高壓旋噴樁施工工藝在橋臺加固工程的應(yīng)用
2015-08-17
一、引言
近年來，國家不斷加大基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)力度，城市建設(shè)中地鐵和高層建筑不斷建造，由于各地地質(zhì)的情況不盡相同，在地基處理方式也有多種選擇。高壓旋噴樁施工工藝采用高壓噴射注漿的方式，通過注入水泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，來進行地基的加固和防滲。目前的高壓噴射注漿按注漿管類型可分為單管、二重管和三重管三種方法。單管以單純噴射水泥漿液；二重管在水泥漿液射流外面包裹一層高壓空氣同時噴射，來破壞土層結(jié)構(gòu)，同時完成置換、填充；三重管是以包裹了高壓空氣的高壓水流來破壞土層結(jié)構(gòu)，再以水泥漿液進行置換、填充。 本文探討的建北橋橋臺加固工程主要采用了二重管法高壓旋噴樁技術(shù)。
二、施工工藝
1、施工原理
高壓噴射注漿法是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液或水、（空氣）成為20～40MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動、破壞土體，同時鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個圓柱狀固結(jié)體（即旋噴樁），以達到加固地基或止水防滲的目的，根據(jù)噴射方法的不同，噴射注漿可分為單管法、二重管法和三重管法。
單管法：單層噴射管，僅噴射水泥漿。
二重管法：又稱漿液氣體噴射法，是用二重注漿管同時將高壓水泥漿和空氣兩種介質(zhì)噴射流橫向噴射出，沖擊破壞土體。在高壓漿液和它外圈環(huán)繞氣流的共同作用下，破壞土體的能量顯著增大，最后在土中形成較大的固結(jié)體。
三重管法：是一種漿液、水、氣噴射法，使用分別輸送水、氣、漿液三種介質(zhì)的三重注漿管，在以高壓泵等高壓發(fā)生裝置產(chǎn)生高壓水流的周圍環(huán)繞一股圓筒狀氣流，進行高壓水流噴射流和氣流同軸噴射沖切土體，形成較大的空隙，再由泥漿泵將水泥漿以較低壓力注入到被切割、破碎的地基中，噴嘴作旋轉(zhuǎn)和提升運動，使水泥漿與土混合，在土中凝固，形成較大的固結(jié)體，其加固體直徑可達2m。
4工藝流程
二、建北橋橋臺病害分析及加固方案的選定
1、建北橋橋臺病害分析
建國北路橋建成于1988年，南接環(huán)城北路，北至朝暉路，橫跨京杭大運河，結(jié)構(gòu)體系為預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)梁，雙箱雙室斷面，橋墩為柱式墩，墩頂設(shè)蓋梁。根據(jù)檢測報告以及現(xiàn)場踏勘，橋臺存在大量的病害，主要表現(xiàn)為：橋臺與臺背擋墻間拉開，擋墻外傾，老橋臺背填土存在不密實現(xiàn)象并可能存在空洞，導(dǎo)致橋臺背路面與路基脫空，損壞加劇路面下陷。這對結(jié)構(gòu)的安全性和使用性造成很大影響，易導(dǎo)致地基擾動和破壞橋臺出現(xiàn)不均勻沉降，臺背路面下陷，橋頭跳車等一系列病害。如果不采取補救措施，因路面滲水造成臺后填土不斷流失，將直接挖空臺下基礎(chǔ)，威脅橋梁安全。
2、加固方案的選定
