高压旋喷桩加固软土地基施工工法

高压旋喷桩加固软土地基施工工法直属三项目周可超1．前言随着我国交通基础设施建设的迅速发展，旋喷注浆作为一种基础形式以其多用途，加固地基的质量可靠，可以不影响既有建筑物正常使用功能，能在狭窄和较低矮的现场贴近建筑物施工，逐渐成为我国常用的地基处理方法之一。北京铁建公司承建的南仓疏解区工程，城际上联DK108+164～350段软土地基处理施工区域东西两侧邻近既有线。在如此狭小而且重要的位置施工成为制约工程进度的一个技术难题。结合现场实际情况与以往基地加固的经验，我们对高压旋喷桩的施工工艺进行了一定的探索和改进，既满足了施工质量的要求，又确保了邻近既有线的运营安全，取得了很好的社会效益和经济效益。2．工程特点2.1高压喷射注浆法可适用多种地质，如填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、以及含有部分卵石、碎石的地层。2.2旋喷钻机拥有自行底盘，可以自主移动机位，施工连贯性好。2.3施工作业范围小，可多台机械在工作面狭窄地域同时施工。2.4可通过调整设备施工参数来满足不同施工区域、不同施工要求的目的。3．适用范围地质复杂，作业面狭窄的地域。适用于公路、铁路、及房建结构物的基础施工，是处理软土地基的一种行之有效的方法。4．工艺原理高压喷射注浆法又称旋喷法，是利用钻机把带有喷嘴的注浆管置入预定土层深度，通过高压设备使浆液或水成为20～40Mpa的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体。当能量大，速度快和呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土颗粒被切开，一部分细小的土颗粒随着浆液冒出地面，其余土颗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和质量大小有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体（如图4.1）。其成桩机理包括射流的冲动掺搅、升扬置换、充填挤压和渗透凝结四个过程。该方法主要用于加固地基，提高地基承载力和抗剪强度，改善土体的变形性质，使其在上构荷载直接作用下不产生破坏或过大的变形。图4.1复合地基示意图5．施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程(见图5.1)施工准备施工准备桩位放样钻机就位开启高压泵高压水泵钻进开启送浆泵旋转提升喷浆清洗、移位浆液拌制图5.1旋喷桩施工工艺流程图5.2操作要点5.21.施工准备⑴.技术准备:按照施工设计图纸的要求，核算工程量，编制施工方案。对参与施工的人员进行安全教育及施工技术交底。对施工区域进行技术摸底，包括：原地面标高；邻近建筑物、线路与施工区域的位置关系。⑵.场地平整和施工便道：平整施工场地，清除杂草、浮土。合理布置施工便道，可及时的供应物资和保持场地平整干净。⑶.试验检验：完成原材料的检验和泥浆配比的实验，初步确定施工设备参数。2.桩位放样首先结合图纸及现场情况进行布桩，分区，编号。然后测量放样出旋喷桩施工区域边界桩，根据边界桩以及图纸放出其他桩位，并用短竹棍和白灰标示。3.钻机就位钻机就位后，钻头对准桩位中心，用水平尺校正钻机使钻杆垂直；然后将钻机调整稳定，防止钻机移位，偏离桩位中心。4.开启高压水泵钻进钻机校正固定，钻头对中后，开启空压机，低压水泵，高压水泵，待正常运转后，向孔内送气送水，同时缓缓下沉钻杆钻进成孔，直至设计深度。钻杆长度需提前确定，以保证桩顶标和桩底标高。5.