高壓旋噴樁在砂卵礫石層的質(zhì)量問題及控制措施

諸葛愛軍，孫力，趙克來(lái)，陳富

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

高壓旋噴樁通過(guò)高壓泵將水泥漿液噴射到巖土體中，通過(guò)高壓射流的作用使巖土體結(jié)構(gòu)破壞并與水泥漿混合。水泥漿硬化后形成整體性好、不透水的固結(jié)體，達(dá)到加固和防滲的效果[1]。高壓旋噴樁具有施工速度快、成本較低等特點(diǎn)，在防滲和地基處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。工程實(shí)踐表明：高壓旋噴樁在黏土層、砂層等均質(zhì)土層中的施工質(zhì)量較容易控制，但在砂卵礫石層內(nèi)施工往往較困難，質(zhì)量難以保證[6]。現(xiàn)行DL/T 5200—2004《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》[7]中對(duì)高壓旋噴樁施工過(guò)程中對(duì)于高噴墻的結(jié)構(gòu)形式、漿液、機(jī)具、鉆孔、高噴灌漿等均有相關(guān)要求，但是不同的地質(zhì)條件，相關(guān)參數(shù)取值范圍差異較大。

本文以某航道樞紐工程圍堰高壓旋噴樁施工為例，針對(duì)高壓旋噴樁施工工藝進(jìn)行研究，總結(jié)高壓旋噴樁的施工工藝的要點(diǎn)及質(zhì)量控制措施，為今后高壓旋噴樁在砂卵礫石層中應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

某航道樞紐工程主體結(jié)構(gòu)包括船閘、泄水閘、電站廠房等，為了確保主體結(jié)構(gòu)枯水期干施工作業(yè)，需要修建擋水圍堰，并進(jìn)行防滲處理。本工程圍堰施工總長(zhǎng)度約3 750 m，防滲結(jié)構(gòu)采用高壓旋噴樁工藝。

高噴防滲墻技術(shù)指標(biāo)及要求如下：

1）高噴防滲墻應(yīng)完整、連續(xù)，雙排平均厚度不小于100 cm，最小厚度不小于80 cm。

2）高噴防滲墻滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s。

2 工程地質(zhì)條件

本工程土層分布為壩區(qū)第四系覆蓋層較厚，下伏基巖為下元古界板溪群千枚巖及砂質(zhì)千枚巖，夾有千枚狀粉砂巖及千枚狀砂巖。地面高程18.0～20.0 m，覆蓋層厚度約16～20 m，往下為千枚巖、千枚狀細(xì)砂巖，自上而下分別為：

粉質(zhì)黏土，可塑狀，厚1.0～10.3 m，中等透水性，分布連續(xù)；

中細(xì)砂、中粗砂，松散狀，厚4.0～9.3 m，標(biāo)貫擊數(shù)5～6擊；中等～強(qiáng)透水性，分布連續(xù)；

砂卵礫石，稍密～密實(shí)狀，厚5.4～7.7 m，N63.5=6～40擊，中等～強(qiáng)透水性；

全風(fēng)化粉砂巖厚1.5～4.5 m，強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖厚2.9～4.3 m，中風(fēng)化粉砂巖頂板埋深18.8～25 m，相應(yīng)高程-6～-2 m。

本段地下水主要為孔隙性潛水，與河水聯(lián)系密切，相對(duì)隔水層處于中風(fēng)化基巖內(nèi)，頂板透水率（q≤5 Lu），埋深 13～24 m，相應(yīng)高程-6～-4 m。主要地層滲透系數(shù)如表1所示。

表1 主要土層滲透系數(shù)表Table 1 Permeability coefficient of main soil layer

3 主要施工工藝

本工程縱向圍堰及上下游圍堰堰基防滲均采用雙排全封閉高壓旋噴防滲墻，設(shè)計(jì)樁徑0.8 m，排距 0.5 m，樁間距為0.6 m。樁入巖深度1 m。高噴防滲墻孔位布置見圖1。

圖1 高壓旋噴樁樁位搭接及分序Fig.1 Pile lap and construction sequence of high pressure rotary jet grouting pile

高壓旋噴樁采用雙管法施工工藝，分序施工，施工工藝參數(shù)見表2。實(shí)際施工過(guò)程中分別采用圓管和方管兩種樁機(jī)。

4 質(zhì)量問題及控制措施

施工過(guò)程中，對(duì)部分樁進(jìn)行了檢測(cè)，施工質(zhì)量情況如下：

表2 高壓旋噴樁施工工藝參數(shù)Table 2 Construction parameters of high pressure rotary jet grouting pile

4.1 檢測(cè)結(jié)果分析

1）樁身連續(xù)性

地質(zhì)條件對(duì)樁身連續(xù)性影響較大。粉質(zhì)黏土、中粗砂等地質(zhì)均勻的地層，施工質(zhì)量相對(duì)較好，樁身連續(xù)且強(qiáng)度較高。砂卵礫石層施工質(zhì)量不易保證，部分砂卵礫石層水泥漿摻量較少，水泥與骨料膠結(jié)情況不佳，樁體易破碎。樁身芯樣圖見圖2。

圖2 不同土層樁身芯樣圖Fig.2 Pile core pattern in different soil layers

2）樁身強(qiáng)度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯的情況，將鉆芯分為粉質(zhì)黏土層、砂層、砂卵礫石層、全風(fēng)化粉砂巖層4個(gè)土層，每個(gè)土層選取3個(gè)芯樣進(jìn)行室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。各個(gè)土層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值見表3。

