秦美荣 上海铁路局上海工务段

1 基本原理及设计要求

1.1 加固原理

高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、（空气）成为20～40 MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。

1.2 高压旋喷桩的优点与用途

高压旋喷桩应用范围广，施工简便，固结体形状可以控制，设备简单、易于管理、无污染，料源充裕具有较好的耐久性，适用于永久性工程。高压喷射注浆主要用途是加固与防渗透，由于其设备简单及施工方法独特，目前普遍用于：提高地基承载力，减小沉降变形；既有建筑地基补强、基础托换和扶正纠偏；土层旋喷锚杆；支挡防渗；固化流砂防止砂土液化。

1.3 设计要求

1.3.1 加固体直径的确定

旋喷桩直径与现场土质、土体强度和喷射压力、流量、提升速度和浆液稠度等诸多因素有关，应通过现场试验确定。

1.3.2 布置形式

桩的平面布置形式需根据加固的目的给予考虑，分离布置的单桩可用于基础的承重，排桩、板墙可用作防水帷幕，整体加固则常用于防止基坑底部的涌土或提高土体的稳定性，水平封闭桩可用于形成地基中的水平隔水层。铁路、公路路基基底一般采用梅花形加固地基的分离桩形式。桩间距一般采用1.2～1.5 m。公路设计规范规定，相邻桩净距不应大于4的倍桩径。

1.3.3 设计承载力

（1）按桩身强度计算容许承载力。

式中［P］--桩的容许承载力（kN）；

a--桩体材料的强度折减系数，a=0.4～0.5；

［σ］--桩体材料 7 cm×7 cm×7 cm 试件的室内平均抗压强度（kPa）；

A--桩的横断面积。

（2）按土体强度计算桩身容许承载力。

式中［P］--桩的容许承载力（kN）；

u--桩身截面周长，按桩的直径计算（ m）；

fi--各土层的容许摩阻力（kPa）；

li--各土层的厚度（m）；

A--桩底支承面积，按桩的直径计算（ m）；

［R］--桩尖处的地基容许承载力（ kPa）。

（3）复合地基承载力。

式中Pcom--复合地基的容许承载力（ kPa）；

［P］--单桩承载力（ kPa）；

［R］--桩间土天然地基承载力（ kPa）；

Ae--一根桩分担的荷载面积；

Ap--一根桩的断面积；

A--天然地基承载力折减系数，当不考虑桩间土作用时为0。

1.3.4 浆量计算

浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取大者作为设计喷射浆量。

体积法：

喷量法：

式中Q--需要的喷浆量（m3）；

De--旋喷固结体直径（m）；

D0--注浆管直径（m）；

K1--填充率，0.75～0.9；

h1--旋喷长度（m）；

K2--未旋喷范围土的填充率，0.5～0.75；

h2--未旋喷长度（m）；

β--损失系数，0.1～0.2；

ν--提升速度（ m/min）；

H--喷射长度（m）；

q--单位喷浆量（m3/m）。

根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。

2 高压旋喷桩的工艺流程

高压旋喷所使用的喷射流共有三种：

（1）单管喷射流，单一的高压水泥浆液喷射流；

（2）二重管喷射流，高压浆液喷射流与其外部环绕的压缩空气流组成复合式高压喷射流；

（3）三重管喷射流：它是一种浆液、水、气喷射法。本文涉及的工程为三重管喷射注浆。

2.1 施工工艺顺序

主要顺序为：平整场地、工艺试桩、清除地下及空中障碍、测量放线、放桩位、施工旋喷桩、检查补漏完成。

2.2 施工工艺流程

三管法工艺流程为：场地平整、机具就位、调整、钻孔、插管、试喷、喷射注浆、成桩、拔管及冲洗等。

三重管旋喷桩机注浆施工示意参见图1。

图1 三重管旋喷注浆示意图

2.3 推荐的主要施工技术参数

浆液压力0.2～0.8 MPa，浆液比重1.60～1.80， 压缩空气压力 0.5～0.8 MPa，高压水压力30～50 MPa。

2.4 质量控制要点

（1）正式开工前应认真作好试桩工作，确定合理的施工技术参数和浆液配比。

（2）旋喷过程中，冒浆量小于注浆量的20%为正常现象，若超过20%或完全不冒浆时，应查明原因，调整旋喷参数或改变喷嘴直径。

（3）钻杆旋转和提升必须连续不中断，拆卸接长钻杆或继续旋喷时要保持钻杆有10～20 cm的搭接长度，避免出现断桩。

（4）在旋喷过程中，如因机械出现故障中断旋喷，应重新钻至桩底设计标高后，重新旋喷。

（5）制作浆液时，水灰比要按设计严格控制，不得随意改变。在旋喷过程中，应防止泥浆沉淀，浓度降低。不得使用受潮或过期的水泥。浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时，应有筛网进行过滤，过滤筛孔要小于喷嘴直径1/2为宜。

