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高压旋喷桩施工工艺-附图


高压旋喷桩施工工艺
高压旋喷桩施工技术是 70 年代日本首先提出,它是在静压灌浆的基础上,引进水力采煤技 术而发展起来的,是利用射流作用切割掺搅地层,改变原地层的结构和组成,同时灌入水泥浆或 复合浆形成凝结体,借以达到加固地基和防渗止水的目的。

1 工艺特点
(1)施工机具设备简单,施工简便。 (2)具有较好的耐久性,且料源广阔,价格低廉。 (3)噪声小,无污染。

2 适用范围
(1)受土层、土的粒度、土的密度、硬化剂粘性、硬化剂硬化时间影响小,可广泛应用于 淤泥、淤泥质土、粘性土、粉质粘土、 (亚粘土) 、粉土(亚砂土) 、砂土、黄土及人工填土中的 素填土甚至碎石土等多种土层。 (2)可作为既有建筑和新建建筑的地基加固之用,也可作为基础防渗之用;可作为施工中 的临时措施(如深基坑侧壁挡土或挡水、防水帷幕等) ,也可作为永久建筑物的地基加固、防渗 处理。 (3)当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性、地下水流速过大和已涌水的地基工程时,宜 通过试验确定其适用性。

3 工艺原理及设计要求
3.1 加固原理
高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后, 以高压设备使浆液 或水、 (空气)成为 20~40MPa 的高压射流从喷嘴中喷射出来,冲切、扰动、破坏土体,同时钻 杆以一定速度逐渐提升,将浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后,在土中形成一个圆柱状固结 体(即旋喷桩) ,以达到加固地基或止水防渗的目的。 根据喷射方法的不同,喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。 单管法:单层喷射管,仅喷射水泥浆。 二重管法: 又称浆液气体喷射法, 是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流 横向喷射出,冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下,破坏土体的能量显著 增大,最后在土中形成较大的固结体。 三重管法:是一种浆液、水、气喷射法,使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管, 在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流, 进行高压水流喷射流和气 流同轴喷射冲切土体,形成较大的空隙,再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的 地基中,喷嘴作旋转和提升运动,使水泥浆与土混合,在土中凝固,形成较大的固结体,其加固

体直径可达 2m。 喷射注浆法的加固半径和许多因素有关,其中包括喷射压力 P、提升速度 S、被加固土的抗 剪强度 τ、喷咀直径 d 和浆液稠度 B。加固范围与喷射压力 P、喷咀直径 d 成正比,与提升速度 S、 土的抗剪强度 τ 和浆液稠度 B 成反比。 加固体强度与单位加固体中的水泥掺入量和土质有关。 单管、二重管、三重管旋喷桩机注浆施工示意参见图 1、图 2、图 3。

水箱 浆桶 搅拌机

高压泥 浆泵 钻机 注 管 浆 喷头 旋喷固结体

水泥仓

图 1 单管旋喷注浆示意图

空 机 压 高压泥浆 泵 钻机 喷头 旋喷固结体 注 管 浆 浆桶

水箱 搅 机 拌

水 仓 泥

图 2 二重管旋喷注浆示意图

水箱 高 泥 压 浆 泵 浆桶 搅 机 拌

空 机 压

水 仓 泥

高 清 压 水 泵 钻机 喷头 注 管 浆

3.2 成桩机理
高压喷射注浆的成 桩机理包括以下五种作 用:

旋喷固结体

图 3 三重管旋喷注浆示意图

(1)高压喷射流切割破坏土体作用。喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体,使土体出现空 穴,土体裂隙扩张。 (2)混合搅拌作用。钻杆在旋转提升过程中,在射流后部形成空隙,在喷射压力下,迫使 土粒向着与喷咀移动方向相反的方向(即阻力小的方向)移动位置,与浆液搅拌混合形成新的结 构。 (3)升扬置换作用(三重管法) 。高速水射流切割土体的同时,由于通入压缩气体而把一部 分切下的土粒排出地上,土粒排出后所留空隙由水泥浆液补充。 (4)充填、渗透固结作用。高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙,析水固结,还 可渗入砂层一定厚度而形成固结体。 (5)压密作用。高压喷射流在切割破碎土层过程中,在破碎部位边缘还有剩余压力,并对 土层可产生一定压密作用, 使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。 旋喷桩固结体情况图 4 所示。
渗透部分 压缩部分 搅拌混合部分

