三重管高压喷射注浆技术参数的选择

1、三重管高压喷射注浆技术参数的选择刘宝亨【提要】三重管高压喷射注浆技术参数分为设计工程参数和施工技术参数 两类，文中探讨了各项设计工程参数的实质及各项施工技术参数的关系，分析了 各项技术参数对高压喷射工程质量、成本的影响，提出了选择各项技术参数的方 法。【关键词】高压喷射注浆 三重管法 旋喷桩Abstract】 Technical parameters for high pressure jet grouting by triple tube are classified into 2 categories:parameters for designing and parameters for

2、construction. Properties of all those parameters and relationship among them are discussed. The influence of those parameters on the quality and cost of project are analyzed. Ways to select those technical parameters are proposed.Key words 】 high pressure jet grouting triple tube method spiral jet p

3、ile1前言高压喷射注浆（简称高喷）技术从70年代中后期在我国试验和应用成功以 来，已在软弱地基加固、水利工程防渗、矿山井巷加固与防渗等方面得到越来越 多的应用。近几年在上海、广州、武汉等大城市，随着地铁建设和众多高层建筑 的崛起，不少深基坑工程都采用了高喷技术来处理深基坑的止水防渗问题。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；而三重管则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。高压喷射注浆的效果，不仅与地质条件有关，而且更与施工

4、所采用的高喷技 术参数和施工工艺有关。特别是三重管高压喷射注浆，施工工艺复杂，技术参数 多，参数之间相互关联，必须正确选择这些参数，才能保证高喷工程的质量。三重管高压喷射注浆的参数可分为两类，一类是根据工程设计需要确定的工 程参数，包括旋喷桩直径、桩体抗压强度和渗透系数，以及据此确定的浆液配方、 水灰比和浆液用量；另一类是高喷施工的技术参数，包括高压水、压缩空气、浆 液三种工作介质的压力、流量、喷咀直径和注浆管的提升速度、旋转速度，以及 回浆的数量、比重等。施工技术参数应根据设计工程参数选定，施工各种设备的 性能、规格应满足施工技术参数的要求。若施工设备已定型，则应根据设备性能 调整施工技术参

5、数，但调整后的技术参数必须满足已确定的各项工程参数的要 求。然而目前在三重管高喷工程实践中，对各项技术参数的选择和应用还时有未 尽合理的情况；有些标准、手册中部份规定的有关应用条件不够明确，都可能影 响到高喷工程的质量和成本；也有时由于建设、设计和施工单位对标准的不同理 解而产生争执。因此探讨各项参数的实质及相互关系，明确选择参数的方法是必 要的。2高喷工程参数的选择旋喷桩与深层搅拌桩或钻孔灌注桩等机械成型的桩有很大不同，确定高喷工 程参数，必须注意到旋喷桩的以下特点：旋喷桩是以水、气、浆液作为工作介质，切割和搅拌土体形成的水泥土 固结桩体；旋喷桩的横截面常常不是规则的“圆形”，其截面大小随土

6、质的不同和 工作技术条件的不同，沿桩身常有较大变化；旋喷桩横截面的结构是不均匀的，一般呈环形构造，如图1；图1旋喷桩横载面结构各构造部份也常因土质的不均匀及施工设备工作状态的不稳定，形成不 均匀结构，尤其是在杂填土及粘性土地层中较明显。2.1旋喷桩直径旋喷桩直径是十分重要的工程参数，直接关系到桩的承载力和工程数量计 算，在防渗帷幕设计中，关系到桩间距离和排间距离的选择。但由于旋喷桩的特 点，它不是一个标准的圆形，因此应考虑以下条件选定旋喷桩直径(D)：D相当于旋喷桩有效横载面面积S的圆的直径,参见图1；旋喷桩有效横截面积，一般应以浆液部分与搅拌混合部份的面积和 为准，而把压缩部份与渗透部份作为

7、安全储备；因地层不同沿桩身不同深度的横截面积常有变化，应根据设计旋喷桩的 用途，如地基处理、边坡支护、止水防渗等，选用起主要作用的地层段的有效横 截面积，若起主要作用的地层段不只一个，应取横截面积较小的；设计旋喷桩直径应以现场试验取得的数据为准，在未取得试验数据前， 可根据经验选用旋喷桩直径先行设计，但最终仍应以现场试验数据来修改设计。2.2旋喷桩固结体的抗压强度旋喷桩结构的不均匀性，直接表现为不同构造部份具有不同的抗压强度，通 常搅拌混合部份最高，渗透部份强度最低，其强度有时可以相差数倍，甚至数十 倍。例如在粉砂地层中形成的旋喷桩，其搅拌混合部份抗压强度可达1015 MPa， 而渗透部份只有

