某盾构隧道三重管高压旋喷桩施工技术

1、某盾构隧道三重管高压旋喷桩施工技术【摘 要】高压喷射注浆法作为一种常用的地基处理技术，以其设备简单、施工方便、适用于特殊和复杂地基处理、无环境污染等特点而得到广泛应用。结合工程实例，介绍了用三重管高压旋喷桩加固盾构始发及到达区土体的方法，阐述了三重管高压旋喷注浆法的施工工艺，提出了质量控制措施。【关键词】三重管高压旋喷注浆法；加固；施工工艺1、引言 高压喷射注浆法是在化学注浆法的基础上采用高压水射流切割技术而发展起来的。它彻底改变了化学注浆法的浆液配方和工艺措施，改以水泥为主要原料，加固土体质量、可靠性好，具有增加地基强度、提高地基承载力、止水防渗、减少建筑支档土压力、防止砂土液化和降低土的含

2、水量等多种功能。自上世纪70年代以来，高压喷射注浆技术在我国得到较广泛的应用，解决了一批其他施工方法难以解决的工程技术问题1，取得了良好的社会和经济效益。 高压喷射注浆法所形成的固结体形状与喷射流移动方向有关，一般分为旋喷、定喷和摆喷3种形式。旋喷法施工时，喷嘴一面喷射一面旋转并提升，固结体呈圆柱状。主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善土的变形性质，也可组成闭合的帷幕，用于阻挡地下水流和治理流沙。2、工程概况 某盾构隧道设计为两条内径为5.4m的单线隧道，线路里程为RDK0+290.899RDK1+415.727（长1124.828m）、CDK0+294.648CDK1+439.399（

3、长1144.751m），隧道单线总长2269.579m；隧道底板一般埋深在10.8212.35m之间（联络通道与废水泵房合建处埋深在21.29m），采用2台盾构机掘进。根据设计及地质勘察资料，区间隧道通过的最硬岩层单轴极限抗压强度为53.40MPa，线路间距4.813m。3、工程地质、水文地质情况3.1工程地质 根据地质钻探资料，盾构区间端头地层自上而下依次为： 人工填土层:不同地段揭示有种植土、杂填土、素填土等，欠压实，湿稍湿，富水性弱； 2淤泥质粉砂层:呈深灰色、浅灰色、灰黑色等，饱和，松散稍密，分选不均含中细砂，局部夹薄层淤泥质土及粉质粘土，含少量有机质及腐木碎片； 2粉质粘土：呈褐色、

4、浅灰色等，呈可塑状，局部软塑，土质较均匀，粘性较好，局部夹薄层状中细砂，无摇震反应，光泽反应稍光滑，干强度和韧性中等。进行标准贯入试验17次，实测击数412击，平均7.4击；2残积类硬塑状粉质粘土：为白垩系含砾粗砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩、砂岩等风化残积形成，呈棕红色、暗红色等，硬塑状，无摇震反应，光泽反应稍光滑，干强度和韧性中等，遇水软化； 岩石强风化带：主要岩性为含砾粗砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩、砂岩、砾岩等，呈棕红、暗红、褐红色等，原岩组织结构大部分已破坏，结构尚清晰，钙质或泥钙质胶结，节理裂隙很发育，岩质极软，岩芯呈半岩半土状，局部碎块角砾状夹砾岩，锤击易碎，遇水软化。 本工程盾构穿越

5、地层为岩石强风化地层。3.2水文地质 根据区间地质勘察报告，区间地下水按赋存方式主要分为第四系松散孔隙潜水、层状基岩裂隙水（白垩系碎屑岩）。 1）第四系松散层和全风化带中的孔隙潜水 第四系含水地层主要以海陆交互沉积砂层淤泥质砂2及冲洪积砂层2为主，一般潜水较丰富，属弱中等透水地层；根据其赋存条件，一般为潜水特性，局部埋深较大、上覆土层较厚地段具微承压性特点。对于第四系人工填土层，由于其成分复杂，松散，渗透性相对较好；坡残积及全风化岩一般为弱透水性；淤泥和淤泥质土层及冲洪积土层透水性差，一般为相对隔水层。 2）层状基岩裂隙水 基岩裂隙水主要赋存于强、中风化带岩层的基岩裂隙中，基岩裂隙水迳流条件受