硬化剂主体部分

图 4 旋喷桩体固结情况图

4 工艺流程
高压旋喷桩施工工艺流程图见图 5。
准备工作

钻机就位 制 浆 调整钻架角度 一级过滤 钻 孔 二级过滤 插 高压泵对浆液加压 试 喷 启动高压清水泵、空 压机供水、风 高压喷射注浆作业 泥浆排放处理 管

喷射结束

拔 管

机具清理

桩机移位 图 5 施工工艺流程图

5 操作要点
5.1 施工前准备工作
(1)在设计文件提供的各种技术资料的基础上作补充工程地质勘探,进一步了解各施工工 点地基土的性质、埋藏条件。 (2)准备充足的水泥加固料和水。水泥的品种、规格、出厂时间经试验室检验符合国家规 范及设计要求,并有质量合格证。严禁使用过期、受潮、结板、变质的加固料。一般水泥为 425 号普通硅酸盐水泥。水要干净,酸碱度适中,pH 值在 5~10 之间。 (3)根据补充勘探资料,在选择的试验工点加固范围内的各代表性地层用薄壁取土器采取 必需数量的原状土送试验室, 对取得的土样在进行试验之前应妥善保存, 使土样的物理和化学性

能尽可能保持不变。 (4)室内配合比试验。根据设计要求的喷浆量或现场土样的情况,按不同含水量设计并调 整几种配合比,通过在室内将现场采取的土样进行风(烘) 干、碾碎, 2~5mm 筛的粉状土样, 过 按设计喷浆量、水灰比搅拌、养护、力学试验,确定施工喷浆量、水灰比。一般水灰比可取 1.0~ 1.5。为改善水泥土的性能、防沉淀性能和提高强度,可适当掺入木质素磺硫钙、石膏、三乙醇 胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠、陶土、碱等外掺剂。若试验之前土样的含水量发生了变化,应调 整为天然含水量。 (5)试桩试验。根据室内试验确定的施工喷浆量、水灰比制备水泥浆液在试验工点打设数 根试桩, 并根据试桩结果, 调整加固料的喷浆量, 确定搅拌桩搅拌机提升速度、 搅拌轴回转速度、 喷入压力、停浆面等施工工艺参数。 (6)推土机、挖掘机配合自卸汽车清除地表 0.3m 厚的种植土,杂物,并将原地面按设计要 求整平,填出路拱。根据施工现场实际情况,施作临时排、截水设施,并在施工范围以外开挖废 泥浆池以及施工孔位至泥浆池间的排浆沟。 (7)按设计要求完成施工放样,用木桩定出桩位,用白石灰作出明显标识。

5.2 施工工艺
(1)钻机定位。移动旋喷桩机到指定桩位,将钻头对准孔位中心,同时整平钻机,放置平 稳、水平,钻杆的垂直度偏差不大于 1%~1.5%。就位后,首先进行低压(0.5MPa)射水试验, 用以检查喷嘴是否畅通,压力是否正常。 (2)制备水泥浆。桩机移位时,即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。首先将水加入桶 中,再将水泥和外掺剂倒入,开动搅拌机搅拌 10~20 分钟,而后拧开搅拌桶底部阀门,放入第 一道筛网(孔径为 0.8mm) ,过滤后流入浆液池,然后通过泥浆泵抽进第二道过滤网(孔径为 0.8mm) ,第二次过滤后流入浆液桶中,待压浆时备用。 (3)钻孔(三重管法) 。当采用地质钻机钻孔时,钻头在预定桩位钻孔至设计标高(预钻孔 孔径为 15cm) 。 (4)插管(单重管法、二重管法) 。当采用旋喷注浆管进行钻孔作业时,钻孔和插管二道工 序可合而为一。当第一阶段贯入土中时,可借助喷射管本身的喷射或振动贯入。其过程为:启动 钻机,同时开启高压泥浆泵低压输送水泥浆液,使钻杆沿导向架振动、射流成孔下沉;直到桩底 设计标高,观察工作电流不应大于额定值。三重管法钻机钻孔后,拔出钻杆,再插入旋喷管。在 插管过程中,为防止泥砂堵塞喷嘴,可用较小压力(0.5~1.0MPa)边下管边射水。 (5)提升喷浆管、搅拌。喷浆管下沉到达设计深度后,停止钻进,旋转不停,高压泥浆泵 压力增到施工设计值(20~40MPa) ,坐底喷浆 30s 后,边喷浆,边旋转,同时严格按照设计和 试桩确定的提升速度提升钻杆。若为二重管法或三重管法施工,在达到设计深度后,接通高压水 管、空压管,开动高压清水泵、泥浆泵、空压机和钻机进行旋转,并用仪表控制压力、流量和风 量,分别达到预定数值时开始提升,继续旋喷和提升,直至达到预期的加固高度后停止。 (6)桩头部分处理。当旋喷管提升接近桩顶时,应从桩顶以下 1.0m 开始,慢速提升旋喷, 旋喷数秒,再向上慢速提升 0.5m,直至桩顶停浆面。 (7)若遇砾石地层,为保证桩径,可重复喷浆、搅拌:按上述 4~6 步骤重复喷浆、搅拌,

