三重管喷射注浆工法旋喷桩

重管喷射注浆工法(三重管 旋喷桩)加固地基三重管喷射注浆法(Jet Grouting),在我国又称为“三重管旋喷桩”，是70年代开 发的一种新型地基加固技术，迄今已得到广泛应用。在地基加固方法中，有一种历 史悠久的静压化学或水泥注浆法(Injection)，它是将不同性质的硬化剂(化学药品 或水泥)，用压力注入地基中，用以改良土的性质。这种方法主要适用于砂类土， 也可应用于粘性土。但是，在很多情况下，由于土层和土性的关系，其加固效果常 不为人们所控制，尤其是在沉积的分层地基和夹层多的地基中，注入剂往往沿着层 面流动；在细颗粒的土中，注入剂难以渗透到颗粒的孔隙中。因此，经常出现加固 效果不明显或很不均匀的情况。高压喷射注浆法克服了上述注入法的缺点，将注入剂形成高压喷射流，借助高压喷 射流的切削和混合，使硬化剂和土体混合，达到改良土质的目的。化学注浆法、水泥注浆法主要适用于砂土、砂石，而喷射注浆法几乎适用于所有的 土。70年代初期，日本最先把高压喷射技术用于地基加固和防水帷幕，形成一种特殊的 地基加固技术，即所谓CCP工法(Chemical Churning Pile)。此后，70年代中期又 开发了同时喷射高压冰液和压缩空气的二重管法，最后形成喷射高压清水，压缩 空气和低压浆液的三重管法。这种方法比单管法、双重管法加固直径大，不需要采 用高压泥浆泵，成为国内外应用最广的喷射注浆法。目前，在世界数百项工程中获 得应用，使用的国家有日本、德国、美国、英国、意大利、瑞典、原苏联、新加坡 等，使用的项目包括深基坑开挖中的挡土或隔水，盾沟工程起始和终端部位的土体 加固，旧有房屋、桥梁地基补强或旧有建筑物临近工程的施工等。冶金部建筑研究总院于1978年结合宝钢工程，研究并成功的将三重管喷射注浆法 应用于深基坑的加固。1980年通过冶金部组织的鉴定会，并于同年被评为冶金部重 大科技成果奖3等奖。目前，我国在冶金、铁路、水利、城市建设各部门已分别在深基坑开挖、桥墩加固、 水坝坝基防渗、旧有建筑物地基加固等方面广泛应用了这种办法。一、特点与适用范围三重管喷射注浆法是一种具有特殊功能的地基加固方法。在许多工程实例中，往往 与包括桩基及其它地基处理方法相比，喷射注浆法是一种最优的选择，有些情况则 是唯一选择。因此它是一种新的、具有很强生命力的地基加固技术。喷射注浆法加固地基的主要优点如下:(1) 受土层、土的粒度、土的密度、硬化剂粘性、硬化剂硬化时间的影响较小，可 广泛适宜竽淤泥、软弱粘性土、砂土甚至砂卵石层等多种土质。(2) 可采用价格便宜的水泥作为主要硬化剂，加固体的强度较高，根据土质不同， 加固体的强度可为5001000kPa。(3) 可以有计划地在预定的范围内注入必要的浆液，形成一定间距的桩，或连成一 片桩或薄的帷幕墙，加固深度可自由调节，连续或分段均可。(4) 采用相应的钻机，不仅可以形成垂直的桩，也可以形成倾斜的桩。(5) 可以作为施工中的临时措施，也可作为永久建筑物的地基加固，尤其是对已有 建筑物地基补强和基坑开挖中需要对临近旧建筑物加以保护时，这种方法能发挥其 特殊作用。根据加固所起作用，喷射注浆法可以分为下列不同目的：(1) 止水，形成防水帷幕，隔断地下水的渗流。(2) 防止坑底部粘性土涌土或砂性土管涌或侧壁挡土。(3) 对相临构筑物或地下埋设物的保护。(4) 旧有构筑物地基的补强。(5) 桩基础的代用。(6) 地下盾构法等顶管施工始末端的加固。二、加固原理与加固方法由钻机操作特殊的三重喷射管，喷射管端部由三个喷嘴，分别喷射高压水，压缩空 气和水泥浆。由高压水和压缩空气形成的喷射流用以切削土体，由另一喷嘴喷出之 水泥浆与被切割的土混合，形成水泥、土混合体，达到加固土的目的。由于由钻机 操作的喷射管边喷射，边旋转，边提升，从而形成具有较高强度的柱状水泥土加固 体，称之为旋喷桩。如果边喷射边提升而不旋转，则在土层中片状的范围内实现水 泥与土的混合。三重管喷射注浆法加固地基分成两个阶段，第一阶段为成孔阶段，即采用普通的(或 专用的)钻机，驱动密封良好的喷射管和带有横向喷嘴的特制喷射头进行成孔。成 孔时采用水冲的方法，使喷射头达到预定的深度(图1-(a)。第二阶段为喷射加固阶段，即用高压水，水泥浆（或加入其它外掺剂）以及压缩空气， 通过喷射管由喷射头上的横向喷嘴向土中喷射。