8、12MPa，或更低。鉴于旋喷桩的不均匀性，选用旋喷桩桩体的 抗压强度，一般应以有效横截面内的结石体的平均强度为准。在砂性地层中，旋 喷桩的渗透部份有时可以达到较大范围，作为防渗帷幕应用时，其有效横截面有 时可以包括一定的渗透部份，这样帷幕旋喷桩的平均强度将较低。实际上水平帷 幕抗渗设计，主要考虑了帷幕重度与地下水浮力的平衡，与帷幕强度关系不大， 因此帷幕仅起抗渗作用时，其抗压强度可以较低。旋喷桩固结体的强度决定于原土体的岩性、水泥含量及水泥标号，并与地层 含水量、温度及成桩龄期有关。一般砂质土固结体90d龄期的抗压强度约35MPa, 最高可达1015MPa，而渗透部份只有12MPa；粘性土固结

9、体抗压强度约0.7 2MPa，最高可达57MPa。水泥土强度在地下自然状态下增长较慢，特别是初期强度很低。武汉阳光大 厦旋喷桩工程在成桩3050d后共钻探31孔，对在粉砂层和杂填土中的旋喷桩 固结体进行质量检验，只有1/3的岩芯已经固结，其余岩芯从钻孔中取出时尚处 于硬塑状态。送室内做抗压试验岩样103个，抗压强度5MPa的有19个，占21%， 最高强度达11.7MPa； 15MPa的有32个，占31%； nX10-5cm/s，实际上多数为nX10-ecm/s级，有相当一部份可达10-7cm/s级。 因此用高喷技术建造止水帷幕，是深基坑或其它防渗工程的一种十分适用的技 术。尤其在基坑支护桩之间

10、，以旋喷桩或摆喷桩填塞桩间空隙，使与支护桩搭接 成结合型防渗帷幕，由于旋喷桩在成桩过程中是柔软的，因此可以很严密地与支 护桩搭接，形成防渗性很好的帷幕。上节中阳光大厦旋喷桩固结体28d龄期的抗压强度虽然偏低,但其抗渗试验 结果仍然很好。在室内抗渗试验的34个岩样中，其渗透系数KnX10-7cm/s的有 11 个，占 32%； K=nX10-6cm/s 有 19 个，占 56%； K=nX10-5cm/s 的有 4 个，占 12%。 实际上由于这批岩样从钻孔中取出后，没有采取原状保湿和养护处理，在空气中 暴露57d后岩样产生大量风干裂缝，试样的强度和抗渗性均有损失，因此旋喷 桩固结体在地下的实际

11、抗渗性能应比试样试验结果要好。2.4水泥浆液和水泥用量水泥浆液和水泥用量不仅关系到高压喷射工程的质量，而且决定着工程造 价。高喷工程的材料费(主要是水泥费)占全部工程直接费的3/4,极大影响工程 造价,因此必须准确计算水泥和水泥浆液用量。现行的一些行业标准和工程手册中，大多规定旋喷浆液用量可分别按体积法 和喷量法计算，并取其大者。笔者认为这项规定有些欠妥。因为体积法和喷量 法代表两种不同的概念，体积法是根据设计旋喷桩的体积计算的，是工程设计的 客观需要；而喷量法是根据施工的技术条件(提升速度v和单位时间喷射浆液量 q)计算的，可人为主观设定。显然设计应以客观需要为准，因此应按式(1)的体 积法

12、计算单桩浆液用量Q，并据此推求其它各项技术参数。式中各项符号的意义见参考文献1 第15页。配制1m3浆液所需的水泥用量和水量为：Gc=/ c/(1+a y c)(2)Gw=a.Gc式中G 十水泥重量(t)； G 水量(t)； y 水泥相对密度，可取Y c=3.053.20;a设计浆液水灰比(水与水泥的重量比)。3施工技术参数的选择3.1高压水的压力、流量及喷咀内径三重管高压喷射注浆，主要是靠高压射水切割、破坏土体，成桩直径的大小 和成桩质量，与高压水的工作状态有密切关系。射流对土体的破坏力?与射流介质的密度p、流量Q及射流速度V成正比， 即F广p QV又Q=SV.F =p SV2p可见，实际上

