粘性土地层三重管旋喷加固技术
发布日期：2013-07-29 12:37:58 浏览量：1282
注浆技术目前已成为我国岩土工程技术领域的一个重要分支，它在市政工程、水利电力、交通能源、隧道、地下铁道、矿井、地下建筑等许多领域有着广泛的应用[本文转自：lunwen.1kejian.com]
本文结合水利工程盾构隧洞工程实例，介绍旋喷桩在加固地层施工中的应用，改善土体受力结构，确保盾构机始发及接收时的安全。
1.1 工程概况
北京市南水北调配套工程南干渠工程项目为北京市南水北调配套工程之一。第十一标段桩号起讫里程为18+574.04～21+199.04，主要工程内容有盾构隧洞和二次衬砌2625m、4座排气阀井（31～34号）、1座盾构始发及接收井（接收相邻标段的盾构机）及2座二衬施工竖井。
1.2 设计概述[本文转自：lunwen.1kejian.com]
1.2.1 地层条件及加固方法
加固区域地质结构为粘性土夹砂、砾多元结构，地表下为杂填土，厚度0.9～1.4m，其下为第一大层粘性土，可塑状态，底高程21.1～21.8m；中细砂底板高程20.2～18.6m，厚度不大，呈中密～密实状态；第二大层粘性土，可塑状态，底高程11.6～11.4m；砾砂、圆砾层，呈密实状态，底高程6.4～6.1m；再下为粘性土层，可塑状态。
1.2.2 加固范围及要求
1.2.2.1 4#盾构始发兼接收井端头土体加固
盾构井始发及接收井端头土体加固在基坑围护桩施工完毕并达到强度后进行，土体加固长度均为围护结构外井土体加固平面及剖面布置见图1。
图1 4#盾构始发兼接收井端头地层加固平面及剖面布置图
1.2.2.2 端头地层加固要求
① 加固后地层具有良好的均匀性和自立体性；
② 加固完成后地层无侧限抗压强度不小于1.2Mpa，渗透系数不大于1.0×10-8cm/s。
1.2 工程地质及水文地质情况
1.2.1 工程地质情况
加固区域地质结构为粘性土夹砂、砾多元结构，可分为杂填土、粘土、粉质粘土、中细砂等土层。呈中密~密实状态。
勘探期间（2009.04）地下水位高程分别为28.2～29.6m、19.6～20.3m、11.1m，其主要含水层粉土、中粗砂及圆砾/卵石，各层的渗透系数可分别按3.2m/d、20～30m/d、100m/d考虑。各土层主要物理力学指标值见表1。
表1 加固区域各土层主要物理力学指标值表
编号
高程（m）
层号
岩土名称
重度
KN/m3
内聚力
Kpa
水上
摩檫角
水下
摩檫角
地面
34.9
工程地
质剖面
DG4＃-DG4＃
29.5
②
粘质粉土
20.1
18
22
25.0
③上
粉质粘土
19.9
25
18
23.4
③6
粘土
19.2
32
16
21.5
③中
粉质粘土
19.9
25
18
20.1
③4
中细砂
17.5
0
27
25
11.6
③下
粉质粘土
19.9
26
18
9.0
④
中砂
17.8
0
29
27.5
6.3
⑤
卵石
21.8
0
34
33
1.3.2 水文概况
加固区内钻探揭露地下水含水层由一层含水层过渡到多层含水层，其岩性以③1层中细砂、④层中粗砂和②层粉土为主，渗透系数分别为5～25m/d、15～40m/d和0.1～1.0m/d，局部水量较大，隔水层为粉质粘土、粘土，含水层与隔水层基本呈互层状分布，各层含水层都有本层的水位，但不稳定，且连续性差。部分含水层局部地段因隔水层分布的变化或受地下水开采的影响，承压水位低于含水层顶板，形成层间水。勘探期间地下水位分别为30.55～29.43m、22.56～20.32m及12.85～11.12m。