与此同时，钻杆一边旋转，一边向 上提升使水泥浆与土混合（图1-（b）。有时，根据工程需要，也可形成“片状”加固体，例如隔水帷幕。此时，只要在喷 射时，钻杆只提升，而不旋转，即所谓定向喷射。或者，只在一定的角度（如120） 内摆动，即所谓摆动喷射。三重管喷射注浆法施工设备平面布置概括如图2所示。当第一阶段贯入土中时，可借助喷射管本身的喷射贯入，只是在必要时，才在地基 中预先成孔（孔径为15cm）。，放入喷射管进行喷射加固。由于喷射注浆法没有系统的专用机具，因此施工机具需因地制宜地加以选择。三、施工工艺（1）钻机就位：喷射头正对孔位中心，使喷射管的轴线正对钻孔中心，一般垂直度 偏差应小于1.5%（图3-a）。（2）成孔：在空压机、清水泵、泥浆泵低压状态下，将喷头送至设计标高（图3-b）。（3）喷射提升：使高压水、压缩空气、水泥浆均达到预定喷射压力后，按设计施工 参数（提升和旋转速度）边旋转，边提升（图3-c），提完每段钻杆后，相临钻杆应搭 接20cm，施工时应做好原始记录。（4）冲洗：喷射完一孔后（如图3-d），应将所有管道冲洗，特别应将浆管中的泥浆排 尽。 （5）移位。四、主要施工机具三重管喷射注浆法施工的主要机具有以下几种：1. 高压泵高压泵为柱塞式高压清水泵。高压泵的压力通常要求能在15.0MPa以上。一个良好 的高压泵应能在高压下持续工作，设备的主体结构和密封系统应有良好的耐久性。2. 泥浆泵泥浆泵用在三重管旋喷中输送水泥浆之用。实际使用压力控制在200Pa左右，根据 使用情况来看，由于水泥浆对机械和密封系统均易产生磨损，致使泥浆因此而不能 顺利吸入与排出。因此，对泥浆泵的维护和检修是十分必要的。3. 空压机采用的有6m3/min、9m3/min、柴油空压机或电动空压机，工作压力为70Pa，旋喷 中当保持管线中压力为4055Pa时，空气实际排量为1m3/min左右。4. 钻机喷射注浆法采用的钻机，通常不是专门特制的，而是对一般勘探用钻机，根据喷射 工艺的要求(提升速度和旋转速度)加以适当改制。但钻机的灵活性及功能对喷射注 浆法的施工水平起着重要使用。为了适于喷射注浆法施工的要求，冶金工业部建筑 研究总院已开发了专用的旋喷钻机。日本、德国、意大利等国一些专业施工公司， 均开发采用各具特色的旋喷钻机。5. 其他机具(1) 喷射管：三重管法的喷射管要同时输送水、压缩空气和水泥浆，而这三种介质 均有不同的压力，因此，喷射管必须保持不漏、不串、不堵，加工精度严格，否则 将难以保证施工质量。(2) 其他仪表：施工质量管理在喷射注浆法中是至关重要的。过去多采用人工读数 记录方法。工程实践表明，采用各种相应的仪表进行控制和记录是十分必要的。其 中主要有记录泵的压力、液量和空压机的送风量，记录压缩空气量的为玻璃转子流 量计。五、施工人员及施工管理(一)施工人员每班配制人员20-25人(1) 班长，1人，负责协调指挥各机具操作人员之间的联系。(2) 泵工，2-3人，负责泥浆泵及清水泵操作。(3) 空压机工，1人，负责空压机操作。(4) 钻机，2人，负责钻机操作。(5) 搅拌工，8-10人，负责拌制水泥浆。(6) 机修工，2人，负责各种机具维修。(7) 电工，1人，负责各机具安全用电兼负责施工安全。(8) 记录员，1人，负责施工记录。(9) 技术员，1人，负责施工技术工作。(二)施工管理1. 技术管理由技术员负责，具体职责为：监督施工参数及处理施工时发生的临时变更情况，及 时与设计单位联系。2. 质量管理由当班班长与操作工建立TQC小组，班长负责监督实施设计施工参数，严格按操作 规程操作，并作好施工记录，发现问题，及时与技术员联系解决，定期进行TQC活 动，保证施工质量。3. 安全管理(1) 施工场地平整，以防钻机倾斜或沉陷。(2) 及时检查各高压管接头的可靠性，防止高压管暴裂伤人。(3) 及时检查各操作工的操作程序，严防违章操作。(4) 三重管喷射注浆电路复杂，应经常检查，排除隐患，做好安全用电。六、加固质量及效果检验三重管喷射注浆法效果检验主要有：1. 开挖检查待凝固一周后进行开挖，将固结体露出，检查固结体的直径，并现场取样到室内 加工成标准试块，检查各龄期桩体的单轴抗压强度，变形特性以及水泥含量等。试 块制作按7X7X7cm立方体作抗压强度试验。