三管法旋喷桩在桥梁基础加固工程中的应用分析
2024-03-04王海瑞
王海瑞
(中交一公局集团有限公司，北京 100024）
0 引言
高压喷射注浆法是加固地基的一种方法，主要是将注浆管插入土层后，利用高压设备将浆液压出，在高压作用下土料与浆液充分混合，凝固后与土体形成固结体，从而达到加固地基的作用。实践证实，高压喷射注浆法在淤泥、淤泥质土、粉土、砂土等地质中得到广泛应用，加固效果良好。近年来，随着科学技术的进步、机具设备的更新，对道路桥梁工程质量提出更高要求，选择一种经济、可靠的基础加固处理方案，成为施工企业的关注要点[1]。本文结合工程实践，探讨旋喷桩在桥梁基础加固施工中的应用，为实际施工作业提供参考。
1 工程概况
某项目施工线路总长33.5km，路幅宽度为16.0m，双向两车道，设计车速50km/h。其中，桥梁位于K3+820～K4+580段，总长760m，采用连续简支梁结构。现场勘察结果显示，该地区的地质条件是第四系覆盖层，厚度为5～15m，以冲洪积黏性土为主，岩体强至中度风化。施工区内补钻勘察孔，孔深共计17.5m，自上到下岩性分别是：（1）粉质黏土，厚度4.2m，稍湿，硬塑；（2）粉质黏土夹圆砾，厚度0.3m，稍湿，粒径为3～5cm；（3）碎石土，厚度12.7m，稍湿，中密；（4）粉质黏土，厚度0.3m，稍湿，硬塑。为提高地基强度和承载力，拟采用旋喷桩施工方案，技术指标包括：旋喷桩桩径≥600mm，桩身强度≥8MPa，单桩承载力≥100kPa。
2 旋喷桩的加固机理和工艺类型
2.1 加固机理
旋喷桩主要是通过高压喷射的水泥复合浆液破坏原有土层结构，将原有土层颗粒与水泥复合浆液在喷射过程中充分混合搅拌实现置换，通过在高压下的充填和压密，逐步形成新的固结体，同时水泥浆液通过渗透作用如同根须般渗透至土体，进一步提升了地基承载力，其效果与相似工艺相比具有施工效率高、强度提升快等优点，具体如下：
（1）旋喷桩在高压状态下能够适应各种土层结构，即使在黏性土层中依旧可以达到提升承载力效果，不受环境因素限制，应用广泛；
（2）使用水泥作为硬化剂，不仅材料容易获得、价格低廉，而且对土体的加固效果好，桩身强度可达到0.5～15MPa；
（3）钻机在钻孔作业中，根据设计需求既能垂直成孔，也能倾斜成孔，深度不受限制，可实现分段加固或连接加固；
（4）施工过程中对周边土体扰动小，不会产生较大扬尘，不会造成严重污染，有利于环境保护，可在建筑密集的区域施工；
（5）结构形式灵活，既可作为临时加固措施，也能为建筑项目的地基进行永久加固。
2.2 工艺类型
旋喷桩由于其施工高效，喷射效果好，广泛用于各种砂性土层、黏性土层中，根据其喷射方式不同，分为单管法、二管法、三管法等。其中，单管法是使用单根管路喷射浆液破坏土体并成桩，优点是成本低、施工速度快，缺点是固结体的直径较小；二管法是在单管基础上增加了压缩空气，从而扩大固结范围[2]；三管法（见图1所示）在二管法基础上增加了水流管，喷射过程中可提升对土体的切割和分解力，进一步提升固结体的范围和强度。三种方法的对比见表1。
表1 喷射数据比较
图1 三管法施工示意图
结合该工程实际情况，综合分析后采用三管法旋喷桩施工方案，如图1所示。桩径为50cm，桩长为10m，桩头采用80cm×80cm×80cm的立方体形式，埋深50cm。
3 旋喷桩施工技术参数计算
旋喷桩施工技术参数涉及喷射压力、喷射泵量、射流功率、注浆量和复合地基承载力等的计算。
（1）喷射压力：
式中：
p——喷射压力，MPa；
ρ——喷射液体的密度，g/cm3；
Q——喷射流量，L/min；
n——喷嘴数量，个；
μ——喷嘴流量系数，圆锥形喷嘴取值0.95；
φ——喷嘴流速系数，圆锥形喷嘴取值0.978；
d0——喷嘴出口内径，mm。
（2）喷射泵量：
式中，各符号表示意义与式（1）相同。
（3）射流功率：
式中，N表示喷射流总功率，kW；其他符号表示意义与式（1）相同。
（4）注浆量：
式中：
q——合理注浆泵量，m3/min；
De——预计旋喷固结体直径，mm；
V——注浆管提引速度，m/min；
K——设计充填率，一般取值0.75～0.90。
（5）复合地基承载力：
复合地基承载力根据现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定，计算公式：
式中：
fspk——复合地基的承载力特征值；
m——面积置换率；
Ra——单桩竖向承载力特征值；
Ap——面积转换率；
β——桩间土承载力折减系数；
fsk——桩间土承载力特征值。
