高壓旋噴槽壁加固技術的應用

[摘 要]哈爾濱地鐵2號線一期工程沿線經過哈爾濱老城區，距離百年老建筑較近，建筑物基礎較差，多為毛石或筏板基礎，建筑物的沉降控制非常困難，稍有擾動就有可能發生沉降，在地鐵施工過程中需要采取相應的措施確?；拥陌踩?，以防止地表沉降而引起建筑物發生不均勻沉降，從而導致建筑物造成結構性破壞。

[關鍵詞]高壓旋噴 槽壁 加固 應用

中圖分類號：U24 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）25-0344-02

1 前言

在繁華老城區修建城市地鐵工程時常會遇到歷史性建筑，這些建筑物沉降控制標準相當高，要求十分嚴格，稍有擾動就會引起監測預警，給施工帶來了很多不利條件，因此，在施工過程中需要采取一些輔助措施，盡量避免或減輕對建筑物的擾動，防止對建筑物結構造成破壞。沿線經緯街3座車站鄰近古老建筑物年代久遠、基礎薄弱，為確保建筑物安全，在連續墻外邊緣采用高壓旋噴樁對槽壁進行了加固處理，取得了良好效果。

2 工程概況

哈爾濱地鐵2號線一期工程為哈爾濱軌道交通網絡中由北部至東南的骨干線路，北起呼蘭區松北大學城站，終于香坊區氣象臺站，線路串聯呼蘭、松北、道里、南崗、香坊五區，沿線經過松北開發區、太陽島旅游休閑中心、道里商業金融中心、鐵路客站、省級行政辦公中心，并通過換乘與軌道交通1、3、4、5、6、8號線銜接，是網絡南北—東西的主要干線，有力支持哈爾濱城市發展中“北躍”的發展策略，為“一江居中，兩岸繁榮”的城市繁榮構想鋪墊基礎。線路全長28.6km，均為地下線路，共設19座車站，18個區間；設哈北車輛段一座，主變電所兩座，控制中心一座。除省政府站采用PBA法暗挖以外，其余各車站均為明挖法施工；區間均采用盾構法施工，除下穿松花江3個區間擬投入4臺泥水盾構以外，其余15個區間16臺盾構均為土壓平衡式盾構。項目采用BOT模式，投資估算約189.25億元，總工期為66個月。

3 氣象、水文、地質

3.1、氣候條件

哈爾濱市屬寒溫帶大陸性季風氣候。主要特點為春季風大雨少，夏季溫熱濕潤降水集中，秋季涼爽、霜來早，冬季漫長，寒冷干燥。一年平均氣溫3.6攝氏度，極端最高氣溫可達36.4攝氏度，極端最低氣溫-38.1攝氏度。全市年平均降水量523mm，降水主要集中在夏季。冬季降雪占全市降水的12.1%，降雪期日數為180多天，年降雪量平均為63.1mm，最大積雪深度達41cm。年平均風速4.1m/s，常年主導風向以西南風為主。年平均日照時數2446h。年最大凍土深度205cm。

3.2、工程地質

地質資料表明場地均被第四紀地層所覆蓋，從上到下順序是全新統人工堆積層（Q4ml）全線均有分布；松花江漫灘：全新統漫灘沖積成因土層（Q42al）。依次為：人工雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、細砂、粉細砂、中粗砂、泥巖、粉砂巖等。線路所穿越地層主要以粉質粘土、細砂、粉細砂、中粗砂等為主，上覆粘土層、細砂、粉細砂層，下臥中粗砂層、泥巖等。

3.3、水文地質

根據所處地貌單元勘探揭示的地層結構，場地地下水可分為上層滯水、孔隙潛水、孔隙承壓水。第四系全新統孔隙潛水與下更新統砂礫石層孔隙承壓水主要賦存于第四系全新統沖積層中（2-2）層粉砂、（2-3）層細砂、（2-4）層中砂、（2-4-1）層礫砂、（2-4-3）層粉砂中及下更新統東深井組（7-2）層中砂中，地層富水性好，透水性強，該層與松花江水力聯系密切。補給方式主要有松花江側向徑流補給、大氣降水入滲、地表水入滲等，其中松花江側向徑流補給及大氣降水入滲為主要補給來源，另外豐水期內，區域內湖水、河水等地表水對地下水也有一定的補給作用。排泄方向主要為蒸發及人工開采。水位和水量隨季節性變化，最高一般在7～8月份，最低水位多出現在翌年的3月份至5月份，地下水位的年變化幅度在2.0m-3.0m左右。

4 高壓旋噴施工工藝及流程

4.1、槽壁加固原理

地下連續墻施工前，先利用高壓旋噴樁對地下連續墻周邊土體進行加固，以減少地下連續墻施工過程中對古建筑物的擾動和防止地下連續墻成槽過程中細砂、粉細砂極易流動而產生塌孔現象，危及古老建筑物的安全。而高壓旋噴樁是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預定位置，用高壓設備將漿液或水、壓縮空氣以高壓射流從噴嘴中噴射出來，經過沖切、充填、壓縮、攪拌等機械作用改變土體原有結構，鉆桿以一定的速度逐漸提升，混合漿液隨鉆桿提升同步與土粒強制攪拌固結，在土中形成一個圓柱體，形成復合地基，增加土體承載力和抗剪切強度，達到土體穩定止水防滲的目的。