2.1 注浆方法选择
根据本工程的地质特点和工程对注浆质量的要求，采用汽车钻机成孔，再用高压旋喷法旋喷注浆加固，浆液采用复合硅酸盐水泥浆，水泥选用42.5#普通硅酸盐水泥。
2.2 旋喷加固设计
2.2.1 注浆孔距
桩径φ1000mm，孔距取800mm，桩互相咬合200mm，跳桩隔排施工，桩布置见图2。
图2 旋喷桩交圈示意图
2.2.2浆液配合比设计
浆液配合比设计：水泥：水＝1：1
2.2.3 旋喷施工参数
高压泵压力：20～40Mpa，流量：100～120L/min
空压机压力：0.7Mpa，流量：1～3L/min
泥浆泵压力：3～5Mpa，水流量：100～150L/min
浆液压力：3Mpa，水压30Mpa，气压0.7Mpa，浆液流量：100～150L/min，浆液比重1.49～1.69，水灰比1：1 (根据现场试喷情况决定)；42.5普通硅酸盐水泥。
注浆管外径：89mm，提升速度约20cm/min，旋转速度10r/min，施工中根据现场情况进行微调。
2.2.4 浆液注入量
浆液注入量以单根旋喷桩为例，体积法进行计算。
Q=πDe2K1h1(1+β)/4+πD02 K2h2/4
Q——需用的浆量(m3)；
De——旋喷体直径(1.0m)；
K1——填充率(0.75～0.9)；
h1——旋喷长度(12m)；
β——损失系数(0.1～0.2)；
D0——注浆管直径(0.089m)；
K2 ——未旋喷范围土的填充率(0.5～0.75)；
h2 ——未旋喷长度(9m)；
Q = 3.14×12×（0.75～0.9）×12×[1+（0.1～0.2）]/4+3.14×0.0892×(0.5～0.75)×6.6/4=8.0～10.52m3/根；每根每延米用浆量0.667～0.877m3。
3.1 施工工艺
3.1.1 工艺流程
3.1.1.1 三重管旋喷法工艺流程
（1）先用地质钻机引孔；
（2）安放钻机和慢速卷扬机，用以旋转和提升旋喷管；
（3）将旋喷管通过钻机盘插入孔内；
（4）接通高压管、水泥浆管、空压管，开动高压泵、空压机和旋转钻机进行旋喷。用仪表控制压力、流量、风量。当分别达到预定数值时开始提升；
（5）继续旋喷和提升直至预定的旋喷高度为止；
（6）拔出旋喷管和套管。
3.1.1.2 注意事项
（1）当采用三重管法旋喷，开始时，先送高压水，再送水泥浆和压缩空气，在一般情况下，压缩空气可晚送30s。在桩底部边喷射1min后，再进行边旋转、边提升、边喷射。
（2）喷射时，先应达到预定的喷射压力、喷浆量后，再逐渐提升注浆管。中间发生故障时，应停止提升和旋喷，以防桩体中断，同时立即进行检查，排除故障；如发现有浆液喷射不足，影响桩体的设计直径时，应进行复核。
（3）为避免浆液过分损失，旋喷时采取由外及内的顺序，跳孔施工。桩号按1、3、5、7······的顺序施工，在混凝土强度达到30%左右时进行桩的咬合。施工总体程序详见图3。
3.1.2 放线定位
根据设计图纸的孔位进行测量放线，定出注浆孔位置。孔位定位见图4。
图4 桩孔定位示意图
3.1.3 钻机成孔
根据勘察报告，地层主要为粘土、粉质粘土、中细砂层，故采用汽车钻机成孔，孔径150mm。成孔采用膨润土泥浆护壁，护
泥浆密度保持在1.3~1.5t/m3。开钻前应调整好钻机的垂直度，确保钻孔的垂直度偏差小于1.5%。
（1） 钻机泥浆护壁成孔工艺
钻孔施工配备一个自行加工的30～35m3泥浆池。废浆和淤泥用封闭的专用汽车运输到指定的弃土区，禁止泥浆乱倒或乱流，以免污染环境。泥浆性能指标[本文转自：lunwen.1kejian.com]表见表2。[本文转自：lunwen.1kejian.com]
