高壓旋噴注漿技術在既有高速公路路基沉降處治中的應用

劉洋

（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041）

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高壓旋噴注漿技術在既有高速公路路基沉降處治中的應用

劉洋

（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041）

摘要：以一個具體工程項目為例，介紹了高壓旋噴注漿技術在四川地區既有高速公路路基沉降處理中的應用，說明了其施工工藝，重點對該技術中的水泥用量和成樁直徑進行了討論，為類似處治工程提供參考。

關鍵詞：公路；高壓旋噴注漿技術；路基沉降

高壓旋噴注漿技術是通過鉆桿的旋轉、提升，高壓水泥漿由水平方向的噴嘴噴出形成噴射流，切割土體并與土拌合形成水泥土豎向增強體。中國沿海諸省、長江三角洲、珠江三角洲地區高速公路發展較快，這些地區的地基土具有含水率高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強度低和厚度不均的特點，由此產生的高速公路工后沉降問題非常突出，高壓旋噴注漿作為處理路基沉降的一種方法得到大量應用。

與沿海地區不同，四川屬于多山地區，高速公路建設和運營過程中出現的軟基處理或路基沉降處治較少采用高壓旋噴注漿技術。原因在于四川地區地質結構千變萬化，路基沉降處治方法很多，每種處治方法適應的情況不一樣。該文以一具體工程項目為例，探討高壓旋噴注漿技術在四川地區既有高速公路路基沉降處治中的應用。

1　工程概況

四川北部某高速公路2010年5月通車，其巴中西互通A匝道AK0+283—473填方路基段自通車后多次產生沉降變形和路面開裂。2013年6月調查時，路基沉降仍在繼續，急需處治。經過地質勘察，其平面和典型地質斷面如圖1、圖2所示。

該路段右側為槽形地帶，AK0+315處為沖溝排水通道，但路基填筑中未布設涵洞等排水措施形成攔水結構，導致水體主要以下滲為主，沖溝溝口坡洪積塊石儲水量極為豐富。現場鉆孔顯示，路基內部地下水位線位于路面以下4～10 m，黏土層頂面以上0.2～4.5 m，地下水位線高出填筑體底面1～4.5 m，此處松散層水體多橫穿路基往下游排泄，極大軟化了路基下原黏土層；同時右側排水溝多段毀壞，地表水體部分下滲至填筑界面，導致路基填筑體底面下黏土層軟化，承載力降低，形成軟弱地基，致使路基產生下沉，路面產生裂縫。

圖1　某高速公路AK0+283—473填方路基段平面示意圖（單位：m）

圖2　某高速公路AK0+283—473填方路基段典型地質斷面（單位：m）

2　處治方案比選

選用3種方案進行比選：方案一以旋噴樁為主。旋噴樁施工時A匝道需半幅封閉，對高速公路干擾較大；旋噴樁施工設備較小，但施工工藝較成熟，施工工期有保證。就其處治效果來說，旋噴樁對填筑土體和黏土層進行預加固后，可使地基承載力提高，并可有效抵抗地下水的軟化，有利于地表排水系統的恢復和完善，也可防止水體下滲。方案二以頂推涵管為主。針對水體排泄不暢的主要原因，在AK0 +315處由路基左側往右側頂推涵管，使地面水體排出；頂推涵管等均在高速公路以外施工，對高速公路干擾較小。但頂推涵管需用專門設備，施工工藝較復雜。由于涵管上、下土層厚度和巖性不均，涵管自身穩定性難以保證，若涵管破壞，則水體仍會滲入路基中，處治效果難以達到。方案三以CFG樁為主。CFG樁施工時A匝道需半幅封閉，對高速公路干擾較大。因土中含塊碎石較多，振動沉管CFG樁施工難度大，螺旋鉆CFG樁更無法實施。由于施工可實施性差，處治效果難保證。

綜合考慮各方面的影響，處治方案一雖處治費用較高，但處治效果較好；方案二雖處治費用最低，但處治效果難以保證；方案三處治費用與方案一相當，但受巖性影響，施工可實施性差。故推薦采用方案一進行處治。

3　旋噴樁的布設和施工工藝的選擇

旋噴樁的布設如圖3所示。旋噴樁縱向間距2.0 m，排距2.0 m，處治范圍為路面以下0.9 m至基巖面區域內的填筑土層和黏土層。

旋噴樁主要工藝參數：1）設備。發電機組動率≥120 k W，高壓注漿泵壓力表值≥40 MPa。2）旋噴樁設計樁徑為40 cm，采用雙管法。3）水灰比為1∶1，采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥用量380 kg/m，適當添加水玻璃或氯化鈣等早強、速凝劑。旋噴樁樁體7 d后抗壓強度應不小于1.5 MPa，28 d后抗壓強度應不小于5 MPa。施工前，需根據設計樁體強度要求做現場試驗，以確定施工水灰比、提升速度和轉速。4）漿液壓力≥20 MPa，噴漿量＞60 L/min，噴嘴直徑2.0～2.5 mm，噴嘴2個。5）注漿管直徑42～50 mm，提升速度10～20 cm/min，旋轉速度5～15 r/min。開噴時，噴桿需下到孔底后進行試噴，當各參數達到設計要求且孔口返漿濃度大于進漿濃度時方可提升噴桿。由于路基填料為砂泥巖片塊石，旋噴樁施工需采用先鉆進成孔，再利用注漿管噴漿的方式。

