高壓旋噴樁施工工藝在橋臺(tái)加固工程的應(yīng)用
2015-08-17
一、引言
近年來，國(guó)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(jìn)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(shí)噴射，來破壞土層結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(jìn)行置換、填充。 本文探討的建北橋橋臺(tái)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(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)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(dòng)、破壞土體，同時(shí)鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個(gè)圓柱狀固結(jié)體（即旋噴樁），以達(dá)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：?jiǎn)螌訃娚涔埽瑑H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(shí)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(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(dá)2m。
4工藝流程
二、建北橋橋臺(tái)病害分析及加固方案的選定
1、建北橋橋臺(tái)病害分析
建國(guó)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(yùn)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(cè)報(bào)告以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，橋臺(tái)存在大量的病害，主要表現(xiàn)為：橋臺(tái)與臺(tái)背擋墻間拉開，擋墻外傾，老橋臺(tái)背填土存在不密實(shí)現(xiàn)象并可能存在空洞，導(dǎo)致橋臺(tái)背路面與路基脫空，損壞加劇路面下陷。這對(duì)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(dòng)和破壞橋臺(tái)出現(xiàn)不均勻沉降，臺(tái)背路面下陷，橋頭跳車等一系列病害。如果不采取補(bǔ)救措施，因路面滲水造成臺(tái)后填土不斷流失，將直接挖空臺(tái)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(dú)到之處。高壓噴射注漿法的主要特征如下：
（1）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(yùn)營(yíng)使用的長(zhǎng)處。
?。?）施工簡(jiǎn)便。旋噴施工時(shí)，只需在土層中鉆一個(gè)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(zhǎng)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(jì)所需要的形狀。
?。?）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。
（5）料源廣闊價(jià)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(qiáng)時(shí)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(jià)格低廉的425號(hào)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(qiáng)度要求高的場(chǎng)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(dá)到速凝、高強(qiáng)、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。
（6）漿液集中，流失較少。噴漿時(shí)，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(yuǎn)地方的現(xiàn)象。
（7）設(shè)備簡(jiǎn)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(jī)動(dòng)性強(qiáng)、占地少，能在狹窄和低矮的現(xiàn)場(chǎng)施工。施工管理簡(jiǎn)便，二重管噴射過程中，通過對(duì)噴射的壓力、吸漿量和冒漿情況的量測(cè)，即可間接地了解旋噴的效果和存在的問題，以便及時(shí)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(shí)，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(dòng)停機(jī)裝置，當(dāng)壓力超過規(guī)定時(shí)，閥門便自動(dòng)開啟泄?jié){降壓或自動(dòng)停機(jī)，不會(huì)因堵孔升壓造成爆破事故。
?。?）無公害。施工時(shí)機(jī)具的振動(dòng)很小，噪聲也較低，不會(huì)對(duì)周圍建筑物帶來振動(dòng)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(huì)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(diǎn)，且加固費(fèi)用低、施工工藝簡(jiǎn)單、施工進(jìn)度快、施工過程中交通運(yùn)輸可正常進(jìn)行、加固質(zhì)量和效果可靠等優(yōu)點(diǎn)，故采用高壓旋噴樁方案。
3、橋臺(tái)病害處理范圍
臺(tái)后填土處理為南北橋臺(tái)臺(tái)后各8米范圍，寬約23米。形成“U”型結(jié)構(gòu)。
4、加固機(jī)理
由于高壓噴射注漿就是利用鉆機(jī)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(dòng)狀的噴射動(dòng)壓超過土體結(jié)構(gòu)時(shí)，土粒便從土體上剝落下來。部分細(xì)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(gè)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(dá)到地基加固的目的。
5、設(shè)計(jì)指標(biāo)取值的探討 為了對(duì)高壓旋噴樁的施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了取芯試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值有較大偏差，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)高壓旋噴樁的設(shè)計(jì)指標(biāo)的取值進(jìn)行了探討。 按照設(shè)計(jì)要求28天齡期后進(jìn)行了取芯試驗(yàn)，試驗(yàn)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(qiáng)度指標(biāo)僅為0.2~0.4MPa，大大小于設(shè)計(jì)平均抗壓強(qiáng)度2.5MPa。其原因可從以下幾個(gè)方面分析： ①場(chǎng)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(qiáng)度偏低且增長(zhǎng)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(qiáng)度一般為0.9~1.2MPa，強(qiáng)度較低。 ③二重管對(duì)水壓的要求較高，采用施工水壓確保樁徑，在不采用早強(qiáng)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(shí)間完成固結(jié)而達(dá)到設(shè)計(jì)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(dá)到抗壓技術(shù)指標(biāo)要求，而本工程的僅在28后進(jìn)行取芯，相對(duì)時(shí)間明顯過短。 ⑤現(xiàn)行規(guī)程或施工手冊(cè)，齡期時(shí)間與抗壓強(qiáng)度之間缺少相對(duì)應(yīng)的比較值，即28天后開始施鉆取芯，其相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度無參照；或有強(qiáng)度要求未有相應(yīng)要求的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。根據(jù)該工程28天齡期的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)僅為0.2~0.4MPa，需通過后續(xù)檢測(cè)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(duì)旋噴樁的現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)結(jié)果的分析，對(duì)于高壓旋噴樁在淤泥質(zhì)土中施工時(shí)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(qiáng)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(duì)地層中含淤泥土夾層情況下高壓旋噴樁的抗壓強(qiáng)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(yǔ)
實(shí)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(duì)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。