表2 泥浆性能指标表
地 层
情 况
泥浆性能指标
相对密度
粘度s
静切力（Pa）
含砂率（%）
胶体率
（%）
失水率ml/30 min
酸碱度(ph)
粘性土
1.05～1.20
16～22
1.0～2.5
8～4
≥96
≤25
8～10
砂类土
1.20～1.45
19～28
3～5
8～4
≥96
≤15
8～10
注：a、地下水位高时，指标取高值，反之取低值。b、地质较好，孔径或孔深较小时，指标取低值。c、孔壁泥皮厚度应≤3mm。d、若当地缺乏优质粘土，不能调出合格的泥浆时，可掺用添加剂以改善泥浆的性能，各种添加剂掺量按相应规定进行。
通过泵送人工配置的优质泥浆，有效地稳定孔壁，使所造的钻孔壁在相当长的时间内不坍塌。
成孔工艺中最重要的是泥浆的配比，根据实际情况，在钻孔前在实验室内要做好配比试验。在钻进过程中，泥浆性能会因钻孔情况的变化而发生变化。如钻到粘土层时，泥浆会变稠，粘度、切力增大，糊钻、泥包钻头的情况增多；钻到砂层时，大量砂粒会混入泥浆中，使含砂量增加、泥皮松散、失水量与比重加大，这不但使护壁性能降低，加速水泵磨损，严重时还可能造成由于泥皮塌落而发生孔内事故；在遇到承压水层时，地下水会大量侵入孔内使泥浆稀释、性能被破坏等等。这时应及时调整泥浆的性能，否则就难以维持正常的钻进。
（2） 泥浆配比设计
泥浆配比设计是确定泥浆各组分在泥浆中所占比例的过程，目的在于使所配泥浆的性能符合钻进的需要。例如，在砂层中，要使泥浆具有足够大的比重，较小的失水量，薄而坚韧的泥皮；在中细砂层，由于地表循环系统除砂较困难，需要更严格地控制泥浆的含砂量；在粘性土层中钻进，由于粘性土有自身造浆的特点，为此要设法控制泥浆粘度不断增大的趋势。因此，泥浆的性能设计须经初选—应用—改性—再应用直至基本达到要求这样一个过程。
3.1.4 下护壁PVC管
钻孔到设计要求深度后，在钻孔内下φ110mm薄壁脆质PVC管护壁，防止孔坍塌。
3.1.5 旋喷钻机就位
钻孔完成后旋喷机就位，在PVC管内钻入89mm的喷射管。下喷射管时应连续低压通水以防止堵塞喷射嘴。
3.1.6 旋喷
旋喷桩施工见图5。
图5 旋喷桩施工示意图
旋喷拟分二序进行，即跳孔旋喷，并沿周边向内逐圈进行。
喷射管下入孔内后，按照选定的实验参数，自下而上旋转喷射提升。高压喷射注浆材料为42.5普通硅酸盐水泥拌制的水灰比为1：1的纯水泥浆液，浆液的比重≥1.49，浆液的比重通过比重计测定。水泥浆采用WJ-100型灰浆搅拌机两次拌制。喷射注浆使用GZB-40型高压主灌浆泵供浆。
喷浆施工应连续进行，喷射时，若发现注浆压力骤然升高或降低，孔口不返浆或大量返浆等情况，应立即停止提升或和喷射浆液，以防止桩体不连接，待查明原因，排除故障后再继续喷射提升。继续喷浆前，要将喷射管往孔内下入0.3~0.5m，保证停喷前后桩体有0.3~0.5.搭接长度。
喷射结束时，应适当延长注浆时间，拔出喷射管后继续进行人工注浆，直止孔口浆液面不再下降为止。
3.1.7 注浆过程注意事项
注浆过程中，应对地面、周围建筑物、地下管线进行隆起、倾斜、变形和位移观测，一旦发现问题立即通知项目部管理人员，及时处理；情况严重时，立即停止作业，待处理完毕后再进行施工。
3.2 注浆检验
施工质量标准见表3。
3.3 工艺说明
⑴ 水泥浆在旋喷前1小时内拌制，水灰比宜用1：1，旋喷过程中耗浆量控制在10～25%，由下往上喷浆，注浆管分段提升的搭接长不小于100mm，相邻两桩施工间隔时间大于两天且大于2m距离。