直至喷浆管提升至停浆面,关闭高压泥浆泵(清水泵、空压机) ,停止水泥浆(水、风)的输送, 将旋喷浆管旋转提升出地面,关闭钻机。 (8)清洗。向浆液罐中注入适量清水,开启高压泵,清洗全部管路中残存的水泥浆,直至 基本干净。并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。 (9)移位。移动桩机进行下一根桩的施工。 (10)补浆。喷射注浆作业完成后,由于浆液的析水作用,一般均有不同程度的收缩,使固 结体顶部出现凹穴,要及时用水灰比为 1.0 的水泥浆补灌。

5.3 推荐的主要施工技术参数
(1)单重管法。浆液压力 20~40MPa,浆液比重 1.30~1.49,旋喷速度 20rmin,提升速度 0.2~0.25m/min,喷嘴直径 2~3mm,浆液流量 80~100L/min(视桩径流量可加大) 。 (2)二重管。法浆液压力 20~40MPa,压缩空气压力 0.7~0.8MPa。 (3)三重管。法浆液压力 0.2~0.8MPa,浆液比重 1.60~1.80,压缩空气压力 0.5~0.8MPa, 高压水压力 30~50MPa。

6 推荐使用的主要机具设备
主要机具设备见表 2。
表2 设备名称 高压泥浆泵 高压水泵 3XB 型 3W7B 钻机 泥浆泵 空气压缩机 泥浆搅拌罐 注浆管 高压胶管 Φ19~22mm 工作压力 工程地质钻振动钻 BW-150 型 7MPa 0.8MPa,3m3/min 200L/min 20MPa 型号 SNS-H300 水流 Y-2 型液压泵 3XB 型 3W6B 主要机具设备表 所用机具 规格 单管法 20MPa~50MPa 50MPa 二重管法 三重管法



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√ √

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7 劳动力组织
单机作业每班人员组织分工见表 3。
表3 序号 1 2 职务 班长 钻机司机 人数 1 1 单机作业每班人员组织分工表 职 全面掌握施工进度、质量和安全 操作钻机,卸接钻杆,维修保养和排除故障 责

3 4 5 6 7 8 9 合

泵工 空压机司机 电工 钳工 普工 普工 技术人员 计

1 1 1 1 2 2 1 11

操作泥浆泵、清水泵及维修保养 操作空压机及维修保养(单重管法不需要) 负责钻机、电源、电路、工地照明及电气故障排除 全面维修保养机具设备 倒运水泥,操作泥浆搅拌罐及倒灰和过滤 协助钻机工作(卸接钻杆、冲洗等) 掌握施工技术、质量,填写工程日志和记录

8 质量要求及质量控制要点
8.1 旋喷桩施工质量要求
旋喷桩施工质量要求应满足表 4 要求。
表 4 旋喷桩施工质量标准表 序号 1 2 3 4 5 项目 固结体位置(纵横方向) 固结体垂直度 固结体有效直径 桩体无侧限抗压强度 复合地基承载力 允许偏差 50mm 1.5% ±50mm 不小于设计规定 不小于设计规定 抽检 2‰, 但不少 于1处 渗透系数 不小于设计规定 按设计要求数量 验 注: 钻芯取样做桩体无侧限抗压强度试验、 复合地基平板荷载试验和渗透系数试验应在成桩 28 天后进行, 若设计有其他要求,按设计要求的时间进行检查。 加固体内或围井钻孔注(压)水试 6 检查数量 抽检 2%, 但不少 于2根 检查方法及说明 用经纬仪检查(或钢尺丈量) 用经纬仪检查喷浆管 开挖 0.5~1m 深后尺量 钻芯取样,做无侧限抗压强度试验 平板荷载试验

