高压旋喷桩应用于香港机场三跑工程淤泥土软基加固

2022-03-12贺迎喜黄双飞邹智军

中国港湾建设 2022年2期

贺迎喜，黄双飞，邹智军

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510230；2.中交广州航道局有限公司，广东广州 510290；3.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

高压喷射注浆法[1]（High Pressure Jet Grouting）于20 世纪60年代后期创始于日本，是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，通过高压设备使浆液或水成为高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固与土体混合形成一个硬化固结体。该工法改良软土的固化包括4 个步骤：胶凝材料的水化反应、离子交换反应、水泥水化产物的形成和火山灰反应产物的形成[2]。具有在短时间内得到高强度的改良地基、适用范围广、构筑物沉降小、抗震性出色、对周边环境的影响较小等诸多优点。

该工程所在区域揭露深厚海相淤泥软土，为了提高软土地基承载力、降低工后沉降量，设计采用高压旋喷桩加固软土地基。

1 原状土性能参数

根据该区域地质勘察资料及土质分析，海相淤泥的特征如下：

1）坑口组海相淤泥组成该海域的海相沉积层；

2）沉积物主要包括非常软弱～软弱的灰色、均匀性较好的黏土质粉土或黏土，局部揭露砂夹层和贝壳碎屑物（粒径0.1～20 mm）。

海相淤泥的主要物理力学和化学成分见表1。

表1 海相淤泥的物理力学和化学特性Table 1 Physical,mechanical and chemical properties of marine deposit

2 施工工艺

根据所加固深度范围地基土物理力学特性，结合水泥土强度和桩径等设计要求，本项目拟采用双管高压旋喷工法开展试桩工作，双管高压旋喷工法是通过将高压空气和水泥浆液混合，在深层土体中喷射形成大直径水泥土桩[3-8]。试桩流程见图1，主要是在钻头提升过程中喷射高压水泥浆液（混合高压气体），一边切割土体，一边将水泥浆液和原状土混合，形成具有一定强度的水泥土。具体流程如下：

图1 旋喷桩施工工艺流程Fig.1 Construction flow chart of jet grouting

1）测量定位，安放好旋喷钻机，水泥浆搅拌系统、高压泵和空压机等设备就位。

2）钻头钻进至设计底标高，钻进过程中全程监控钻孔垂直度。

3）当钻头下钻至设计深度，喷嘴达到设计底标高，开启高压泥浆泵和空压机，开始喷射水泥浆液和高压气。

4）底部持续喷射30～50 s 后，待浆液返出孔口正常后，开始恒速稳定提升钻头，同步稳定持续喷射水泥浆液和高压气。施工过程中，密切关注冒浆、浆液压力、气压、钻头提升和旋转速率等施工参数，及时调整施工参数，确保喷浆量连续，喷浆压力稳定。

5）钻头提升至设计顶标高，持续低压喷射水泥浆液30～50 s 后，结束该桩位施工。及时清洗泥浆泵和输浆管路，防止清洗不及时、不彻底导致浆液在输浆管路中沉淀结块，堵塞输浆管路和喷嘴，影响下一孔的施工。

2.1 旋喷桩施工设备

为了高质量实施该项目旋喷桩地基加固，拟采用意大利旋喷桩设备（型号SM14，见图2 和图3）开展试桩，该设备所采用高性能高压泵可持续稳定泵送水泥浆液，同时为了满足设计桩径要求，不同土层选用合适的喷浆压力。设备性能和施工参数的合理选用对旋喷桩质量至关重要，该设备采用自动化施工数据采集系统。

图2 意大利高压旋喷桩施工成套设备Fig.2 Complete set of Italian high pressure jet grouting construction equipment

图3 自动化水泥浆搅拌和质量控制系统Fig.3 Automatic cement slurry mixing and quality control system

2.2 试桩参数

针对本项目特殊的海相淤泥土，开展了旋喷桩试桩工作，通过试验不同施工参数，结合旋喷桩抽芯等质量检测，确定经济合理、质量可靠的施工工艺参数（见表2），用于后续正式施工。

表2 旋喷桩试桩工艺参数汇总Table 2 Trial parameters summary of jet grouting

3 试桩检测结果分析

水泥土的强度受诸多因素影响，主要包括原状土的物理力学和化学性质、水泥掺量、养护龄期、水灰比等。为了检测旋喷桩施工质量，试桩结束后，分别在28 d、56 d、90 d 开展抽芯质量检测，通过试验水泥土无侧限抗压强度（UCS）和检查水泥土芯样外观质量，优选出符合水泥土设计强度要求的试验桩，分析试验施工参数的合理性，进而确定正式施工的工艺参数。