制备水泥浆液水泥浆液制备与钻孔同时进行，随配随用，浆液的水泥、水及掺加剂必须按室内试验和现场试桩确定的配合比严格计量，采用制浆机均匀拌制。浆液在搅拌机内搅拌时间不小于五分钟。单桩水泥浆液用量按下面两个公式计算：⑴.按体积法计算：(式5.2.⑵.按喷量法计算：(式5.2.式中:—旋喷浆液用量(m3)；—桩体直径(m)；—填充率，取0.75～0.90；—桩长(m)，从地面计算；—损失系数，可选用0.1～0.3；—提升速度(m/min)；—单位时间喷射浆液量(m3/min)；拌制好的水泥浆液必须经过严格过滤，除去硬块、砂石等，以免堵塞管路和喷嘴。制备好的浆液在旋喷过程中必须连续不停的搅拌，防止沉淀。6.提升钻杆、旋转喷浆待成孔到设计深度，浆拌制好水泥浆液倾入集料斗，将低压泵由送水改为送浆开启送浆泵送浆，为保证桩低有足够的水泥浆量，应停喷30秒种，然后边旋转边提升，旋转速度和提升速度都按照设计规范要求进行，直至设计桩顶标高为止。7.清洗、移位喷浆成桩结束后，提出钻杆，同时用清水清洗送浆泵，钻杆及输浆管道等，然后移位至新孔位作业。8.泥浆处理：现场砌筑或开挖泥浆池，泥浆外运。5.2.2通过试验桩的施工，在各施工参数设计范围内进行调试，最终确定在现场土质情况下的正式施工参数。通常各主要技术参数范围如下：1.旋喷桩注浆压力一般软土地基加固按注浆管类型分为单管法、二重管法、三管管法及多重管法。其压力常用20～40Mpa。2.喷射提升速度⑴对软土地基进行加固处理，采用20～25cm·min-1。⑵在既有建筑物地基加固注浆时采用20cm·min-1。⑶在对桩基缺陷进行加固补强注浆时采用10～15cm·min-1。3.喷射旋转速度：20～30r·min-1。4.浆液水灰比：旋喷注浆时采用1：1～1.5:1。5.2.1.钻入过程中，由于钻杆遇到地下硬物而导致机身有明显的移位，需停止施工，重新调整机身确保钻杆垂直，位置准确，然后恢复施工。2.成桩过程中因故停止，应将注浆管下沉至断浆面以下0.5m处，待恢复喷浆时再喷浆提升。若停机超过3小时，应拆卸输浆管路，清洗干净，在原桩位旁边补桩。3.再注浆过程中出现压力骤然上升或下降、大量冒浆等异常情况时，应及时停止提升和注浆，以防段桩。4.提升过程中，如出现钻杆或钻头脱落，应及时将剩于部分提出，再旁边进行补桩。5.2.1.邻近既有线施工⑴．监测技术与分析①.确保工程质量是施工的关键，确保工程建设安全是施工的前提，对临近施工区域的既有线路的保护，及时测量各时间段的各种数据，并进行计算值比较，及时反馈指导施工。②.施工之前，于邻近线路的轨枕上每20米③.用道尺测出钢轨超高，用石笔标注于钢轨内侧，施工期间定时进行观测。⑵.施工要点①.对桩位的施工顺序进行调整，白天施工临近既有线的两排桩，晚上施工中间区域的桩位。一是可以做到施工时准确检测邻近线路；二是可以保证机械施工的连续性。②.对邻近既有线的桩位施工时，将喷嘴压力减小，可以有效的控制喷浆过程引起的土体鼓胀，对邻近既有线造成威胁。③.减小压力的同时桩径也会变小，同时将桩距减小，加密桩数，以达到对基地承载力的保证。根据下列经验公式可以推算旋喷桩理论桩径：h=150pm0.35D00.83N0.29/σc0.58υt0.43(式5.2式中：h—切割半径（m）；pm—喷嘴出口压力（kPa）；D0—喷嘴直径（mm）；N—复喷次数；σc—土的抗压强度（kPa）；υt—喷管提升速度（m/min）；④.将桩体每米用灰量减小，缩短单根桩施工时间。5.2.5劳动力组织(见表5.2.5表5.2.5劳动力组织表工种所需人数工作内容项目管理1全面工作的控制和把握。作业领班2负责协调指挥各工序的操作，控制加固质量，排除施工中的各种故障。技术人员5包括测量人员与记录人员，负责施工记录，操纵电器控制仪表，并进行质量检查。