表3 高壓旋噴樁芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of unconfined compressive strength of high pressure rotary jet grouting pile cores

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，粉質(zhì)黏土層和砂層的芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布較集中，最大頻數(shù)對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分別為1.8 MPa和3.0 MPa。砂卵礫石層的芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布較分散，可能是由于砂卵礫石層的含泥量較多，或者卵石粒徑較大，造成芯樣內(nèi)水泥漿和卵石黏結(jié)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布較分散。全風(fēng)化粉砂巖內(nèi)芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分布較分散，因?yàn)槿L(fēng)化粉砂巖內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)尚存，高壓旋噴樁的噴射漿體不能充分切割巖體結(jié)構(gòu)，水泥漿與強(qiáng)風(fēng)化巖層內(nèi)的破碎部分混合硬化，形成芯樣內(nèi)出現(xiàn)水泥塊與巖塊的間隔分布的結(jié)構(gòu)形式。

3）滲透系數(shù)

選取同一設(shè)備臨近區(qū)域的高壓旋噴樁檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)DL/T 5331—2005《水電水利工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》[8]進(jìn)行壓水試驗(yàn)，對(duì)各土層的壓水試驗(yàn)透水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。依據(jù)DL/T 5200—2004《水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》第10.1.7條文說(shuō)明中關(guān)系式換算的部分樁的滲透系數(shù)稍大于設(shè)計(jì)要求的1×10-5cm/s，但樁體較完整，能夠達(dá)到防滲的效果。

表4 壓水試驗(yàn)透水率結(jié)果Table 4 Permeability results of pressure water test Lu

4.2 質(zhì)量問題及改進(jìn)措施

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，砂卵礫石層中高壓旋噴樁的施工工藝是工程施工難點(diǎn)，其施工質(zhì)量直接影響高壓旋噴樁的樁身完整性及防滲效果。分析主要問題及采取措施如下：

1）分序施工

在前期施工過(guò)程中部分施工人員未能按照技術(shù)交底的要求分序施工。高壓旋噴樁施工過(guò)程中，水泥漿高壓力下，可能導(dǎo)致對(duì)臨近樁身的影響，后期嚴(yán)格按照交底內(nèi)容嚴(yán)格分序施工。

2）提升速度

DL/T 5200—2004《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》中，建議的提升速度如表5所示。

表5 高噴灌漿常用參數(shù)表Table 5 Common parameters for high sprinkler grouting cm·min-1

前期施工過(guò)程中，采用10～12 cm/min的提升速度。該速度在粉質(zhì)黏土和中粗砂層中是滿足要求的，但是在砂卵礫石層中，該速度明顯偏高，因此后期將提升速度調(diào)整至8 cm/min。

3）水泥使用量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，前期施工過(guò)程中質(zhì)量問題主要出現(xiàn)在方管樁基上。分析主要原因是在方形鉆桿回轉(zhuǎn)的過(guò)程中，鉆孔直徑為方管的對(duì)角線，鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)與周圍土體之間產(chǎn)生空隙，形成水泥漿的向上返漿通道，導(dǎo)致土體內(nèi)水泥摻入量偏少，高壓漿體的切削效果減弱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)部分方管樁機(jī)水泥用量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，水泥摻入量約180～190 kg/m，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的300 kg/m的水泥摻量。后期在重要部位均采用圓管樁基。

4）土層松散

現(xiàn)場(chǎng)部分區(qū)域表層回填了約4～5 m的中粗砂混砂卵礫石，未進(jìn)行碾壓密實(shí)，比較松散，孔隙較大。在較高的噴漿壓力下，水泥漿沿孔隙逸出，造成回填土層內(nèi)的水泥摻量變少，影響了成樁效果。針對(duì)該情況進(jìn)行預(yù)噴或復(fù)噴。預(yù)噴采用較低的噴漿壓力來(lái)穩(wěn)定砂卵礫石層，保證砂卵礫石不塌孔，并封閉連通的較大的孔隙防止漏漿。復(fù)噴射采用正常的噴漿壓力，保證樁體的水泥摻量和樁徑。

4.3 改進(jìn)后效果

通過(guò)上述改進(jìn)砂卵礫石層中高壓旋噴樁施工質(zhì)量得到了控制。樁身完整性較之前有了大幅度提高，滲透性能夠滿足設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后效果如圖3所示。

圖3 高壓旋噴樁工藝改進(jìn)前后施工質(zhì)量對(duì)比圖Fig.3 Contrast diagram of construction quality before and after technology improvement of high pressure rotary jet grouting pile

5 結(jié)論與建議

本文針對(duì)高壓旋噴樁防滲結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題和控制措施進(jìn)行了研究，結(jié)論與建議如下：

1）雙管法高噴注漿技術(shù)處理粉質(zhì)黏土層和砂層等地質(zhì)均勻的地層，施工質(zhì)量相對(duì)較好，樁身連續(xù)且強(qiáng)度較高。

2）雙管法高噴注漿技術(shù)處理砂卵礫石層防滲施工具有可行性，但需要根據(jù)實(shí)際情況采取預(yù)噴和復(fù)噴、降低提升速度等，選擇合適的樁機(jī)設(shè)備等措施保證施工質(zhì)量，并要進(jìn)行典型施工和防滲檢測(cè)。

3）相比于粉質(zhì)黏土層和砂層的高壓旋噴樁芯樣，位于砂卵礫石層的芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值分布比較分散，主要由于砂卵礫石層的含泥量較多，或者卵石粒徑較大，造成芯樣內(nèi)水泥漿和卵石黏結(jié)強(qiáng)度不足等原因造成的。