高压旋喷桩 应用技术

刘全清

中铁十四局集团三公司 - 0 -

山东兖州

高压旋喷桩在湿陷性黄土地基加固中的应用技术 刘全清

（中铁十四局集团三公司 山东兖州 272100）

摘 要：介绍在湿陷性黄土地基加固中高压旋喷桩设计参数的确定和施工工艺要点及质量检验等。

关键词：旋喷桩 地基加固 湿陷性 黄土

1 前言

高压旋喷桩地基加固技术，是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20MPa左右的高压水流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体。该技术应用广泛，具有施工方便，工艺简单，地基加固见效快，耐久性好，施工工期短等优点。利用该技术对湿陷性黄土地基加固，可以提高并保持地基的抗剪强度，重组土体结构，改善土的变形性质，减少沉降，通过固结原理和挤压作用消除黄土的湿陷性，同时也可起到阻截地下水流，减少振动，防止液化或流砂等作用，从而很好的解决湿陷性黄土地基对工程的诸多病害。

2 地质特性

黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下，陆相沉积的一种特种土。湿陷性黄土地层一般具有下列工程特点：

（1）颜色呈淡黄、灰黄、棕黄或棕红色；

（2）具有多孔性，孔隙比一般为0.7—1.1，有肉眼能看到的大孔隙，在自重或一定荷重作用下受水侵湿后，土体结构迅速破坏而发生显著的附加下沉。

（3）质地均匀，颗粒成分以粉粒为主，无明显层理，具垂直节理。 （4）土体中含钙质结核，并含有少量中溶盐和易溶盐，对基础结构具侵

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蚀性。

（5）天然状态下，含水率低，遇水易崩解、剥蚀，土体处于坚硬、硬塑和可塑状态，承载力一般较大，但建造工程后，建筑物覆盖地基，水份转移致使含水量接近塑限含水量，或由于地基侵水和地下水上升使得地基土含水量增大甚至达到饱和，承载力急剧降低。

（6）表层一定厚度内具湿陷性，易产生潜蚀形成陷穴。在自重和工作荷载作用下地基变形除正常的排水固结沉降外还具有重要工程意义的振陷与湿陷。

（7）地基土达到饱和，易发生较大的动变形，甚至表现出类似砂土液化的现象。

以陇西地区某双线铁路桥台工程为例，列车活载为中-活载，该桥台基础位于河岸陡坎上台阶地，工程场地黄土地质特征为砂质黄土厚约19m，地基承载力150kPa,其下为圆砾土，地面9m以下为饱和土。土样试验结果为Ⅲ级自重湿陷，天然密度1.68-1.74g/cm3,天然含水量17.8-18.7 %,液限25.7-27.8%,塑限15.5-15.9%,孔隙比0.87-0.92,标准贯入击数5-16。

3 方案设计

3.1旋喷直径（d）

一般应根据估计直径来选用喷射注浆种类和喷射方式, 估计直径应在现场通过试验确定。《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）给出了标准贯入击数（N）与旋喷直径（d）的关系。本工程选定中间偏小值d=0.5m。 3.2地基承载力计算

根据（JGJ79-91）规范规定,用旋喷桩处理的地基,宜按复合地基设计,但当用作挡土结构或桩基时,可按加固体荷载计算。此工程采用两种方法分别检算。

3.2.1按加固体荷载计算 Rdk=nfcukAP,式中

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Rk—单桩竖向承载力标准值 n—强度折减系数，可取0.30-0.50

fcuk—桩体强度,根据兰州地区旋喷桩资料分析,软土地层中旋喷桩体试块强度均在3.5Mpa以上，由于本工程地基具部分饱和土，故取fcuk=3.5Mpa

AP—桩体面积

3.2.2按复合地基承载力标准值计算

fsp,k=[Rkd+βfs,k(Ae-Ap)]/Ae, 式中 fsp,k--复合地基承载力标准值

Rkd--单桩竖向承载力标准值，通过现场荷载实验确定 fs,k—桩间地基土承载力标准值

β—桩间天然地基土承载力折减系数，可取0.2-0.6，或由试验确定。 Ae—1根桩承担的处理面积 Ap—桩的平均截面积 3.3沉降计算

旋喷桩的沉降计算为桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值之和,按《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-）规定进行，式中复合土层的弹性模量按（JGJ79-91）规范规定进行。