8.2 质量控制要点
(1)正式开工前应认真作好试桩工作,确定合理的施工技术参数和浆液配比。 (2)旋喷过程中,冒浆量小于注浆量的 20%为正常现象,若超过 20%或完全不冒浆时,应 查明原因,调整旋喷参数或改变喷嘴直径。 (3) 钻杆旋转和提升必须连续不中断, 拆卸接长钻杆或继续旋喷时要保持钻杆有 10~20cm 的搭接长度,避免出现断桩。 (4)在旋喷过程中,如因机械出现故障中断旋喷,应重新钻至桩底设计标高后,重新旋喷。 (5)制作浆液时,水灰比要按设计严格控制,不得随意改变。在旋喷过程中,应防止泥浆 沉淀,浓度降低。不得使用受潮或过期的水泥。浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时,应有筛网进行过 滤,过滤筛孔要小于喷嘴直径 1/2 为宜。

(6)在旋喷过程中,若遇到孤石或大漂石,桩可适当移动位置(根据受力情况,必要时可 加桩) ,避免畸形桩或断桩。 (7)旋喷过程中,应按表 5 的要求作好施工记录。
表5
工程名称 高压泵型号 注浆管直径 设计提升速度 浆液配比 旋喷 注浆孔 深度 编号 (m) (m) 开始 结束 (r/s) (m/s) (MPa) 效长度 实际有 旋喷时间 (时分) 旋转 速度 提升 速度 旋喷 注浆量 压力 (m3) 状态 (MPa) (MPa) 及残液 压力 压力 日期 空压机型号 喷嘴孔径 设计旋转速度

旋喷注浆记录表
钻孔机具 水泵型号 喷嘴个数 设计注浆量 水泥标号 冒浆量 供水 供风 旋喷

现场负责人:

记录人:

8.3 质量通病的处理
(1)不冒浆或冒浆量少。 通常原因是加固土层粒径过大,孔隙较多,可采取以下措施: 1)加大浆液浓度,可以从 1.1 加大到 1.3 左右继续喷射。 2)灌注粘土浆或加细砂、中砂,待孔隙填满后再继续正常喷射。 3)在浆液中掺加骨料。 4)加泥球封闭后继续正常喷射。 5)灌注水泥砂浆后,再将孔内水泥浆置换成粘土浆,待孔隙填满后继续正常喷射。 (2)冒浆量过大。 通常是有效喷射范围与喷浆量不适应有关,可采取以下措施: 1)提高喷射压力。 2)适当缩小喷嘴直径。 3)适当加快提升速度。由于冒浆量中含有地层颗粒和浆液的混合体,目前对冒浆中的水泥 的分离回收尚无适宜方法,在施工中多采用过滤、沉淀、回收调整浓度后再利用。 (3)凹穴处理。 1)在喷射灌浆完毕时,即连续或间断地向喷射孔内静压灌注浆液,直至孔内混合液凝固不 在下沉。 2)在喷射灌浆完成后,向凝固体与其上部结构之间的空隙进行第二次静压灌浆,浆液的配 比应为不收缩且具有膨胀性的材料,如采用水泥∶水∶铝粉的配比为 9.8∶6.9∶0.3 的浆液。

9 施工安全注意事项
9.1 安全措施
(1)高压泥浆泵、空压机、高压清水泵必须指定专人操作,压力表应定期检修检定,以保 证正常工作。 (2)钻机操作人员应具有熟练操作技能。 (3)施工前应检查高压设备和管路系统,其压力和流量(风量)需满足设计要求,应检查 管道的耐久性以及管道连接是否可靠,泵体、注浆管及喷嘴内不得有任何杂物,各类密封圈必须 良好,无渗漏现象,否则接头断开、软管破裂,将会导致浆液、高压水流飞散、软管甩出等安全 事故。安全阀中的安全销要进行试压检验(试压检验到当地压力容器检验所检验) ,必须确保在 达到规定压力时能断销卸压,绝不能轻易安装未经试压检验的自制安全销。 (4)喷射浆自喷嘴喷出时,具有很高的能量,因此人体与喷嘴之间的距离不应小于 60cm。 (5)喷射注浆的浆液目前一般以水泥浆为主,但有时也加入其他化学填加剂,一般说浆液 硬化后对人畜均无害,但硬化前的液体进到眼睛里时,必须立即进行充分清洗,并及时到医院治 疗。 (6)吊、放喷射管路时,严禁管下站人。不得将电缆浸泡在水和泥浆中,防止漏电伤人。