结合该工程实际情况，采用高压喷水+中压喷浆工艺。计算得到高压喷水主要技术参数：使用2个喷嘴，直径为2mm，压力为24～25MPa，浆液流量为80～100L/min，回转速度10～75r/min，提升速度0.1～0.12m/min。中压喷浆主要技术参数：使用2个喷嘴，直径为3mm，压力为10～75MPa，浆液流量为65～95L/min，回转速度10～75r/min，提升速度0.2～0.24m/min。
4 旋喷桩施工技术要点
该工程所用旋喷桩施工工艺流程为：施工准备→钻机就位→钻孔→下喷射管→喷浆→拔管→冲洗→移动机具→回填注浆。旋喷桩施工技术要点包括施工准备、钻机就位、钻孔、下喷射管和喷浆等。
4.1 施工准备
（1）现场准备。根据施工要求对现场封闭处理，使用挖掘机进行开挖，平整场地并铺设碎石，设置排水设施，确保现场无杂物、无积水[3]。
（2）技术准备。主要是测量放线，根据设计图纸使用全站仪放出桩位，复核孔距将误差控制在50mm以内，设置木桩进行固定。然后进行标高测量，标记孔口距离地面的高程，经设计单位和监理工程师认可后施工。
（3）机具准备。该工程使用的主要机具有：GD-2全液压旋喷钻机、新型三重管旋喷器、水泥搅拌机、SNCH300高压泥浆泵、3XB高压清水泵、BW10-250中压泥浆泵、VY6-12空压机等。
4.2 钻机就位
（1）钻机安放时检查钻杆倾斜度，确保钻杆倾斜度<1.5%且与孔位中心处于一条直线上，钻孔与注浆泵之间的距离≤50mm。
（2）钻机就位后，再次检查钻孔的位置，与设计位置的偏差要在50mm以内。通过低压注水的方式，检查喷嘴是否畅通，确保压力符合设计要求。
4.3 钻孔
（1）钻孔作业采用泥浆护壁，泥浆的容重为1.1～1.25g/cm3。钻孔直径超过喷射管外径20～50cm，以确保正常返浆冒浆。
（2）控制好钻进速度，每钻进5m测量机身水平和钻杆垂直，防止发生偏斜，并观察地层变化，记录孔深、漏浆等情况。
（3）如果勘察资料和现场地层条件不符，可布置一个先导孔，钻进完成后查看地层变化，为正式钻进作业提供依据，调整技术参数。
（4）终孔深度超过开喷深度50～100cm，将孔内的杂质清理干净，置换新的泥浆。并且测量桩孔的倾斜度，要求孔斜率≤1%。
4.4 下喷射管
（1）钻孔验收合格后，测量喷射管的长度，看喷嘴中心线与喷射管方向是否一致。然后进行试喷，将喷头置于高压水泵附近，调整为设计喷射压力。
（2）地面试喷合格后，下喷射管时注意保护喷嘴，防止发生堵塞。若孔内沉淀物较多，备好黏土泥浆下喷射管一边充入泥浆、一边下管，将压力控制在1MPa以内，防止孔壁坍塌[4]。
4.5 喷浆
（1）喷射管的喷嘴达到设计标高时，即可喷射注浆。调整各个注浆参数，按照旋喷工艺要求提升喷射管，由下向上喷射注浆。
（2）复合浆液与基底土层结合后，伴随凝固将产生收缩，为确保浆液凝固不影响桩基高程，对原孔位进行二次注浆，注浆时应注意注浆管分段提升的搭接长度超过10cm。
（3）按照设计的水灰比配制水泥浆，该工程的水灰比为1.2∶1。使用搅拌机搅拌，时间不短于180s。保证注浆作业的连续性，水泥浆从制备到用完的时间控制在2.5h以内[5]。
（4）喷射注浆施工距离桩顶300cm时，适当减小提升速度；距离桩顶50cm时，减小注浆压力，以保证桩体结构的安全性。
（5）一个桩孔喷射注浆完成，将钻机等机具移动至新的孔位，重复以上施工步骤，直至所有的桩孔完成喷射注浆。
4.6 施工注意事项
（1）桩基长度在达到设计长度后，桩头预留出20～50cm，方便下道工序施工，同时减少施工影响桩基自身承载力及桩身质量。
（2）在黏性地层采用旋喷施工，其喷浆效果与速度均受土层影响，为保证喷射效果，达到预期基底强度，在第一次高压喷射后采用二次复喷，从而进一步提升喷射效果。
（3）喷浆过程中当冒浆量超过灌浆量20%时，应加快注浆管提升速度，同时提高喷射压力，缩小孔径。
5 质量验收和加固效果
5.1 质量验收
施工完成后，按照表2进行质量验收，结果显示各项指标均符合标准要求，旋喷桩施工质量合格。
表2 质量验收标准
5.2 加固效果
旋喷桩采用抽芯法检验地基加固效果，试验桩施工完成经过养生后从中抽取芯样，芯样采用金刚石双管钻具采集，将采集后的芯样取上、中、下三段进行加载试验[6],试验结果见表3所示。由试验可知，当竖向荷载加载至150t时，其桩身强度均超过10MPa，芯样未发生变形破坏，满足设计及规范要求，加固效果良好。
表3 试验结果
5 结束语
综上所述，旋喷桩施工方案的适用范围广，加固效果好，施工操作简单，是地基基础加固的有效手段。本文结合工程案例，重点介绍了旋喷桩方案设计与施工方法。质量验收表明，地基加固效果良好。该项目所总结的相关技术经验，可作为同类型工程的参考。