4.2、高壓旋噴施工工藝

高壓旋噴根據機械設備類型和地質情況分單管、二重管和三重管三不同施工方法，不同方法施工工藝略有差異，處理效果也不一樣，經驗總結單管高壓旋噴成樁質量效果相對其他兩種方法要好些。

4.2.1施工流程

槽壁加固施工工藝流程如下圖1所示：

4.2.2施工工藝

1）施工準備工作

按照設計圖紙槽壁加固范圍核對現場實際情況，確定無管線等障礙物后進行測量放線，確定孔位，孔位按I、II分序標識，間距為700mm，樁徑為800mm，咬合200mm，誤差不大于50mm；將漿液原材料進行送檢并試配；連接管路、線路，檢查設備狀況，校檢壓力表等。

2）鉆機就位、調垂

將鉆機移至定位孔位，鉆桿鉆頭中心對準孔位木樁，調平鉆機平臺，調垂機架鉆桿，垂直度偏差不大于0.5%。

3）鉆孔

采用合金鉆頭鉆進，造孔直徑為150mm，采用跳孔鉆孔施工，先施工I序樁，再施工II序樁。鉆孔過程中要對地層的變化情況進行詳細記錄，始終保持鉆機平穩，防止鉆機發生傾斜失穩。

4）下噴管

先在地面進行試噴，檢查各項工藝參數合格后，將噴射平臺移至孔位處，把噴射管下至設計深度。

5）制漿

利用P.O32.5或P.O42.5普通硅酸鹽水泥，按水灰比1：1的比例制成水泥漿液，用攪拌機充分攪拌，攪拌時間不得小于30s，并通過0. 8mm的篩子進行二次篩分方可進入泵送漿液桶。

6）高噴

高壓泵通過高壓橡膠軟管輸送高壓漿液至鉆機上的注漿管，進行噴射注漿，高壓漿液流或水流壓力20～40Mpa。高壓噴射注漿自下而上進行，樁底初始及樁頂終止噴射時間均不小于60s，然后緩慢提升，提升速度控制在0.1～0.25m/min，旋轉速度10～20r/min。注漿管不能一次提升完成需要拆卸管時，卸管后噴射的搭接長度不得小于200mm，以保證固結體的整體性。

（1）工藝參數

高噴是屬于隱蔽性較大的工程施工，需要通過試噴鉆芯取樣后，選擇合理的施工工藝參數，才能保證施工質量，不同高噴方法，工藝參數略有不同，參考參數如下：

單管法：漿液壓力20～40Mpa，漿液比重1.3～1.49，旋轉速度18～20r/min，提升速度0.2～0.25m/min，噴嘴直徑2～3mm，漿液流量80～100l/min。

二重管法：漿液壓力20～40Mpa，漿液比重1.4～1.6，旋轉速度15～18r/min，提升速度0.15～0.2m/min，噴嘴直徑3～4mm，漿液流量100～110l/min，空氣壓力0.7～0.8Mpa，氣量60～80m3/h。

三重管法：漿液壓力0.3～0.8Mpa，漿液比重1.6～1.8，旋轉速度10～15r/min，提升速度0.1～0.15m/min，噴嘴直徑3～4mm，漿液流量100～120l/min，空氣壓力0.5～0.8Mpa，高壓水壓力30～50Mpa。

（2）噴漿量

噴漿量跟土體加固范圍即被加固土體直徑有關，加固直徑與設備、漿液、壓力、地質等條件因素有關，如噴射壓力、提升速度、被加固體的抗剪強度、噴咀直徑、漿液的粘稠度等。加固范圍與噴射壓力P、噴咀直徑d成正比，與提升速度s、土的抗剪強度τ及漿液粘稠度成反比。

理論噴漿量有兩種計算方法，一種為體積法，另一種為噴量法，兩者之間計算值會在在一定的差異，以大者為控制標準。

式中Q-噴漿量（m3）

De-加固土體直徑（m）

λ1-填充率，0.75～0.9

h1-旋噴高度（m）

λ2-未旋噴范圍土的填充率，0. 5～0. 75

h2-未旋噴高度（m）

β-損失系數，0.1～0.2

H-噴射高度（m）

V-提升速度（m/min）

q-單位噴漿量（m3/m）

4.3、高壓旋噴施工質量控制

高壓旋噴樁施工難度大，成樁質量難以控制，受注漿壓力、地質情況、工人操作水平、漿液稠度等眾多因素影響。

4.3.1質量控制

1）鉆孔定位準確，其允許誤差不大于50mm，并用木樁固定，成孔垂直度偏差不大于0.5%。鉆孔過程中嚴格記錄地質變化情況，尤其是異常情況記錄要詳實，并采取相應的措施，確保成孔質量，終孔后技術人員檢查成孔質量。

