三江導托渠二重管高壓旋噴工法成樁直徑分析

李元平

(江西省水投建設集團有限公司，南昌 330029)

1 問題的提出

二重管高壓旋噴施工技術主要通過壓縮空氣包裹高壓水泥漿，以達到增大高壓旋噴樁成樁直徑，增強加固效果的作用。當前，該技術在路堤軟土地基加固、隧道圍巖超前加固、水利工程軟基處治等工程建設施工領域得到廣泛應用。二重管高壓旋噴鉆噴桿底側面所固定的雙噴嘴內管主要輸送水泥漿，外管則輸送壓縮空氣，在鉆桿旋轉提升的過程中壓縮空氣和水泥漿液同時噴出，達到切削、破壞土體的作用。壓縮空氣對從噴嘴噴出的高壓流體具有包裹作用，使射流速度沿噴射距離的衰減速度明顯減弱，增大旋噴樁成樁直徑。但是，由于二重管高壓旋噴施工是液、固、氣三相介質耦合作用的復雜過程，故很難從理論角度測算水泥漿液、壓縮空氣、土體作用過程中旋噴樁成樁直徑。而成樁直徑是二重管高壓旋噴樁重要的施工參數，對于控制施工過程及提升施工質量十分關鍵，為此，在借鑒相關研究文獻并參考大量工程實踐的基礎上，文章提出二重管高壓旋噴工法成樁直徑的快速測算方法。

2 二重管法成樁直徑快速測算

2.1 單重管法成樁直徑的計算

通常以圓形斷面自由紊動射流理論及土體破壞理論為基礎進行單管法高壓旋噴成樁直徑的計算及分析，涉及原理較為簡單：即在不變的施工參數及噴嘴未發生移動的情況下，通過從固定噴嘴中所噴射出的高壓射流切削破壞土體，這一過程中噴射時間無限制，但是高壓射流對周圍土體的切削和破壞距離存在一個上限[1]；而實際施工過程中噴嘴并非固定不動，噴嘴會發生提升和選裝，導致噴射時間大大縮短，即噴嘴移動越快，噴射時間越短，成樁直徑與切削距離極限值相比也越小，反之則反是。按照這種思路，則單管法高壓旋噴施工成樁直徑可按照下式確定：

Ds=2ηxL+Dr

(1)

式中：Ds為單管法高壓旋噴成樁直徑，mm；η為噴嘴移動速度影響下的折減系數；XL為切削距離極限值，m；Dr為高壓旋噴鉆噴桿直徑，mm，單管法、二重管法和三重管法高壓旋噴工法下分別取60mm、76mm和90mm。

2.2 二重管法成樁直徑測算

結合二重管法成樁施工過程，從噴嘴噴出的高壓射流在破壞和切削土體的過程中射流速度急速衰減，并隨著射流速度的下降，對土體的切削力逐漸減弱，最終當射流速度降至土體臨界破壞速度以下時，便失去對土體的切削力。二重管法施工技術因高壓射流周圍有壓縮空氣包裹，能有效延長射流速度的衰減過程，增大對土體的切削力和成樁直徑。但是，在二重管法施工過程中也會因此而形成復雜的水泥漿射流、壓縮空氣、待切削土體[2]等作用關系，壓縮空氣對成樁直徑增大效應目前尚無法通過理論計算得出，文章主要基于大量工程實踐，從壓縮空氣影響的視角出發，提出以下二重管法成樁直徑的計算公式：

Dd=ΛDs

(2)

式中：Dd為二重管高壓旋噴工法成樁直徑，mm；Λ為壓縮空氣影響下的成樁直徑增大系數；其余參數含義同前。

二重管高壓旋噴工法施工過程中壓縮空氣的影響程度主要受噴射壓力pa的影響，高壓旋噴施工常用壓縮空氣噴射壓力值為0.5-1.5MPa，則壓縮空氣影響下的成樁直徑增大系數應按下式確定：

Λ=1+m(pa/patm)

(3)

式中：m為—地質條件影響的修正系數；因二重管法施工過程中所形成的水泥漿射流、壓縮空氣、待切削土體等三相介質作用關系復雜，故假定其取值固定不變；patm為標準大氣壓。當該式中壓縮空氣噴射壓力取值為0時，則Λ=1，該式計算結果便簡化為單管法成樁直徑。結合相關文獻，m通常情況下取值0.054，將該取值代入式(3)后可以得到高壓旋噴工法下壓縮空氣影響下的成樁直徑增大系數為1.27-1.81；大量工程經驗證明，高壓旋噴施工時壓縮空氣的應用能使樁徑增大30-90%，這與文章測算結果十分接近。