13、射流对土体的破坏力与射流速度的平方成正比。而流速V又决 定于水泵施加的压力，水的压力越大，射流破坏力越大，射程越远，成桩直径越 大。从流体力学知道，喷射压力P可按式(5)计算：式中各项符号的意义见参考文献2第245页。其中喷量q通常由高压水泵的性能规格决定，多以其额定流量工作。 这样要使射水压力满足设计要求，关键的技术条件在于喷咀出口内径的 选择。表1为在不同压力、流量条件下，标准圆锥形喷咀出口内径计算 值。高压水喷咀内径(mm)表1压力(MPa) 喷咀个数 流量(L/min)203040121212803.032.152.741.942.551.801003.392.403.072.172.

14、852.021203.742.633.362.373.132.21从式(5)和表1可见,喷头的喷咀内径对高喷工作条件影响很大，喷 射压力与喷咀内径的4次方成反比,在流量一定时，喷咀内径0.2mm的 变化，可以引起喷射压力10MPa左右的变化。因此，高喷施工应根据工作 条件准确选择喷咀规格，并在施工过程中经常检查喷咀的磨耗情况和是 否畅通。3.2高压空气的压力和流量三重管法在环境高压水射流外围，同时喷射高压空气，使高压水的 轴动压力衰减及扩散率变缓，增大了射流核及迁移段的长度，扩展了射 流切割土体的范围，而且水、气同时作用于土体，增强了破坏土体的能 力。高压空气的压力一般选用0.7MPa，风量1

15、2m3/min。3.3浆液压力、流量和比重浆液压力、流量、浆咀内径通过喷射浆液，使与被高压射水破坏松散了的土体搅拌混合，并充 填被高压气、水携出孔外的土体所遗留的空隙(置换)，是三重管建造旋 喷桩的基本方法。目前浆液的喷射有二种方式，一种是向下喷射方式， 另一种是水平喷射方式(垂直注浆管喷射方式)，参见图2。我国水利系 统的一部份高喷设备采用向下喷射方式，其喷咀位于喷头底面，由三个 内径1014mm的喷咀组成。图2浆液喷射方式业内多数人士认为，水平喷射方式通过适当提高浆液喷射压力，不 仅有助于浆液与土体的搅拌混合，而且可以对土体进行二次切割破坏， 有利于扩大旋喷桩直径和提高搅拌均匀程度。水平喷

16、射方式采用标准锥 形喷咀，喷咀位置在高压水咀下方1020cm处。浆液喷射压力、流量和 喷咀内径之间的关系亦应按式(5)确定。其中浆液流量是一项关键参数， 它不仅与注浆压力及喷咀内径有关，而且必须与旋喷桩直径及注浆管提 升速度相适应。一般旋喷桩直径越大，单位时间的浆液流量也要越大， 但为了防止因注浆管提升速度过快，造成旋喷桩直径偏小，施工中多采 用注浆量较小的注浆泵(80150L/min)，这样在浆咀内径一定时，注浆 压力也较小。注浆压力在三重管工艺中是一项次要参数，在成桩直径不 太大时(1800mm)，浆液主要靠高压射水的水平向扰动力运动，注浆压力 可以较低。这一点与单重管及二重管高喷有很大不

17、同。采用水平喷射方 式工作时,注浆压力多为0.52.0MPa，与之相应的浆咀内径列于表2。标准锥形浆咀内径表2压力(MPa) 喷咀个数 流量(L/min)0.512121212808.586.067.225.106.074.2912010.57.438.826.357.435.2615011.88.319.886.998.315.88(2 )进浆比重进浆的浆液比重是控制浆液水灰比的重要参数，普通水泥的相对密 度一般为3.053.20，不同水灰比的水泥浆液比重及材料用量列于表3。水泥浆液比重及材料用量表3水灰比浆液比重每m3浆液的 水泥用量(t)每m3浆液的 水用量(m3)0.501.80 1.