安全防护员4负责施工现场的人员、机械的安全生产司泵及操作10按设计施工工艺，正确操纵钻机和提升检查维修机械。普工20负责水泥浆的制作，保证施工的连续性。电工后勤2负责电力设备的安装和安全使用。共计446．材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6.1。表6.1施工主要机具设备表设备名称型号功率数量单位旋喷钻机MGZ-5010KW5台高压泵GZB-4075KW5台浆液搅拌机立式4KW5台灌浆泵SGB6-1022KW5台排污泵立式7.5KW5台配套设备若干7．质量控制7.1质量保证措施7.1.1材料控制：主剂以水泥浆为主剂，对既有建筑物地基加固或软土地基加固注浆时水泥一般采用P.O32.5普通硅酸盐水泥，如果需要较高的固结强度，可采用42.57.1.2施工实际使用的水泥和外掺剂的掺入量必须通过加固土室内配合比实验，确定合理的水泥配合比。制作浆液时要求做到干灰过筛，浆液过滤。准确掌握水灰，严格控制喷射浆液泵量，以保证桩体的内在质量。制备好的水泥浆不得停止时间过长，浆液在搅拌机中要不断搅拌，直到送浆前。室内加固土试块的平均无侧限抗压强度不小于2.0mpa（龄期7.1.3在施工过程中除严格按设计平面尺寸要求外7.1.4严格按设计配合比例率拌制水泥浆液，拌制好的水泥浆液开启送浆泵旋转提升喷浆,超过7.1.5旋喷桩施工中，严格控制空压机、高压水泵、送浆泵的压力和提升喷浆速度,高压喷射注浆压力不得小于7.1.6提升过程中，拆卸钻杆后，继续旋喷施工时，保持钻杆有不小于10cm7.17.1.87.1.9旋喷过程中，冒浆量略小于注浆液量的20%为正常，若超过7.1.10做好信息化施工，边喷浆边观测记录，根据观测结果，及时调整有关施工参数，抓好信息化施工，保证旋喷桩质量。表7.1.10旋喷桩施工记录表工程名称高压泵型号钻孔机具注浆管直径喷嘴个数喷嘴孔径设计提升速度设计注浆量设计旋转速度浆液配方水泥强度等级注浆孔编号旋喷深度（m）实际有效长度（m）旋喷时间（时分）旋转速度（r/min）提升速度（m/min）旋喷压力（MPa）注浆量（m3）冒浆量（m3）日期开始结束工地负责人：记录人：7.2工程质量控制标准成桩28天后抽芯取样进行无侧限抗压强度实验，抽检数为2‰，并少于3根，其无侧限抗压强度不得小于2.2MPa。并采取平板荷载试验检验复合地基承载力，按总桩数2‰抽检且每批次不少于3根，要求处理后的复合地基承载力：一般填方地段，σ0≥0.15MPa；支挡结构地段，需满足支挡结构设计基地承载力要求。复合地基承载力不得小于150Kpa。检测由专业检测机构进行。7.2.1检验内容1.施工前应检查水泥的质量、桩位的准确性、压力表、流量表的精度和灵敏度，设备的性能等。2.施工中应检查施工参数（压力、水泥浆量、提升速度、旋转速度等）的应用情况、施工程序。3.施工结束后4个星期，对施工质量进行检查，内容为桩体强度，平均桩径，桩体均匀性等。7.2.1检验方法高压喷射注浆可采用开挖检验、钻孔取芯等方法进行检测。1.开挖检测施工完毕，待凝固具有一定的强度后，即可进行直接检验。由于固结体完全暴露出来，因此能全面检验固结体的垂直度和固结体的形状。2.钻孔取芯在已施工好的固结体中钻取岩芯，并将其做成标准的试件进行室内物理力学性能试验，检查内部桩体的均匀程度，是否符合设计要求。旋喷桩桩身完整性、均匀性、无侧限抗压强度满足设计要求。旋喷桩完工后28d，每根检测桩桩径方向1/4处、桩长范围内垂直钻孔取芯，观察其完整性、均匀性、拍摄取出芯样的照片，取不同深度的3个试样做无侧限抗压强度试验。钻芯后的孔洞采用砂浆灌注封闭。7.2.3检验标准高压旋喷桩施工允许偏差、检验数量及检验方法按表7.2.3执行:表7.2.3高压旋喷桩施工允许偏差表序号检查项目允许偏差检查方法检验数量1桩位放样≤50mm钢尺量按成桩总数的10﹪抽样检验，不少于5根。