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2040MPa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。
浆桶
水箱
搅拌机
水泥仓
旋喷固结体
注浆管
钻机
喷头
图2 二重管旋喷注浆示意图
空压机
高压泥浆
泵
高压泥
浆泵
浆桶
水箱
搅拌机
水泥仓
旋喷固结体
注浆管
钻机
喷头
图1 单管旋喷注浆示意图
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
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。
浆桶
水箱
搅拌机
水泥仓
旋喷固结体
注浆管
钻机
喷头
图3 三重管旋喷注浆示意图
空压机
高压泥
浆泵
高压清
水泵
渗透部分
搅拌混合部分
硬化剂主体部分
图4 旋喷桩体固结情况图
压缩部分 4工艺流程 高压旋喷桩施工工艺流程图见图5。
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510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泥浆排放处理
钻机就位
调整钻架角度
钻 孔
插 管
试 喷
高压喷射注浆作业
喷射结束
拔 管
桩机移位
机具清理
准备工作
制 浆
一级过滤
二级过滤
高压泵对浆液加压
启动高压清水泵、空
压机供水、风
图5 施工工艺流程图 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、碾碎过25mm筛的粉状土样
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1020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0.51.0MPa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2040MPa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46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2040MPa浆液比重1.301.49旋喷速度20rmin提升速度
0.20.25m/min喷嘴直径23mm浆液流量80100L/min视桩径流量可加大。
2二重管。法浆液压力2040MPa压缩空气压力0.70.8MPa。
3三重管。法浆液压力0.20.8MPa浆液比重1.601.80压缩空气压力0.50.8MPa
高压水压力3050MPa。 6推荐使用的主要机具设备 主要机具设备见表2。 表2 主要机具设备表
设备名称 型号 规格
所用机具
单管法 二重管法 三重管法
高压泥浆泵 SNS-H300水流Y-2型液压泵 20MPa50MPa √ √ 高压水泵
3XB型 3W6B 50MPa √ 3XB型 3W7B 20MPa
钻机 工程地质钻振动钻 √ √ √ 泥浆泵 BW-150型 7MPa √ 空气压缩机 0.8MPa3m3/min √ √ 泥浆搅拌罐
200L/min √ √ √ 注浆管 √ √ √ 高压胶管 Φ1922mm工作压力
√ √ √ 7劳动力组织 单机
作业每班人员组织分工见表3。 表3 单机作业每班人员组织分工表
序号 职务 人数 职 责
1 班长 1 全面掌握施工进度、质量和安全
2 钻机司机 1 操作钻机卸接钻杆维修保养和排除故障
3 泵工 1 操作泥浆泵、清水泵及维修保养
4 空压机司机 1 操作空压机及维修保养单重管法不需要
5 电工 1 负责钻机、电源、电路、工地照明及电气故障排除
6 钳工 1 全面维修保养机具设备
7 普工 2 倒运水泥操作泥浆搅拌罐及倒灰和过滤
8 普工 2 协助钻机工作卸接钻杆、冲洗等
9 技术人员 1 掌握施工技术、质量填写工程日志和记录
合 计 11 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 项目 允许偏差 检查数量 检查方法及说明
1 固结体位置纵横方向 50mm
抽检2%但不少
于2根
用经纬仪检查或钢尺丈量
2 固结体垂直度 1.5% 用经纬仪检查喷浆管
3 固结体有效直径 ±50mm 开挖0.51m深后尺量
4 桩体无侧限抗压强度 不小于设计规定 钻芯取样做无侧限抗压强度试验
5 复合地基承载力 不小于设计规定
抽检2‰但不少
于1处
平板荷载试验
6 渗透系数 不小于设计规定 按设计要求数量
加固体内或围井钻孔注压水试
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。 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1020cm
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 旋喷注浆记录表 工程名称 钻孔机具
高压泵型号 空压机型号 水泵型号
注浆管直径
喷嘴孔径 喷嘴个数
设计提升速度 设计旋转速度 设计注浆量
浆液配比 水泥标号
注浆孔
编号
旋喷
深度
m
实际有
效长度
m
旋喷时间
时分
旋转
速度
r/s
提升
速度
m/s
旋喷
压力
MPa
注浆量
m3
冒浆量
及残液
状态
供水
压力
MPa
供风
压力
MPa
旋喷
日期
开始 结束
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φ50δ=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按5排φ600@500排距@500
通道基地旋喷桩需从基底加固到基底以下2mφ600@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。
表6 破除通道旋喷桩特性表
图6 旋喷桩布置示意图
序
号
部位
桩
径
桩距、
排距
南侧主通
道
加固深度
m
北侧梯道
加 固深 度
m
备注
1
连续墙
两侧
600 @500 约5m
梯道1m深后
开始
1.0~约5m
2
连续墙
两端
600 @500 约11.5 0
3
通道基
底
600 @500
从约
8.5~11.5
梯道1m深后
开始
1.0~约11.1
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
机械设备名称 型号规格 数量
国别
产地
制造
年份
额定功率
KW
生产
能力
备注
1 高喷台车 T XV7 5型 1台 国产 5 . 5
2 乳化泵 1台 国产 2 2
3 卧式灰浆搅拌机 UJ W2 5 0 1台 国
产 3
4 立式搅拌机 L J 6 6 0 1台 国产 3
5 钻 机 XY- 2等 1台 国产 1 7 . 5
6 清水水泵 3台 国产 4
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3040 Lmin
喷射管的提升速度15~25cm/min
水泥浆重度1.351.5g/cm3。
水泥用量>200kgm
2、水泥浆水灰比0.81.21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