圖3　旋噴樁布置示意圖（單位：m）

4　關鍵技術問題討論

4.1關于水泥用量的討論

旋噴樁水泥用量依據試樁結果而定。該工程選用3組參數進行6次試樁，試驗結果如表1所示。

（1）樁徑及均勻性。挖開樁頭進行樁徑及外觀檢測。結果顯示：1#～4#樁有效樁徑不能完全滿足該工程高壓旋噴樁孔徑要求；5#、6#樁有效樁徑可滿足要求，旋噴樁體中土體顆粒與水泥漿液混合均勻，在土層中形成具有一定強度的固結體，對改善地基承載力起到一定作用。

（2）鉆芯取樣進行抗壓強度試驗，根據試驗結果，1#、2#樁7 d抗壓強度為1.1 MPa，3#、4#樁7 d抗壓強度為1.4 MPa，5#、6#樁7 d抗壓強度為1.7MPa。該工程要求樁的7 d抗壓強度不小于1.5 MPa，1#～4#樁不滿足要求，5#、6#樁滿足要求。

（3）水泥滲入量。根據表1所示試驗樁施工參數，高壓旋噴樁在施工壓力一定的情況下，提升速度與樁體每米水泥用量成反比，提升速度快，水泥滲入量降低；提升速度慢，水泥滲入量增加。1#、2#樁平均提升速度20 cm/min，水泥滲入量平均值為260 kg/m，其有效樁徑和7 d抗壓強度不能完全滿足設計要求；3#、4#樁平均提升速度16.3 cm/min，水泥滲入量平均值為330 kg/m，其有效樁徑和7 d抗壓強度亦不能滿足設計要求；5#、6#樁平均提升速度14.5 cm/min，水泥滲入量平均值為398 kg/m，其有效樁徑和7 d抗壓強度可滿足設計要求。

不同工程的水泥用量不同，設計時沒有現成的量可以參照，故試樁非常重要。對于該工程，在保證設計對高壓旋噴樁孔徑、無側向抗壓及單樁承載力要求的情況下，建議旋噴壓力取22～25 MPa、平均提升速度為14.5 cm/min、水灰比取1∶1、旋轉速度取5～15 r/min、水泥滲入量取398 kg/m。

表1　試驗樁施工參數

4.2關于成樁直徑的討論

根據圓形斷面自由紊動射流理論，文獻［3］給出了預測旋噴樁半徑R的計算公式：

式中：D0為鉆桿直徑（m）；a為引進參數（s/m）；Q為水泥漿流量（m3/s）；M為噴嘴個數；d0為噴嘴直徑（m）；qu為土體抵抗力（k Pa）；patm為標準大氣壓值（k Pa）。

文獻［7］指出對于黏性土，qu可采用土體的無側限抗壓強度；對于無黏性土，可采用下式計算：

式中：tf為抗剪強度（k Pa）；σ′為有效應力（k Pa）；φ′為有效摩擦角。

文獻［7］～［10］給出了a與黏粒含量之間明顯的線性關系，對于三重管法：

式中：Mc為黏粒（粒徑小于5μm）含量（%）。

旋噴樁半徑R計算參數及結果如表2所示。

表2　旋噴樁半徑R計算參數及結果

從表2可以看出：計算結果與實測結果相近，在前期設計時可參考式（1）對一些參數進行估算。

5　結論

（1）高壓旋噴注漿技術施工設備較小，施工工藝較成熟，施工工期有保證。旋噴樁對填筑土體和黏土層進行預加固后，可使地基承載力提高，并可有效抵抗地下水的軟化。對于路堤含較多塊石的該工程依舊適用，且施工完成后至今未出現路基沉降，說明處治效果達到了設計要求。

（2）不同工程水泥用量不同，設計時沒有現成的量可以參照，因此試樁非常重要。該工程旋噴樁水泥用量依據試樁結果確定。

（3）基于圓形斷面自由紊動射流理論的旋噴樁半徑R預測公式的計算結果與實測結果相近，在前期設計時可參考該公式對一些參數進行估算。

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中圖分類號：U416.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0113-03

收稿日期：2016-01-19