3.4布桩形式

由于本设计是主要控制沉降和消除地基土湿陷性，因此采用梅花型满堂布置，桩距1.2M，从而保证整体全面积改变土体结构。

3.5桩长及浆液

保证桩体进入圆砾土不小于0.5m,统一桩底标高，桩长20m。浆液以水泥浆为主剂，水灰比采用1：1，掺入起早强作用的三乙醇胺0.05%和1%食盐。

3.6施工参数

（1）浆液喷嘴直径2.8mm（两个）。 （2）喷射压力20MPa。

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d

（3）注浆管直径42mm。 （4）钻头旋转速度22r/min。 （5）钻头提升速度25cm/min。 （6）浆液流量100L/min。

4 施工关键技术

4.1作业程序：采用单管法旋喷施工，机具使用铁研TY-76型振动钻，接管搭接30CM。

（1）钻机定位：旋喷施工前，应首先进行场地平整和桩位布置并做好排水设施，然后钻机定位，管架安放平稳，旋喷管允许倾斜度小于1.5%。

（2）钻孔：用低压1.0N/MM清水或粘土浆喷射，边喷边回转钻杆，使钻头钻至设计标高，当遇到坚硬地层或障碍物时，要摸清情况，采取地质钻等措施。钻孔位置与设计位置的偏差小于50mm。

（3）横向喷射：钻孔结束，用钢球或压差阀关闭喷出孔，接通管路压送浆液，高压浆液从特制钻头侧面喷嘴射出。

（4）旋喷：按照预定的旋喷参数先进行试喷，现场试验，绘制作业过程曲线，优化参数，保证符合设计要求检查并排除故障。

（5）回转提升：喷嘴回转、提升，形成旋喷桩。

（6）冲洗：喷射完毕后，把注浆管等机具设备冲洗干净，浆液换成水，进行清洗喷射，泥浆泵及管路内不得存有水泥浆。

（7）形成旋喷桩体，将钻机等设备移至新孔位。 4.2施工要点

（1）把好浆液质量关，及时进行流动度、粘度的检验，保证浆液配比，确保其可喷性和稳定性。

（2）控制好钻头旋转速度，避免速度过低，固结形成螺旋状、不完整的圆柱状体，强度低；速度过高，从喷嘴喷出的液体形成射流束的向心力剧增，减少了射流对地层的破坏力量，桩径偏小。

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（3）钻头提升速度应控制在高压喷射中能使水泥浆液和土层充分搅拌，既保证喷射流和土体接触时间充分，固结体均匀，强度最佳，又避免浆液用量大，返浆多，造成浪费。

（4）旋喷施工过程中，要经常随机开挖出成桩体1M左右，以便检查旋喷质量，及时调整旋喷参数。

（5）合理布置场地，机具设备配套要紧密联系，尽量缩短高压输送距离。群桩施工，应先施工中心桩，然后对称施工边桩，以保证相邻边桩、中心桩初凝后，具有一定抗冲击力，不被边桩施工时穿过裂隙的强大射流破坏掉。

（6）施工过程中不停观察，若返浆超过20%或根本不冒浆，要及时调整钻头旋转速度和提升速度。当不返浆时，可能是有较大孔隙或暗穴，应调查实际情况，浆液增加速凝剂或加大注浆量。

（7）旋喷施工顶部桩长应有一定的预留量，以便保证桩长及桩身顶部质量，桩顶部应保证足够厚度的埋深，以保证旋喷效果。

5 质量检查

旋喷桩施工完后，随机抽取总数的2—5%的桩进行检验，主要内容包括固结体的整体性、均匀性，有效直径，垂直度，强度特性等。检验方法可采用开挖检验、钻孔取芯、标准贯入试验、载荷试验等。经检验，桩径0.63-0.82m，大于设计值，无侧限平均抗压强度15.4Mpa，实际测量沉降11mm。结果表明利用高压旋喷桩技术对湿陷性黄土地基加固，符合设计要求，同时改良了饱和黄土地层段，有效的控制了动变形。

6 结论

实践证明，利用高压旋喷桩技术对湿陷性黄土地基进行加固的效果是显著的，大大改善了湿陷性黄土地基的不良工程病害，但其费用较高，要做好方案比选，它更适用于场地狭窄，不宜进驻大型机具设备者，或场地处于陡坎坡地时不宜强夯处理，对于中、小型结构地基和既有建筑物地基加固较为经济合理。

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18．3车站箱涵基底加固处理 设计采用旋喷桩加固处理。 (1) 旋喷桩施工方法和技术措施