6、基岩的裂隙发育程度、填充状态及连通性制约，补给较为稳定，具微承压性质。红层基岩裂隙以风化节理裂隙为主，多呈闭合微张状，且裂隙多被泥质填充。一般而言，地下水在基岩中的赋存量较小，迳流条件差，透水性弱。但基岩的裂隙发育程度不一，其富水性和透水性存在明显的差异，局部裂隙发育且连通性较好地段，仍有地下水富集的可能。 根据该出入段线详细勘察阶段岩土工程勘察报告对地下水的腐蚀性评价结果，勘区内地下水水质对混凝土结构均不具腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。4、加固方案设计根据各端头地质条件、地表环境和端头地层受其他因素影响情况，参考同类工程的施工经验，本盾构区间位于典型的上软下

7、硬不利地层，需要对该段工程稳定性较差的盾构始发井端头和到达井端头地层进行加固。4.1加固原则 1）洞门破除后能有效抵挡洞门处的水土压力，保证地层稳定和施工安全； 2）能有效封堵洞门围护结构侧渗水，以防端头地层发生坍塌或涌漏水； 3）确保盾构机进出洞安全和洞门破除的安全。4.2加固方法选择 端头加固的施工方法很多，根据不同地质情况，软土地层多用搅拌桩（双轴搅拌、三轴搅拌）、高压旋喷桩（单重管、双重管或三重管）、SMW、注浆、冻结等23工法。工法选择不当，会使加固效果达不到设计要求，不仅会造成外部水土流失、坍塌等风险，还将导致工程造价成倍增加。 静压注浆法要达到较好的效果就必须采用化学浆液，但强度

8、仍然较低，整体性差，成本较高；冻结法对周边环境影响较大，且工期较长，成本较高。根据本场地的特点及施工条件限制，由于加固范围主要为淤泥，淤泥富含水，采用旋喷桩施工效果相对较好。旋喷工艺采用成桩直径较大的三重管旋喷法，以减少孔数和旋喷工作量，降低成本。4.3加固设计 桩径1000mm，采用42.5R普通硅酸盐水泥配浆，水泥掺入量为250kg/m3，粘土粉50kg/m3，浆液水灰比为1.0，喷浆压力大于25MPa，要求在岩面停留注浆1020s，以填满接触面缝隙，桩端进入不透水层1m。本场地端头加固共配置2台旋喷桩机进行施工。5、三重管高压旋喷桩施工5.1施工原理 旋喷法施工4是利用钻机把带有特殊喷嘴

9、的注浆管钻进至地层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内的土体遭受破坏。与此同时，钻杆一面以一定的速度（20r/min）旋转，一面低速（1530cm/min）徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后即在地基中形成直径比较均匀、具有一定强度（0.58.0MPa）的桩体，从而使地层得到加固。 三重管是以三根互不相通的管子，按直径大小在同一轴线上重合套在一起，用于向土体内分别压入水、气和浆液。其中内管由泥浆泵压送2MPa左右的浆液；中管由高压泵压送20MPa左右的高压水；外管由空压机压送0.5MPa以上的

10、压缩空气；空气喷嘴套在高压水嘴外，在同一圆心上。三重管由回转器、连接管和喷头三部分组成。5.2施工工艺 1）旋喷法施工工艺流程如图1所示。具体包括：振动沉桩机就位，放桩靴，立套管，安振动锤；套管沉入设计深度；拔起一段套管，卸上段套管，使下段露出地面（使h大于要求的旋喷长度）；套管中插入三重管，边旋、边喷、边提升；自动提升旋喷管；拔出旋喷管与套管，下部形成圆柱喷射桩加固体。 2）施工前先进行场地平整，挖好排浆沟，将钻机定位。 3）预先用钻机或振动打桩机钻成直径150200mm的孔，然后将三重注浆管插入孔内，按旋喷工艺要求，由下而上喷射注浆，注浆管分段提升的搭接长度不得小于100mm。 4）在插入

11、旋喷管前先检查高压水与空气喷射情况，各部位密封圈是否封闭；插入后先做高压水射水试验，合格后方可喷射浆液。如因塌孔插入困难时，可用低压水（0.12MPa）冲孔，但须把高压水喷嘴用塑料布包裹，以免泥土堵塞。 5）喷嘴直径、提升速度、旋喷速度、喷射压力、排量等旋喷参数见表15。具体参数根据现场试验确定。 6）开始时，先送高压水，再送水泥浆和压缩空气。一般情况下，压缩空气可晚送30s，然后再进行边旋转、边提升、边喷射作业。 7）喷射时，应先达到预定的喷射压力、喷浆量后再逐渐提升注浆管。中间发生故障时，应停止提升和旋喷，以防柱体中断，同时立即进行检查排除故障；如发现有浆液喷射不足，影响桩体的直径时，应进