当用作单轴及三轴抗压强度、抗拉强 度时需按试验要求制作试块。2. 冒浆体试块试验 取施工过程中的冒浆体，做成试块，试验其特性。此项试验可以用作判断强度的参 考。所取的冒浆应取喷射后期，即水泥与土混合的状态已接近地下实际混合状态的 冒浆。3. 钻孔取芯 检查桩体的均匀性，并可检验其强度。由于受到水泥土的强度不高和桩径垂直度的 影响，取芯工作必须十分仔细才能取得好的效果。4. 钻孔注水试验检查其渗透特性。5. 标贯试验据标贯击数，确定其承载特性。6. 现场荷载试验确定单桩承载力或复合地基承载力。7. 其它试验方法室内浆液配方试验，现场施工参数试验等。上述检验项目，应结合工程要求和条件加以确定。其试验方法均参照工程地质勘察 和建筑材料试验中相应的方法进行。七、工程实例1. 宝山钢铁总厂工程的深基坑开挖宝山钢铁总厂初轧1号铁皮坑的平面尺寸为18.3X45.3m，深度为22.3m，与一系 列正在施工的重要设备基础和厂房桩基础相邻，因此必须确保铁皮坑在施工过程中 的稳定性以及减少其对相邻基础的影响。经过对多种地基加固方案分析对比后，确 定采用三重管喷射注浆法加固基坑底部。土层情况在基坑深度范围内，基本上为淤泥质亚粘土和淤泥质粘土，强度极低。首 先在基坑的四周设置两层井点降水，开挖到-9.8m标高，然后在基坑周围打板桩， 并对基坑底部标高以下进行地基加固。在完成喷射 注浆法加固地基后，继续进行 基坑的开挖。加固厚度4.5m，桩距横向采用0.7D，纵向采用0.8D（D为设计桩径， 通过试验取1.5m）。为了达到良好的支撑作用，在板桩附近的桩距有所减小。桩的 总数为695根，总长为3000延米。2. 安徽六合滁河大桥桥墩加固安徽六合滁河大桥是矿山铁路专用的五孔双曲拱桥，单孔跨度为25m。地层自地表 起分别为软塑亚粘土、轻亚粘土。桥墩基础采用100cm灌注桩。南北桥头为了抵 抗水平推力，采用混凝土和毛石砌体作为支座。与桥头毗邻的路基采用高填方路堤。因原地形低洼，填土高度约为37m。由于路堤荷载的影响，产生不均匀沉降，而使 桥墩产生位移，引起桥拱的开裂。裂缝宽度最大约为0.2mm。为了阻止混凝土墩和 毛石砌体的不均匀沉降以及桥墩的水平位移，决定采用旋喷桩进行加固，同时采用 扩大混凝土墩面积，增设灌注桩与其相连以及对毛石墩注浆加固的综合方案。旋喷桩的主要作用在于防止相邻填方、铁路荷载引起的附加沉降继续发展，同时增 加土体水平抵抗力。为了防止在加固工程中，由于土体短时间内强度降低而发生意 外的沉降，因此对桥体的沉降和位移进行了监测。桥拱上的旋喷桩的施工量总计为 2000延米。3. 旋喷桩一灌注桩组合挡土壁武汉钢铁公司翻车机室廊道基坑开挖时，（基础深4.510.0m），设计用钻孔灌注桩 挡土，维持边坡稳定，由于坑边坡范围内有一层透水性较好的土层，预计基础开挖 后将大量涌水，最后确定在两根钻孔灌注桩之间加一根三重管旋喷桩，形成组合式 挡土结构，用以挡土和截水，设计总桩数144根，总延米数为1600m，开挖结果表 明，三重管喷射注浆法隔水效果良好。4. 加固设备基础大港电厂翻车机室地基为高压缩性、低强度的淤泥，建筑主体建成后即发现建筑物 沉降大，而且继续在发展，主体结构上并发现有裂纹，工程被迫中断。经多种方法 比较，最后选定用三重管旋喷桩加固地基，限制沉降进一步发展，用本方法的最大 优点是可在原基础上开一小孔（130）进行加固施工，因此，施工时对原建筑物影 响极小，施工时又采用了早强剂及跳打法施工，施工期间总沉降仅为2.4cm，设计 旋喷桩66根，总延米数为980m，施工完后建筑物变形得到了控制。5. 工业结构物地基补强已有建筑的地基加固是建筑行业日益面临愈来愈多的问题，山东胜利炼油厂减压塔 要加高，原地基承载力不能满足要求，要求在不损伤原塔基础的情况下进行地基补 强，并且施工作业空间很小。设计选用了三重管喷射注浆法，设计桩数36根，总 延米数为1332m，加固后地基承载力达250300kPa，满足了设计要求。6. 深圳软土地基加固福田区高速公路路口，下卧厚层淤泥，由于其它加固工法的各种限制，最后选用喷 射注浆法加固路基，设计旋喷桩157根，采用了长短桩相间的设计方法，总延米为 1488m，加固开挖后桩径达1.11.3m，桩身强度达140Pa，经验算，桩土复合地基 承载力达设计要求。