高壓旋噴注漿是以高壓噴射流直接沖擊破壞土體，漿液與土以半置換或全置換凝固為固結(jié)體的高壓噴射注漿法，從施工方法，加固質(zhì)量到適用范圍，不但與靜壓注漿法有所不同，而且與其他地基處理方法相比，亦有獨到之處。高壓噴射注漿法的主要特征如下：
?。?）適用的范圍較廣。旋噴注漿法以高壓噴射流直接破壞并加固土體，固結(jié)體的質(zhì)量明顯提高。它既可用于工程新建之前，也可用于工程修建之中，特別是用于工程落成之后，顯示出不損壞建筑物的上部結(jié)構(gòu)和不影響運營使用的長處。
?。?）施工簡便。旋噴施工時，只需在土層中鉆一個孔徑為50mm或300mm的小孔，便可在土中噴射成直徑為0.4~4.0m的固結(jié)體，因而能貼近已有建筑物基礎(chǔ)建設(shè)新建筑物。此外能靈活地成型，它既可在鉆孔的全長成柱型固結(jié)體，也可僅作其中一段，如在鉆孔的中間任何部位。
?。?）固結(jié)體形狀可以控制。為滿足工程的需要，在旋噴過程中，可調(diào)整旋噴速度和提升速度，增減噴射壓力，可更換噴嘴孔徑改變流量，使用固結(jié)體成為設(shè)計所需要的形狀。
（4）有較好的耐久性。在一般的軟弱地基加固中，能預(yù)期得到穩(wěn)定的加固效果并有較好的耐久性能可用于永久性工程。
?。?）料源廣闊價格低廉。噴射的漿液是以水泥為主，化學(xué)材料為輔。除了在要求速凝超早強時使用化學(xué)材料以外，一般的地基工程的使用材料廣闊，一般使用價格低廉的425號普通硅酸鹽水泥。若處于地下水流速快或含有腐蝕性元素、土含水量大或固結(jié)強度要求高的場合下，則可根據(jù)工程需要，在水泥中摻入適量的外加劑，以達到速凝、高強、抗凍、耐蝕和漿液不沉淀等效果。此外，還可以在水泥中加入一定數(shù)量的粉煤灰，這不但利用了廢材，又降低了注漿材料的成本。
?。?）漿液集中，流失較少。噴漿時，除一小部分漿液由于采用的噴射參數(shù)不適用等原因，沿著管壁冒出地面外，大部分漿液均聚集在噴射流的破壞范圍內(nèi)，很少出現(xiàn)在土中流竄到很遠地方的現(xiàn)象。
?。?）設(shè)備簡單，管理方便。高壓噴射注漿全套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、機動性強、占地少，能在狹窄和低矮的現(xiàn)場施工。施工管理簡便，二重管噴射過程中，通過對噴射的壓力、吸漿量和冒漿情況的量測，即可間接地了解旋噴的效果和存在的問題，以便及時調(diào)整旋噴參數(shù)或改變工藝，保重固結(jié)質(zhì)量。在多重噴射時，更可以從屏幕上了解空間形狀和尺寸后再以漿材填充之，施工管理十分有效。 生產(chǎn)安全。高壓設(shè)備上有安全閥門或自動停機裝置，當(dāng)壓力超過規(guī)定時，閥門便自動開啟泄?jié){降壓或自動停機，不會因堵孔升壓造成爆破事故。
?。?）無公害。施工時機具的振動很小，噪聲也較低，不會對周圍建筑物帶來振動影響及噪聲、公害，更不存在污染水域、毒化飲用水源的問題。
在幾種加固方法中，大部分在箱形框架背施工困難，還會大范圍破壞箱形框架橋底板，影響其承載力，故不采用。而高壓旋噴注漿法不僅沒有以上缺點，且加固費用低、施工工藝簡單、施工進度快、施工過程中交通運輸可正常進行、加固質(zhì)量和效果可靠等優(yōu)點，故采用高壓旋噴樁方案。
3、橋臺病害處理范圍
臺后填土處理為南北橋臺臺后各8米范圍，寬約23米。形成“U”型結(jié)構(gòu)。
4、加固機理