（6）在旋喷过程中，若遇到孤石或大漂石，桩可适当移动位置（根据受力情况，必要时可加桩），避免畸形桩或断桩。

（7）旋喷过程中，应作好施工记录。

2.5 质量通病的处理

（1）不冒浆或冒浆量少。

通常原因是加固土层粒径过大，孔隙较多，可采取以下措施：

①加大浆液浓度，可以从1.1加大到1.3左右继续喷射。

②灌注粘土浆或加细砂、中砂，待孔隙填满后再继续正常喷射。

③在浆液中掺加骨料。

④加泥球封闭后继续正常喷射。

⑤灌注水泥砂浆后，再将孔内水泥浆置换成粘土浆，待孔隙填满后继续正常喷射。

（2）冒浆量过大。

通常是有效喷射范围与喷浆量不适应有关，可采取以下措施：

①提高喷射压力。

②适当缩小喷嘴直径。

③适当加快提升速度。由于冒浆量中含有地层颗粒和浆液的混合体，目前对冒浆中的水泥的分离回收尚无适宜方法，在施工中多采用过滤、沉淀、回收调整浓度后再利用。

（3）凹穴处理。

①在喷射灌浆完毕时，即连续或间断地向喷射孔内静压灌注浆液，直至孔内混合液凝固不在下沉。

②在喷射灌浆完成后，向凝固体与其上部结构之间的空隙进行第二次静压灌浆，浆液的配比应为不收缩且具有膨胀性的材料，如采用水泥、水和铝粉为原料，则形成配比为 9.8∶6.9∶0.3 的浆液。

3 施工实例

3.1 工程地质条件

上海地铁9号线南延伸段盾构隧道下穿沪昆铁路工程中，地貌形态位于泻湖沼泽相与滨海平原相交汇地带，地面标高为3.56～4.51之间。盾构穿越铁路的标高为-8.8～-14.2。工程沿线地基在48m深度范围内为第四纪松散沉淀物，主要由饱和粘性土、粉性土及砂土组成，一般具有成层分布的特点。由上而下发育土层主要为：

①1填土；②1灰黄～兰灰色粉质粘土；③1灰色淤泥粉质粘土，层底标高-5.01平均厚度5 m；④1灰色淤泥质粘土、层底标高为-11.2、平均厚度5.3m；⑤1-1灰色粘土、层底标高-16.2、平均厚度4.8 m；⑤2t灰色粉质粘土夹砂质粘土；⑤2灰色砂质粉土夹粉质粘土；⑤3灰色粉质粘土；⑤4灰绿色粉质粘土；⑦1灰绿～灰色砂粉土；⑦2草黄～灰色粉砂。

3.2 设计处理方案

该工程地质较差，淤泥层较厚、地下水位较高，需进行软基处理。由于桩位靠近线路，为了抵抗铁路线路的变形，二是保证注浆效果，设计采用三重管高压咬合旋喷桩，旋喷桩加固区在铁路路基外侧1 m以外位置，由三排直径为1.5 m的旋喷桩相互咬合形成，咬合量为0.2m；旋喷桩的深度为隧道底部以下3 m至地面，长度为22.022m，桩总根数为60。

3.3 施工机械选型

因设计桩径为1.5 m，根据同类工程的施工经验，用三重管法施工能满足设计要求，选定如下配套机械：武汉力学岩土工程机械厂生产的PH-5B型旋喷桩钻机1台，电机额定功率37 kW；天津高压聚能泵厂生产的SNS-H300型高压泵一台，额定功率90kW，额定压力35MPa；沈阳水泵厂生产的BW-150型泥浆泵，电机额定功率3kW；高压管路内径φ19mm，外径φ34mm；主机钻杆内径φ53mm，外径φ76mm；钻头上设一φ2.8mm的喷嘴；主塔高度6.5m；主机是靠液压撑腿调平，支撑导轨式行走，根据设备性能及地面至桩底深度，可一次性成孔。

3.4 施工参数

（1）固化剂。海螺牌普通硅酸盐425#水泥，外掺剂：玻密度1.35水玻璃，每米桩长水泥喷浆量为850 kg，水泥浆液水灰比W/C=1.0。

（2）钻杆的转速控制在10-25 r/min左右，提升速度为 0.05～0.25 m/min，高压泵压力控制在22～50 MPa，浆液压力1.5～5 MPa。

3.5 施工效果

为评价与检测加固效果，业主委托专业机构进行了抽芯检测、桩头开挖、单桩静载荷试验和复合地基平板载荷试验。开挖检测5个桩头，开挖深度在1.5～2 m。经测量和观测，桩体垂直度良好，桩径均大于1.5 m，桩土咬合密实，有利于承载。

各抽芯检测孔所取得的桩芯均成长柱状，完整性较好，水泥土体胶结良好，取5桩20组样品室内试验，28天无侧限抗压强度在2.69～7.18 MPa，均满足路基不小于0.8 MPa的设计要求。

静载荷试验检测点5个，采用慢速维持荷载法，总的沉降量不大，卸载后都有一定的回升。这表明桩的弹性模量、刚度和强度都较大，单桩及复合地基承载力都达到设计要求。

4 结论

高压旋喷桩在软土地基处理中的效果较好，具有施工方便、工艺简单、工期短等特点，并能有效控制地基沉降。