高压旋喷桩施工工艺在桥台加固工程的应用
2015-08-17
一、引言
近年来，国家不断加大基础设施的投资建设力度，城市建设中地铁和高层建筑不断建造，由于各地地质的情况不尽相同，在地基处理方式也有多种选择。高压旋喷桩施工工艺采用高压喷射注浆的方式，通过注入水泥浆或复合浆形成凝结体，来进行地基的加固和防渗。目前的高压喷射注浆按注浆管类型可分为单管、二重管和三重管三种方法。单管以单纯喷射水泥浆液；二重管在水泥浆液射流外面包裹一层高压空气同时喷射，来破坏土层结构，同时完成置换、填充；三重管是以包裹了高压空气的高压水流来破坏土层结构，再以水泥浆液进行置换、填充。 本文探讨的建北桥桥台加固工程主要采用了二重管法高压旋喷桩技术。
二、施工工艺
1、施工原理
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20～40MPa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，根据喷射方法的不同，喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。
单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。
二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。
三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在土中凝固，形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。
4工艺流程
二、建北桥桥台病害分析及加固方案的选定
1、建北桥桥台病害分析
建国北路桥建成于1988年，南接环城北路，北至朝晖路，横跨京杭大运河，结构体系为预应力砼变截面连续梁，双箱双室断面，桥墩为柱式墩，墩顶设盖梁。根据检测报告以及现场踏勘，桥台存在大量的病害，主要表现为：桥台与台背挡墙间拉开，挡墙外倾，老桥台背填土存在不密实现象并可能存在空洞，导致桥台背路面与路基脱空，损坏加剧路面下陷。这对结构的安全性和使用性造成很大影响，易导致地基扰动和破坏桥台出现不均匀沉降，台背路面下陷，桥头跳车等一系列病害。如果不采取补救措施，因路面渗水造成台后填土不断流失，将直接挖空台下基础，威胁桥梁安全。
2、加固方案的选定
高压旋喷注浆是以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆液与土以半置换或全置换凝固为固结体的高压喷射注浆法，从施工方法，加固质量到适用范围，不但与静压注浆法有所不同，而且与其他地基处理方法相比，亦有独到之处。高压喷射注浆法的主要特征如下：
（1）适用的范围较广。旋喷注浆法以高压喷射流直接破坏并加固土体，固结体的质量明显提高。它既可用于工程新建之前，也可用于工程修建之中，特别是用于工程落成之后，显示出不损坏建筑物的上部结构和不影响运营使用的长处。
（2）施工简便。旋喷施工时，只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm的小孔，便可在土中喷射成直径为0.4~4.0m的固结体，因而能贴近已有建筑物基础建设新建筑物。此外能灵活地成型，它既可在钻孔的全长成柱型固结体，也可仅作其中一段，如在钻孔的中间任何部位。
（3）固结体形状可以控制。为满足工程的需要，在旋喷过程中，可调整旋喷速度和提升速度，增减喷射压力，可更换喷嘴孔径改变流量，使用固结体成为设计所需要的形状。
（4）有较好的耐久性。在一般的软弱地基加固中，能预期得到稳定的加固效果并有较好的耐久性能可用于永久性工程。
（5）料源广阔价格低廉。喷射的浆液是以水泥为主，化学材料为辅。除了在要求速凝超早强时使用化学材料以外，一般的地基工程的使用材料广阔，一般使用价格低廉的425号普通硅酸盐水泥。若处于地下水流速快或含有腐蚀性元素、土含水量大或固结强度要求高的场合下，则可根据工程需要，在水泥中掺入适量的外加剂，以达到速凝、高强、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。此外，还可以在水泥中加入一定数量的粉煤灰，这不但利用了废材，又降低了注浆材料的成本。