水泥掺量作为影响水泥土强度的主要因素之一，如图4，水泥土强度随着水泥掺量增加而提高：龄期28 d，3 种水泥掺量（580 kg/m3、620 kg/m3、660 kg/m3）对应的水泥土强度平均值为2.17 MPa、2.73 MPa、3.10 MPa，水泥掺量660 kg/m3对应28 d水泥土强度为水泥掺量580 kg/m3对应水泥强度的1.43 倍；龄期为56 d，3 种水泥掺量对应的水泥土强度平均值为2.52 MPa、3.17 MPa、3.45 MPa，水泥掺量660 kg/m3对应56 d 水泥土强度为水泥掺量580 kg/m3对应水泥强度的1.37 倍；龄期为90 d，3 种水泥掺量对应的水泥土强度平均值为3.10 MPa、3.45 MPa、4.20 MPa，水泥掺量660 kg/m3对应90 d 水泥土强度为水泥掺量580 kg/m3对应水泥强度的1.25 倍。由以上水泥土强度和水泥掺量的关系可知，当水泥掺量为580 kg/m3，满足28 d 设计强度要求（1.4 MPa），且继续增加水泥掺量，水泥土强度提升不显著。

图4 水泥土强度与水泥掺量的关系图Fig.4 Relationship between strength and dosage of cement soil

由水泥土强度与养护龄期的关系图（见图5）可知，90 d 水泥土强度平均值为3.71 MPa，28 d水泥土强度平均值为2.66 MPa，90 d 和28 d 现场水泥土强度比（quf90/quf28）为1.39。

图5 水泥土强度与养护龄期的关系图Fig.5 Relationship between strength and curing age of cements oil

针对现场试桩A1～A5（施工参数见表2），龄期达到28 d，现场钻取旋喷桩芯样，分别测试28 d和90 d（养护）室内无侧限抗压强度，并测试弹性模量E50。由强度随深度的分布图（见图6）和取芯照片（见图7）可见，桩顶标高为-9 m，桩顶以下1.8 m 范围内，旋喷桩芯样的含水率偏高，强度偏低，28 d 强度为0.95～1.53 MPa，这是因为浅表层原状土含水率高达63%～76%，含水率高，且浅表层土体上覆压力小，造成浅层桩顶以下1.8 m 范围内搅拌桩强度偏低；距离桩顶面的深度1.8～11.3 m 范围内，搅拌桩质量较好，水泥与海相淤泥搅拌均匀，28 d 强度达2.18～3.55 MPa，平均值为2.84 MPa，90 d 强度达2.57～4.19 MPa，平均值为3.52 MPa，其中90 d 强度平均值比28 d 强度平均值提升19%。

图6 A1/A2 桩水泥土强度随深度分布图Fig.6 Distribution of cement soil strength of A1/A2 pile with depth

图7 高质量旋喷桩抽芯照片Fig.7 Core photo of high quality jet grouting pile

如图7，试验桩抽芯连续，裂缝数量为3～6个/m，其中A1～A6 试验桩中端（标高-9～-20 m）质量较好，搅拌均匀，强度满足设计要求。

依据日本海岸技术发展协会CDIT（2002）[2]推荐，水泥土强度qu与弹性模量E50的函数关系为E50=350×qu，如图8，由试验桩A1 试验结果，弹性模量E50随现场水泥土强度quf增加而呈线性增长，本工程推荐拟合函数如下：E50=146×quf（相关系数R2=0.864，相关性较好）。

图8 现场水泥土强度与弹性模量E50 的关系图Fig.8 Relationship between on-site strength and elastic modulus E50 of cement soil

本项目DCM 设计强度（28 d 龄期）为1.4 MPa，现场工艺试桩抽芯检测结果显示，水泥掺量为580 kg/m3，28 d 现场水泥土强度均大于设计强度要求，该水泥掺量将用于正式施工参数；将90 d和28 d 现场水泥土强度比（quf90/quf28）1.39 用于90 d现场水泥土强度的预估。

4 试桩工艺参数分析

根据水泥强度与水泥掺量的分析结果，当水泥掺量为580 kg/m3（水灰比0.7～0.9）时，水泥土强度满足设计要求，且水泥掺量最低，经济性最好。结合A1、A2 试验桩的工艺参数分析（见表2），采用水泥浆喷射压力为25～28 MPa，喷浆阶段的钻杆提升速率为9～11 min/m，钻头钻速为5 r/min，旋喷桩施工质量保证率较高，工效合理，可作为正式施工参数的主要依据。