9.2 环境保护
(1)水泥、石灰细颗粒散体材料,应遮盖存放;运输时必须必须封闭覆盖,不得沿途撒落。 (2)制定洒水防尘措施,指定专人负责现场洒水降尘。 (3)采取有效降噪措施。 (4)不得随意排放废弃的加固料。

10 应用实例
高压旋喷桩在地铁施工中的应用:我局承建的深圳地铁 2 号线东延线工程土建 2226 标段 【东 门站】设在深南大道与东门南路十字路口西侧 200 米处,车站沿深南大道呈东西走向。有效站台 中 心 里 程 : CK33+190.196 , 车 站 起 点 分 界 里 程 为 CK33+115.096 , 车 站 终 点 分 界 里 程 为 CK33+266.296,全长 151.20m(不含围护结构) 。 场地内表层人工堆填土,土质不均,属较不稳定土体,易造成局部基坑坍塌;本场地普遍存 在冲洪积的饱和含粘性土的砂层,富水性较大,透水性较强,易发生坍塌、涌水、涌砂、管涌、 基坑涌水等现象;场地内无液化砂土地层。 由于场地内原向西过街通道场地西侧通过, 其通道南侧保留为地铁出口, 对结构有影响部分 需破除。由于地下水丰富,需采用旋喷桩止水,连续墙两侧需从地面加固到通道结构顶面,拟按 双排φ600@500,错开布置,旋喷桩中加通长无缝钢管φ50,δ=3;连续墙两端旋喷桩需从地面 加固到基底以下 2m, 为避免影响后续连续墙施工, 不加无缝钢管, 5 排φ600@500, 按 排距@500; 通道基地旋喷桩需从基底加固到基底以下 2m,φ600@500 旋喷桩封底。旋喷桩特性表见表 6, 旋喷桩布置示意图见图 6。

南侧主通 序 号 部位 桩 径 桩距、 排距 道 加固深度 (m) 连续墙 1 两侧 连续墙 2 两端 通道基 3 底 600 @500 600 @500 600 @500 约 5m

北侧梯道 加 固 深 度 (m) 梯道 1m 深后 开始 1.0~约 5m 备注

约 11.5 从 8.5~11.5 约

0 梯道 1m 深后 开始 1.0~约 11.1

表 6 破除通道旋喷桩特性表

图 6 旋喷桩布置示意图

(1)旋喷桩工程设计情况。 旋喷桩工点 1 个, 桩长分别为 5.0--11.5m, 其中两端 3 层, 中间 1 层, 桩长分别为 5.0--11.5m, 共 228 根。 (2)施工机械选型。
表 7 设备投入一览表 序 号 1 2 3 4 5 6 国别 产地 国产 国产 国产 国产 国产 国产 制造 年份 额定功率 (KW) 5.5 22 3 3 17.5 4 生产 能力

机械设备名称 高喷台车 乳化泵 卧式灰浆搅拌机 立式搅拌机 钻 机

型号规格 TXV75 型

数量 1台 1台

备注

UJW250 LJ660 XY-2 等

1台 1台 1台 3台

清水水泵

(3)施工参数。 根据在类似地层的施工经验,本次处理采用的施工技术要求如下: 1、施工参数为: 孔间距:0.5 m,分 I、II、III 序; 灌浆压力:≥22MPa,流量 30~40 L/min 喷射管的提升速度 15~25cm/min; 水泥浆重度 1.35~1.5g/cm3。 水泥用量:>200kg/m 2、水泥浆水灰比 0.8~1.2:1,使用 32.5R 普通硅酸盐水泥,喷射凝结体 28 天龄期的无 侧限抗压强度不小于 1.0Mpa。 3、旋喷桩桩体的垂直度偏差小于 1%,桩体间应搭接良好,不留缝隙。桩体直径不得小 于设计直径。 (4)施工效果 旋喷桩施工处导墙槽挖至 4m 以上时,土质较坚固,地下水较少,有效防止地下水渗透。
图 7 旋喷桩施 工 图片


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