根据地层特性选用三重管高压旋喷机进行施工，施工采用4台旋喷机施工。

旋喷桩施工的工艺流程如下：

测量定位 旋喷机就位 插入三重管 旋喷、提升

旋喷桩施工的工艺流程图

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移机至下一桩位 (2) 施工方法和质量措施

① 清理平整场地，挖泥浆沉淀池，沉淀池体积不小于50m3，放样旋喷桩桩位，并作好标记。

② 旋喷机就位，调试风、水、水泥浆及管线，使水压大于20Mpa，水流量大于70L/min，使空气压力大于0.7Mpa，排量大于1.5～3m3/min。

③ 按设计的压力进行旋喷，提升速度为10cm/min，旋喷时除水、气达到上述要求外，注浆泵压力≥1Mpa，排量大于100L/min。浆液根据配方试验确定，浆液材料按工程进度进行配料。

④ 旋喷高度至顶标高以上0.3～0.8m处停机，将旋喷管提出地面，移机至下一桩位。

旋喷桩施工的机械配备如下表：

旋喷桩施工的主要机械配备表

名 称 高压泵 泥浆泵 空压机 旋喷机 施工注意事项

(1) 施工前检查高压设备和管路系统，其压力和流量必须满足设计要求。注浆管及喷嘴不得有任何杂物，接头密封圈良好。

(2) 钻孔与设计位置的偏差不大于5cm，倾斜度不大于1.5%。

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性 能 3W-TB4高压柱塞泵，带压力流量计 水泥浆液流压力宜大于1Mpa， 压力0.7Mpa排量6m3/min MG-50 数量 2台 2套 2台 2台 用 途 高压水助喷 旋喷注浆 旋喷用气 成桩 (3) 水泥浆在旋喷前1小时内拌制，水灰比宜用1:1，旋喷过程中耗浆量控制在10～25%，由下往上喷浆，注浆管分段提升的搭接长不小于100mm，相邻两桩施工间隔时间大于二天且大于2m距离。

(4) 喷射时做好压力、流量和冒浆量的量测工作，并做好记录。

围护结构采用采用旋喷桩

止水帷幕-800钻孔桩-网喷混凝土。

10.2.1 800钻孔桩施工 (1) 施工安排 ① 施工总顺序

为保证交通疏解方案的贯彻实施，尽量减小对交通的影响，在车站终点向区间方向32m范围内首先进行施工。然后再施工剩余的咬合桩。

② 机械设备选型

为确保3个月内完成区间第一施工段的任务，钻孔桩施工投入MZ-1型全套管钻机2台和M-800全套管钻机2台，35t吊车2台。液压全套管钻机的工作原理、钻机的组成和特点:

a、该钻机由吊车、主机、液压工作站，冲击抓斗及套筒组成。在钻孔桩成孔过程中，以套管正反扭动加压下切，管内抓斗取土，使套管压入至桩的设计深度，形成全套管护壁成孔，实现速度快（该钻机成桩时间约16小时左右），成孔精度高及桩芯混凝土质量好。

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b、当套管通过相对富含水层时，钢套管能有效地隔断地下水。成孔后可干孔浇注桩芯钢筋混凝土，确保桩芯混凝土高质量，若渗水量超过1m3/h，也可按水下浇注混凝土工艺施工桩芯混凝土。

c、该桩机较容易操作，套管切割和起拔能力较大，沉管在液压系统和机械手的作用下垂直度能得到保证，成孔垂直精度可达3‰以上，能较高质量地达到咬合桩的设计要求。

③钻孔桩的施工顺序

4台桩机在围护结构的1号线、6号线“十”字相交处，自内四角向外沿南北方向同时施工。

(2) 单机成单桩时间确定

MZ-1型全套管钻桩机，一般情况下单机成桩一根需12个小时左右：

桩机就位20分钟——压入校核第一节套管30分钟——压管钻进成孔360分钟——吊放钢筋笼20分钟——放入混凝土导管20分钟——灌注混凝土120分钟——拔套管移机30分钟共10小时。考虑到施工过程中地质条件变化等不可遇见因素的影响，单机成桩时间确定为 12h。

(3) 单机的施工顺序

单机的施工顺序采取跳做法施工。 (4)钻孔桩施工方法和技术措施 ①钻孔桩施工工艺流程

钻孔桩施工工艺流程见《钻孔桩施工工艺流程图》。

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- 11 - 桩 头 测 钻孔桩施工工艺流程图

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② 钻孔作业技术措施 a、平整场地设置排水系统

地面设40×40cm排水沟每50m设4×3m集水井，横向每20m布置一条30×30cm水沟与纵向水沟相连接形成排水系统，地面整平到冠梁顶面标高。钻机工作面往外形成一定的坡度，防止积水，使钻孔作业有良好的环境。

b、测设桩位

施工前与车站进行联合测量，核对中心线方向和水准基点，无误时利用主体结构的轴线位置，采用全站仪和水准仪测量定位。为确保主体结构有足够净空，桩位向基坑外放10cm，准确定出有外放量的咬合桩桩位。

