的测算方法进行分析探讨，主要测算控制参数为空气喷射压力，二重管成桩过程中压缩空气压力范围通常为0.5-1.5MPa，故根据文章所提出的测算公式可以得出，高压射流在压缩空气的包裹下可使成桩直径增大30-85%，与大量工程经验较为吻合。通过比较工程应用结果实测数据和计算结果发现，两者相对误差较小，也验证了文章所提出的二重管高压旋喷施工成桩直径快速测算方法的合理性。