2）制漿原材料采用普通硅酸鹽水泥，并有廠家提供的產品合格證，水泥新鮮無結塊、通過0.08mm的篩孔篩分余量不大于5%，水質清潔無污染，根據需要，也可在水泥漿液中加入其他外加劑，但要進行試驗。

3）配制漿液采用高速攪拌機充分攪拌，連續均勻攪拌時間不小于30s，一次攪拌使用時間不超過4h，隨時檢測漿液比重，記錄每孔水泥材料用量。水泥漿液水灰比越小，被加固土體強度越高，同時噴射難度也加大，易堵管。攪拌完的漿液須經過二次篩分后方可進入高壓注漿泵，防止注漿管受堵。

4）按照試樁確定合理施工參數，嚴格控制噴射提升速度，提升速度越快，成樁質量越差，施工進度就快，因此需要加強操作工人的責任心；

5）嚴格控制高壓噴射注漿壓力，壓力愈大，被加固土體處理效果愈好。高壓水泥漿液流或者高壓水射流的壓力不小于20Mpa，壓縮空氣流以空氣壓縮機的最大壓力為限，0.7Mpa左右。

6）高壓噴射作業應連續一次完成樁體，需要接、拆卸注漿管時，動作要快，防止塌孔和堵嘴。因故中斷噴射作業時要采取相應的應對措施，中斷超過1h，要采取補救措施加樁或重新造孔；恢復噴射作業時，噴射搭接長度不小于100mm，以保證樁體的完整性。

7）高壓噴射鉆機與泵之間的距離不宜太遠，過遠勢必增加高壓橡膠軟管長度，使高壓噴射流沿程損失加大，造成實際噴射壓力降低，影響加固體處理效果。

8）通過鉆孔地質記錄資料，準確掌握土層結構和土質種類，因地制宜，及時調整噴射工藝參數。

4.3.2問題及對策

1）不冒漿或斷續冒漿：查看鉆孔地質記錄判斷土質是否松軟，加強復噴；若有空洞、管道等不能提升注漿管噴射至冒漿為止或者拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿；是否存在串孔現象，若有串孔則回填相鄰孔位，待注漿完成后重新鉆孔。

2）壓力突然下降而流量不變：檢查泄漏情況，拔出注漿管，檢查密封性能。

3）壓力稍有下降：檢查注漿管是否被擊穿或有孔洞。

4）壓力陡增：壓力超過最高限值而流量為零，停機后壓力仍然不變，檢查噴咀是否堵塞，疏通噴嘴。

5）附加變形：高噴漿液在未凝固之前，有效噴射范圍內的地基受到擾動而強度降低，易產生附加變形，導致建筑物附加下沉，需要采取控制施工速度、順序和加快漿液凝固時間等。

4.3.3質量檢測

高壓旋噴樁成樁質量檢測應在噴射注漿結束28d后進行，主要通過鉆芯取樣檢測旋噴樁的抗滲性和無側限抗壓強度，必要時增加標準貫入試驗、單樁承載力載荷試驗。

1）鉆芯取樣要取高壓旋噴樁咬合部位、具有代表性的樁位及施工中出現異常的部位。

2）檢驗點的數量為施工樁數的1%，并不小于3個點。

3）加固體28d無側限抗壓強度不低于1Mpa，滲透系數不大于1x10-7cm/s。

5、結論

沿線經緯街3座車站地下連續墻，靠建筑物較近側均采用高壓旋噴槽壁加固技術，取得了良好的效果。根據經驗，槽壁加固主要針對的地層是淤泥質粘土層、細砂層、粉細砂層等，中砂層及中粗砂層通過泥漿護壁能滿足要求，檢測結果表明，槽壁光滑，塌孔情況較少。

高壓旋噴施工中需特別注意的幾個問題：

1）選擇新型施工工藝，減少拆卸鉆桿次數，確保成樁連續性；

2）高壓旋噴要采用雙控技術，控制高壓旋噴壓力和注漿量，既要確保旋噴成樁有效范圍，又要防止因噴射壓力過大，過度擾動地層帶來的附加沉降；

3）要針對水文地質、工程地質條件實施，防止流動地下水將水泥漿液帶走，可摻入適量的外加劑加快凝固時間；

4）槽壁加固時要預留一定的距離，一般以40cm左右為宜，防止注漿漿液進入地下連續墻施工范圍內，導致地連墻成槽困難，反而影響連續墻施工質量。

今后對冒出的漿液回收值得進一步研究和探討，既能達到環境保護的要求，還能節約施工成本。

參考文獻

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作者簡介：

毛宇飛，男，1969年生，畢業于長沙鐵道學院，中國電建集團鐵路建設有限公司，教授級高級工程師、一級建造師、監理工程師，長期從事鐵路、地鐵現場施工技術管理工作。