c、桩顶钢筋混凝土导墙施工

导墙作用是使钻孔桩准确定位，确保钻孔平稳并承受部分施工荷载。根据设计及液压摇动式全套管钻机机体尺寸要求，以排桩轴线作为导墙中线，导墙采用素混凝土，导墙顶面力求平整。

d、桩机对位、整平

在混凝土导墙上支稳钻机，使桩机钻头中心准确对准桩位中心，调整钻机平整。

e、套管垂直度控制

钻机对位后，吊安第一节套管，控制套管安放的垂直度，并通过互相垂直的两台经纬仪复核后，方可开钻，成孔的全过程均由两台经纬仪监控，发现倾斜及时纠正，允许垂直度偏差≤3‰。

f、钻进

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靠桩机的液压系统，正反扭转下压套管，管内冲抓出土，套管内始终保持1m左右的土，套管到桩底成孔，然后浇注混凝土。

g、清孔检查

钻进中丈量套管顶至地面的长度，可准确计算套管入土深度，套管入土深度应确保超过设计孔深20cm以上。当确认套管入土深度符合设计要求后，及时进行孔内虚土和沉碴的清除，并确保孔内沉碴厚不得大于10cm。孔底若遇砂层或有翻砂出现，套管应继续下压再超深取土、砂1.0m以上，并在孔内投放粘土夯击，确保桩体底端混凝土质量。

h、钢筋笼加工、吊装

·钢筋笼制作允许偏差按下表的规定执行。

钢筋笼制作及保护层允许偏差

项 次 1 2 3 4 5 项目 主筋间距 箍筋间距 钢筋笼直径 钢筋笼长度 钢筋笼保护层 允许偏差/mm ±10 ±20 ±10 ±50 ±20 ·钢筋笼加工时各项指标满足上表要求，纵向钢筋采用闪光对焊，箍筋点焊于钢筋笼纵向钢筋上。

·钢筋笼的主筋净保护层不宜小于设计要求，其允许偏差为±20mm。

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·钢筋笼吊运时应采取适当措施防止扭转、弯曲，安装钢筋笼时，应对准孔位，吊直扶稳，缓慢下放，避免碰撞孔壁，就位后立即固定。

·为加快施工进度，缩短钢筋笼吊装时间，钢筋笼一次加工到设计长度，吊装时采用30t吊车吊装，每个钢筋笼吊三个吊点，主勾吊钢筋笼顶部吊点，副勾吊后2吊点，钢筋笼起吊后在空中将钢筋笼倒转竖立垂直，解开副勾，由主勾将钢筋笼垂直吊入桩孔内。起吊如下图所示。钢筋笼吊放前外侧绑扎混凝土定位块以保证有效的主筋保护层，设计的预埋件按设计位置固定于钢筋笼上，钢筋笼下至设计高程后，用钢筋将钢筋笼固定于套管上，使钢筋笼轴线与桩孔中心线重合，确保主钢筋的净保护层满足设计，保护层的允许偏差按±20mm控制。

钢筋笼起吊示意图

i、套管内灌注桩混凝土及技术措施 ·干孔浇注混凝土

由于成孔全套管到底，隔断了地下水，可形成干孔浇混凝土作业，放入导管，商品混凝土运送到工地后，直接通过吊车把混凝土送入下料斗内，边浇混凝土边分节取下混凝土导管和转动套

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管并随混凝土浇注而起拔，直至按设计要求，完成桩内混凝土的浇注。

·当套管内有水且无法排干孔内水时，按水下法浇注桩内混凝土的工艺施工。

j、浇注混凝土施工注意事项和出现特殊情况的处理措施 ·成孔后套管随混凝土浇注逐段起拔，起拔套管应视起拔状况而精心操作，阻力过大采取多转动(套管)慢起拔，保证套管起拔中的顺直，在任何情况下严禁强行拔起。遇见地下水或穿越砂层时应随时观察孔内动态，按少取土多压切的原则操作，发挥全套管跟进的钻孔工艺特点，达到管超前。遇到含水砂层时，先将套管压入相对隔水层后再进行抓土。

k、钻孔施工的安全技术及注意事项 ·现场有醒目的安全标牌和安全措施。 ·现场施工人员必须穿胶鞋，并戴安全帽。

·钻孔过程有异常应及时处理，并做好防止污染环境的工作，施工污水的排放符合天津市有关的要求。

·灌注水下混凝土时导管提升不能过猛，防止导管拉断；严禁将导管提离混凝土面。

·每次灌注混凝土拆下的导管，必须用清水冲洗干净，堆码于适当位置备用。

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