由于高壓噴射注漿就是利用鉆機鉆孔，把帶有噴嘴的注漿管插至土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液成為20Mpa以上的高壓射流，從噴嘴中噴射出來沖擊破壞土體。當(dāng)能量，速度快呈脈動狀的噴射動壓超過土體結(jié)構(gòu)時，土粒便從土體上剝落下來。部分細小的土料隨著漿液冒出水面，其余土粒在噴射流的沖擊力，離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后，便在土中形成一個固結(jié)體與樁間土一起構(gòu)成復(fù)合地基，從而提高地基承載力，減少地基的變形，達到地基加固的目的。
5、設(shè)計指標(biāo)取值的探討 為了對高壓旋噴樁的施工質(zhì)量進行評價，現(xiàn)場進行了取芯試驗，結(jié)果表明試驗值與設(shè)計值有較大偏差，并根據(jù)試驗結(jié)果對高壓旋噴樁的設(shè)計指標(biāo)的取值進行了探討。 按照設(shè)計要求28天齡期后進行了取芯試驗，試驗結(jié)果顯示靠近人工回填土層與淤泥層交接處（砂石土層）的指標(biāo)在4~5MPa之間，滿足有關(guān)規(guī)程及指標(biāo)的規(guī)范要求。而淤泥層上層抗壓強度指標(biāo)僅為0.2~0.4MPa，大大小于設(shè)計平均抗壓強度2.5MPa。其原因可從以下幾個方面分析： ①場地土層分布特殊（夾層），且淤泥（流塑，貫入擊數(shù)僅為1擊），含水量在60%左右，造成固結(jié)體中含水量偏大，由此造成樁體強度偏低且增長緩慢。 ②二重管法由于在高壓水與空氣流共同作用下破碎土體，可在地基中造成較大的空隙，有利于漿液的填充；一邊旋轉(zhuǎn)、提升，一邊噴射水、氣、漿，使地基中旋噴成直徑較大的旋噴樁（一般1.0~2.0m），但樁體強度一般為0.9~1.2MPa，強度較低。 ③二重管對水壓的要求較高，采用施工水壓確保樁徑，在不采用早強劑或降低水灰比的情況下，使含水量較高的淤泥土層用較短時間完成固結(jié)而達到設(shè)計技術(shù)指標(biāo)是很困難的。 ④相關(guān)資料顯示，同類土（夾層性質(zhì)），經(jīng)旋噴施工后需要70~90天方能達到抗壓技術(shù)指標(biāo)要求，而本工程的僅在28后進行取芯，相對時間明顯過短。 ⑤現(xiàn)行規(guī)程或施工手冊，齡期時間與抗壓強度之間缺少相對應(yīng)的比較值，即28天后開始施鉆取芯，其相對應(yīng)的強度無參照；或有強度要求未有相應(yīng)要求的養(yǎng)護時間。根據(jù)該工程28天齡期的抗壓強度指標(biāo)僅為0.2~0.4MPa，需通過后續(xù)檢測確定淤泥質(zhì)土情況下旋噴樁的最佳齡期。 根據(jù)該工程地質(zhì)情況下對旋噴樁的現(xiàn)場取芯檢測結(jié)果的分析，對于高壓旋噴樁在淤泥質(zhì)土中施工時的技術(shù)指標(biāo)，提出如下建議： ①由于淤泥質(zhì)土含水量高，強度低，因此施噴水壓可適當(dāng)降低，在淤泥質(zhì)土中按規(guī)范30MPa偏大，建議在18~22MPa之間取值。②對地層中含淤泥土夾層情況下高壓旋噴樁的抗壓強度指標(biāo)建議按0.5~1.0MPa考慮。③齡期建議在70~90天之間。
五、結(jié)束語
實踐表明，目前高壓旋噴施工技術(shù)已有了比較廣泛的應(yīng)用，本法對淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑或軟塑性粘性土等地基都有良好的處理效果。高壓旋噴樁施工中各種技術(shù)指標(biāo)的選取是影響工程施工和質(zhì)量的關(guān)鍵。