12、行复核。 8）在旋喷过程中，冒浆量应控制在10%25%之间。 9）喷到桩高后应迅速拔出注浆管，用清水冲洗管路，防止凝固堵塞。相邻两桩之间的施工间隔时间应不小于48h，间距应不大于46m。5.3机械设备 旋喷法施工主要机具设备包括：高压泵、XJ100型振动钻机、污水泵自循环式的搅拌罐、SA5150W空压机（20m3/min）、旋喷管和高压胶管等；辅助设备包括操纵控制系统、高压管路系统、材料储存系统以及各种管材、阀门、接头及安全设施等。5.4材料要求 旋喷使用的水泥应新鲜无结块，浆液水灰比为11。稠度要合适，水泥掺入量为250kg/m3，粘土粉为50kg/m3；为消除离析，加入0.9%的纯碱。浆液

13、宜在旋喷前lh以内配制，使用时滤去硬块、砂石等，以免堵塞管路和喷嘴。5.5桩喷浆量计算 桩喷浆量Q可按下式4计算： 式中H旋喷长度（m）； v旋喷管提升速度（m/min）； q泵的排浆量（L/min）； 浆液损失系数，一般取0.10.2。6、施工质量控制及技术要点6.1水泥用量控制 在喷浆提升过程中，控制水泥用量是关键。水泥用量与喷浆压力、喷嘴直径、提升速度及水灰比等有直接关系，具体控制方法如下： 1）若水泥量剩余，措施包括：适当增加喷浆压力；加大喷嘴直径；减慢提升速度。 2）若水泥量不够，措施包括：在保证桩径的情况下适当减少压力；适当减小喷嘴直径；适当加快提升速度。6.2冒浆处理 在旋喷过程

14、中，往往有一定数量的土颗粒随着一部分浆液沿着注浆管管壁冒出地面。通过对冒浆的观察，可以及时了解土层状况，判断旋喷施工的大致效果和断定参数合理性等。根据经验，冒浆（内有土粒、水及浆液）量超过25%或完全不冒浆时，应查明原因，并及时采取措施。 1）流量不变而压力突然下降时，应检查泄漏情况；必要时拔出注浆管，检查其密封性能。 2）出现不冒浆或断续冒浆时，如为土质松软则视为正常现象，可适当地进行加强复喷；如为附近有空洞、暗道，则应不提升注浆管，继续注浆直至冒浆为止；或拔出注浆管待浆液凝固后，重新注浆直至冒浆为止；必要时采用速凝浆液，便于浆液在注浆管附近凝固。 3）冒浆量过大的主要原因，一般是注浆机有效

15、喷射半径与成桩不匹配，注浆量大大超过旋喷固结所需的浆量所致，宜采取的措施为：提高旋喷压力（喷浆量不变）；适当缩小喷嘴直径（旋喷压力不变）；加快提升和旋转速度。6.3施工技术要点 1）根据地层情况选择合理的施工参数。 2）喷射注浆时要注意设备的开动顺序。 3）要求钻机安放平稳，钻杆保持垂直，其倾斜度不得大于1.5%。 4）钻孔前需复核孔位，误差不得大于510cm，钻孔的垂直度必须等于或小于设计要求。7、质量检测及评价 1）抗渗情况。高压旋喷桩的桩体渗透系数通过室内常水头试验测定。通过试验，加固体的渗透系数达到1.0107cm/s，符合设计要求。 2）钻取旋喷桩坚固体的岩芯。在加固体中钻取岩芯，以观察判断其固结整体性和均匀性。检测结果表明，取芯率相对较高、岩芯较完整、强度高，符合设计要求。 3）旋喷深度、直径、抗压强度和透水性均符合要求。8、结语 该工程采用三重管高压旋喷桩加固洞门，使土体稳定性得到了明显提高，洞周塑性区范围明显减少，取得了较好的加固效果，保证了施工安全。此外，三管旋喷法还可回收利用一部分冒出的浆液，既降低了搬运成本又无污染，说明高压旋