3 應用實例

3.1 工程概況

上饒市城市防洪工程三江導托渠改擴建工程包括新建導托渠7.6km，其上開口連接豐溪河，下與延伸段、調蓄池連接，調蓄池通過出口閘連接信江。導托渠及調蓄池土方開挖190×104m3、土方回填40×104m3、石方開挖4×104m3、混凝土5×104m3、鋼筋制安2000t。進口閘閘室基礎開挖深度達8m，屬深基坑，閘室段大堤堤身填筑土料為砂卵石，信江河水輕易滲透穿堤，滲量非常大，一旦基礎開挖邊坡失穩，后果非常嚴重。為安全考慮出口閘閘室基坑采用灌注樁+高噴帷幕方案。閘室基坑采用灌注樁受力，間隔高噴樁封閉，臨堤側高噴樁帷幕隔水。基坑尺寸19×32m，灌注樁直徑1000mm，樁長12-14.5m，數量為92根。高壓旋噴樁施工采用二重管法，采用PO42.5級普通硅酸鹽水泥，或用水泥及粉煤灰，為保證施工效果，還應按照水泥用量的2-4%在水泥漿中滲入氯化鈣、水玻璃、三乙醇胺等速凝早強劑。為保證施工質量應嚴格遵守試樁要求，在展開大批量制樁前進行試樁，以進行施工工藝參數的確定及合理性校驗。

3.2 二重管高壓旋噴樁成樁直徑測算

在進行該工程二重管高壓旋噴施工前必須通過試樁確定施工參數，兩根樁Z1和Z2平面與斷面布置，二重管高壓旋噴樁試樁示意圖，見圖1；試樁間距2.0m，試驗樁長6.0m，樁徑1.0m，試樁施工參數，見表1。

圖1 二重管高壓旋噴樁試樁示意圖 m

表1 試樁施工參數

本次試驗主要在深厚軟土地區進行，地面以下淤泥土厚度較大，壓縮性大，強度低，天然含水量高。根據地勘資料，試驗現場土天然密度1.67g/cm3，液限50.8%，塑限26.7%，含水量56.4%，孔隙比1.6，抗剪強度4.9kPa，壓縮模量1.8MPa。根據淤泥土顆粒級配曲線，細顆粒質量分數為96.8%，平均粒徑0.004mm。

將試驗現場土體參數和施工參數代入式(2)和(3)后可以得到二重管高壓旋噴樁成樁直徑參數取值，二重管高壓旋噴樁成樁直徑參數計算結，見表2。通過比較發現，Z1樁和Z2樁成樁直徑實測值和文章所提出方法測算結果之間的相對誤差分別為5.6%和6.3%，符合工程施工實際需要。

表2 二重管高壓旋噴樁成樁直徑參數計算結果

高壓旋噴樁施工技術主要利用高壓泵及鉆桿端頭特制噴頭將水泥漿液以較快速度噴入土體，借助水泥漿液的沖擊力切削土層，鉆桿以一定速度旋轉的同時，以10-25cm/min的較低速度徐徐提升，以達到土體與水泥漿充分攪拌、混合、凝固的作用后，最終形成強度在0.5-8.0MPa之間的圓柱形固結體旋噴樁，從而達到加固軟弱地基的施工效果。高壓旋噴樁施工示意圖，見圖2。

圖2 高壓旋噴樁施工示意圖

經試樁驗證高壓旋噴樁工藝參數切實可行，試樁質量高，則按照試樁過程中所提出的各項控制參數進行高壓旋噴樁的后續施工。

4 結 論

綜上所述，二重管高壓旋噴施工時高壓射流在壓縮空氣的包裹下能使射流速度衰減速度有效降低，高壓射流對周圍軟弱土體的切削破壞作用顯著增強，成樁直徑增大。文章基于對二重管成樁過程的分析并結合大量工程實踐，對二重管法高壓旋噴成樁直徑的測算方法進行分析探討，主要測算控制參數為空氣噴射壓力，二重管成樁過程中壓縮空氣壓力范圍通常為0.5-1.5MPa，故根據文章所提出的測算公式可以得出，高壓射流在壓縮空氣的包裹下可使成樁直徑增大30-85%，與大量工程經驗較為吻合。通過比較工程應用結果實測數據和計算結果發現，兩者相對誤差較小，也驗證了文章所提出的二重管高壓旋噴施工成樁直徑快速測算方法的合理性。