2钻杆倾斜度≤1.5﹪吊垂球3桩径不小于设计值钢尺量8．安全保证措施8.1参加施工的所有人员，必须熟悉并认真执行旋喷桩安全技术操作规程、有关的既有线安全防护知识及安全交底。8.2施工前应对操作员工进行岗前培训，使上岗员工熟知该分项分部工程的应急预案，并组织演练，验证应急准备工作和预案实施效果，提高实战中自防自救能力。8.3项目开工前各必须编制施工（含施工过渡）方案和制订安全措施，并严格执行审批程序。8.4安全员、防护员、施工员必须经培训考试合格后持证上岗。使用的民工经过培训合格后由具有带班资格的正式职工带领上岗。8.5施工中必须保证既有线排水系统的畅通.对影响既有线路基稳定的作业，必须有可靠的安全防护措施。安排好抢险人员、物资、机具和设备。8.6制定劳动安全防范措施，施工作业场地、了望条件、防护及警示标志设立要符合铁路局《劳动安全作业标准》要求，同时配齐配全符合国家、铁道部标准的劳动安全防护用品。作业人员要严格遵守安全生产制度和操作规程，正确佩戴和使用劳动防护用品。8.7在施工过程中，如发生影响既有线安全的情况，列车在区间被迫停车时，除使用对讲机联系外，还应使用响墩对列车进行防护，并设防护人员显示停车手信号。8.8施工前应在两端车站、双线应在来车方向的车站设驻站联络员，施工现场设工地防护员。8.9靠近既有线挖沟、挖电缆时，应了解地下设施的用途、埋设位置，并与有并部门联系，做好防护后再施工。8.10当挖沟、坑影响行人妨碍交通或站内作业时，应在施工地点3～5m处加设防护，并应当天回填夯实。如需过夜时，应采取防止人员坠落的安全措施，在有危及行车安全或房屋时对其临时加固。8.11严禁在影响路基稳定的范围内挖沟、坑，在铁路沿线或穿越铁路挖沟、坑时，摆放的料具和挖出的土石方严禁侵入基本建筑限界，并应采取防止塌落的措施，保证既有线的行车安全。8.12施工过程中，必须派专人对既有线24小时测量（包括高程测量、方向、轨距等）。如发现既有线路有变化，应立即通知现场负责人，现场负责人根据实际情况进行停工、启动应急预案。9．环保措施9.1将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标示醒目，施工场地整洁文明。9.2废弃材料或施工过程中的浆液，立即运出现场并按规定进行处理。对施工中废弃的零碎配件、边角料、水泥袋、包装箱等及时进行收集清理。9.3进出现场的便道应经常撒水，防止扬尘，污染施工与周边环境。9.4加强环保教育，宣传有关环保政策、知识，强化员工的环保意识，使环境保护成为参建员工的自觉行为。10．效益分析10.1社会效益该施工技术为软土地基加固和邻近既有线施工积累了丰富的经验，使其更符合今后铁路建设的特点，为工程保证工期创造了条件，促进了地基加固施工适应复杂施工环境的技术进步，取得了良好的社会效益。10.2经济效益严格控制喷浆过程中的返浆量，减轻了返浆对现场施工环境的破坏，增强了桩体的完整性，节省了水泥的不必要浪费，仅此一项节约资金约2万元。科学合理的安排各台钻机的施工顺序，既保证了施工的连续性，又确保了邻近既有线的运营安全，以最小的成本投入达到了质量与工期的要求。11．应用实例分析南仓疏解区工程DK108+164.04～+350基底处理11.1工程概况京津城际动车组开行至滨海新区南仓疏解区工程共有特大桥3座，全长3.828km。新建线路4条，改建既有线路2条，全长12.5km。城际上行联络线DK108+164.04～+350段为软土地基路堤，承载力不能满足设计要求。（地质特征见表11.1）。基底采用旋喷桩加固处理，总数1788根，全长19668米。桩径0.6m，间距1.3m，三角形布置，桩长1