18、851.20 1.230.60 0.620.751.63 1.650.93 0.940.70 0.711.001.50 1.520.750.760.750.761.251.42 1.440.63 0.640.79 0.801.501.370.550.82浆液搅拌机有二种形式，一种是固定容积的立式搅拌机，另一种是 可以连续作业的卧式搅拌机。立式搅拌机构造简单，容积固定，便于准 确配制规定水灰比的浆液，但需同时配备23台搅拌机轮流制浆。卧式 搅拌机必须不间断地配制浆液，在人工加灰的情况下，浆液水灰比不容 易保持稳定，要有经验的工人操作。而且必须经常检测浆液比重，通常 应每510min检测一次，比重

19、误差应0.1。(3)回浆比重与回浆量三重管法由于喷射介质除水泥浆液外还有水和气，因此回浆成份将 包括被置换的土、部份水泥浆液和水。其回浆比重和回浆量决定于土的 置换率、单位时间内水的喷量和浆液喷量、浆液水灰比。在正常情况下 三重管回浆比重的测算值列于表4。三重管法回浆比重测算值表4浆流量(L/min) 水灰比水 流量(L/min)801201500.751.001.500.751.001.500.751.001.50801.381.371.361.461.451.431.491.481.471201.311.301.291.381.371.361.431.411.401501.271.261.

20、251.341.331.321.381.371.36由于实际工作状态的复杂,影响回浆比重和回浆量的因素较多，因此实际回浆比 重较测算值常有一定出入，经验表明其误差范围应0.1 o例如武汉阳光大厦高喷工 程抽样100根旋喷桩的统计数据，其水流量75 L/min,浆流量80 L/min,进浆比重实测 平均值1.63，回浆比重测算值为1.395;而回浆比重的实测平均值为1.39,其中1.49的 有4个数据，均与其对应的进浆比重过高有关,1.29的有2个数据(均为1.28)o这组 数据表明，回浆比重的测算值与实测平均值是很接近的。回浆比重是反映高喷状态的一项重要指标，施工中必须经常检测，一般应每510

21、min或每1延米旋喷检测一次。若发现回浆比重与测算值有较大出入时，应 查明原因处理。通常回浆比重过低，有可能反映高喷置换率偏低，成桩质量差，或 进浆水灰比过低、喷浆量过小；回浆比重过高，有可能反映成桩直径偏小，或进浆 水灰比过高、高压射水流量过小。回浆量的估计也因影响因素多很难估算精确，正常情况下约为水流量与浆流量 之和的80%90%。以武汉阳光大厦高喷工程为例，共用水泥浆液约2x104m3，高 压水约2.2x104m3；从回浆池中排出浆渣和稠浆约1.6x104m3,排放沉淀的清水约 2x104m3，总排出量为用浆用水量之和的86%。回浆量过少甚至不回浆时，一般是 存在漏浆地层，如地层中存在空

22、洞、地下管道或疏松的杂填土层等，应查明原因。3.4注浆管提升速度提升速度应根据旋喷桩设计直径和所选用的注浆泵的流量按式(6)确定式中V 注浆管提升速度(m/min) ； q单位时间的注浆量(m3/min) ； D设计旋喷桩直径(m) ； K 填充率，可取0.750.9； 8 损失系数，可取0.1 0.2 ；其它符号意义参见式(1)。式(6)表明，注浆管提升速度与单位时间的注浆量成正比，所采用的注浆泵 流量越大时，提升速度应相应提高；提升速度与旋喷桩直径的平方成反比，所以 旋喷桩直径对提升速度有更大影响。由于提升速度与成桩质量、成桩直径、工作 效率和工程成本都有密切关系，因此应根据式(6 )准确

23、选定。实际提升速度与计 算提升速度的误差不宜超过10%。应当说明的是，式(6)仅仅从在一定填充率条件下成桩所需浆液量出发计算 的提升速度,而提升速度还影响到三重管工作介质对土体作用的时间，即影响到 对土体的破坏能力和成桩直径的大小。试验表明，提升速度越快，旋喷成桩直径越小。因此确定提升速度时，除应 符合式(6)的关系外，还应考虑提升速度对成桩直径的影响及有关技术参数之间 的相互关系。例如旋喷桩设计直径为1.5m，若仍以上述试验的各项技术参数施 工，因水泥浆流量为200 L/min，按式(6)计算其提升速度为12 cm/min，在N=10 的砂土中的成桩直径只有1.2m，不能满足设计要求，因此应采取措施降低注浆 流量，可将注浆量调整为100 L/min，使提升速度降至6cm/min，这样才能使提 升速度即满足式(6)又满足成桩直径的要求。3.5注浆管旋转速度注浆管旋转速度与成桩直径的关系，一般来说，旋转速度越快，工作介质对 土体作用时