（6）浆液集中，流失较少。喷浆时，除一小部分浆液由于采用的喷射参数不适用等原因，沿着管壁冒出地面外，大部分浆液均聚集在喷射流的破坏范围内，很少出现在土中流窜到很远地方的现象。
（7）设备简单，管理方便。高压喷射注浆全套设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，能在狭窄和低矮的现场施工。施工管理简便，二重管喷射过程中，通过对喷射的压力、吸浆量和冒浆情况的量测，即可间接地了解旋喷的效果和存在的问题，以便及时调整旋喷参数或改变工艺，保重固结质量。在多重喷射时，更可以从屏幕上了解空间形状和尺寸后再以浆材填充之，施工管理十分有效。 生产安全。高压设备上有安全阀门或自动停机装置，当压力超过规定时，阀门便自动开启泄浆降压或自动停机，不会因堵孔升压造成爆破事故。
（8）无公害。施工时机具的振动很小，噪声也较低，不会对周围建筑物带来振动影响及噪声、公害，更不存在污染水域、毒化饮用水源的问题。
在几种加固方法中，大部分在箱形框架背施工困难，还会大范围破坏箱形框架桥底板，影响其承载力，故不采用。而高压旋喷注浆法不仅没有以上缺点，且加固费用低、施工工艺简单、施工进度快、施工过程中交通运输可正常进行、加固质量和效果可靠等优点，故采用高压旋喷桩方案。
3、桥台病害处理范围
台后填土处理为南北桥台台后各8米范围，宽约23米。形成“U”型结构。
4、加固机理
由于高压喷射注浆就是利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为20Mpa以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。当能量，速度快呈脉动状的喷射动压超过土体结构时，土粒便从土体上剥落下来。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基的变形，达到地基加固的目的。
5、设计指标取值的探讨 为了对高压旋喷桩的施工质量进行评价，现场进行了取芯试验，结果表明试验值与设计值有较大偏差，并根据试验结果对高压旋喷桩的设计指标的取值进行了探讨。 按照设计要求28天龄期后进行了取芯试验，试验结果显示靠近人工回填土层与淤泥层交接处（砂石土层）的指标在4~5MPa之间，满足有关规程及指标的规范要求。而淤泥层上层抗压强度指标仅为0.2~0.4MPa，大大小于设计平均抗压强度2.5MPa。其原因可从以下几个方面分析： ①场地土层分布特殊（夹层），且淤泥（流塑，贯入击数仅为1击），含水量在60%左右，造成固结体中含水量偏大，由此造成桩体强度偏低且增长缓慢。 ②二重管法由于在高压水与空气流共同作用下破碎土体，可在地基中造成较大的空隙，有利于浆液的填充；一边旋转、提升，一边喷射水、气、浆，使地基中旋喷成直径较大的旋喷桩（一般1.0~2.0m），但桩体强度一般为0.9~1.2MPa，强度较低。 ③二重管对水压的要求较高，采用施工水压确保桩径，在不采用早强剂或降低水灰比的情况下，使含水量较高的淤泥土层用较短时间完成固结而达到设计技术指标是很困难的。 ④相关资料显示，同类土（夹层性质），经旋喷施工后需要70~90天方能达到抗压技术指标要求，而本工程的仅在28后进行取芯，相对时间明显过短。 ⑤现行规程或施工手册，龄期时间与抗压强度之间缺少相对应的比较值，即28天后开始施钻取芯，其相对应的强度无参照；或有强度要求未有相应要求的养护时间。根据该工程28天龄期的抗压强度指标仅为0.2~0.4MPa，需通过后续检测确定淤泥质土情况下旋喷桩的最佳龄期。 根据该工程地质情况下对旋喷桩的现场取芯检测结果的分析，对于高压旋喷桩在淤泥质土中施工时的技术指标，提出如下建议： ①由于淤泥质土含水量高，强度低，因此施喷水压可适当降低，在淤泥质土中按规范30MPa偏大，建议在18~22MPa之间取值。②对地层中含淤泥土夹层情况下高压旋喷桩的抗压强度指标建议按0.5~1.0MPa考虑。③龄期建议在70~90天之间。
五、结束语
实践表明，目前高压旋喷施工技术已有了比较广泛的应用，本法对淤泥、淤泥质土、流塑或软塑性粘性土等地基都有良好的处理效果。高压旋喷桩施工中各种技术指标的选取是影响工程施工和质量的关键。