⑵ 浆液必须经过搅拌机充分搅拌均匀后，才能开始压注，并应在注浆过程中不停顿地缓慢搅拌，时间应小于浆液初凝时间，浆液在泵送前应经过筛网过滤。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://lubanwang.com/a_20130729123800.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
本文结合水利工程盾构隧洞工程实例，介绍旋喷桩在加固地层施工中的应用，改善土体受力结构，确保盾构机始发及接收时的安全。
1.1 工程概况
北京市南水北调配套工程南干渠工程项目为北京市南水北调配套工程之一。第十一标段桩号起讫里程为18+574.04～21+199.04，主要工程内容有盾构隧洞和二次衬砌2625m、4座排气阀井（31～34号）、1座盾构始发及接收井（接收相邻标段的盾构机）及2座二衬施工竖井。
1.2 设计概述[本文转自：lunwen.1kejian.com]
1.2.1 地层条件及加固方法
加固区域地质结构为粘性土夹砂、砾多元结构，地表下为杂填土，厚度0.9～1.4m，其下为第一大层粘性土，可塑状态，底高程21.1～21.8m；中细砂底板高程20.2～18.6m，厚度不大，呈中密～密实状态；第二大层粘性土，可塑状态，底高程11.6～11.4m；砾砂、圆砾层，呈密实状态，底高程6.4～6.1m；再下为粘性土层，可塑状态。
1.2.2 加固范围及要求
1.2.2.1 4#盾构始发兼接收井端头土体加固
盾构井始发及接收井端头土体加固在基坑围护桩施工完毕并达到强度后进行，土体加固长度均为围护结构外井土体加固平面及剖面布置见图1。
图1 4#盾构始发兼接收井端头地层加固平面及剖面布置图
1.2.2.2 端头地层加固要求
① 加固后地层具有良好的均匀性和自立体性；
② 加固完成后地层无侧限抗压强度不小于1.2Mpa，渗透系数不大于1.0×10-8cm/s。
1.2 工程地质及水文地质情况
1.2.1 工程地质情况
加固区域地质结构为粘性土夹砂、砾多元结构，可分为杂填土、粘土、粉质粘土、中细砂等土层。呈中密~密实状态。
勘探期间（2009.04）地下水位高程分别为28.2～29.6m、19.6～20.3m、11.1m，其主要含水层粉土、中粗砂及圆砾/卵石，各层的渗透系数可分别按3.2m/d、20～30m/d、100m/d考虑。各土层主要物理力学指标值见表1。
表1 加固区域各土层主要物理力学指标值表
编号
高程（m）
层号
岩土名称
重度
KN/m3
内聚力
Kpa
水上
摩檫角
水下
摩檫角
地面
34.9
工程地
质剖面
DG4＃-DG4＃
29.5
②
粘质粉土
20.1
18
22
25.0
③上
粉质粘土
19.9
25
18
23.4
③6
粘土
19.2
32
16
21.5
③中
粉质粘土
19.9
25
18
20.1
③4
中细砂
17.5
0
27
25
11.6
③下
粉质粘土
19.9
26
18
9.0
④
中砂
17.8
0
29
27.5
6.3
⑤
卵石
21.8
0
34
33
1.3.2 水文概况
加固区内钻探揭露地下水含水层由一层含水层过渡到多层含水层，其岩性以③1层中细砂、④层中粗砂和②层粉土为主，渗透系数分别为5～25m/d、15～40m/d和0.1～1.0m/d，局部水量较大，隔水层为粉质粘土、粘土，含水层与隔水层基本呈互层状分布，各层含水层都有本层的水位，但不稳定，且连续性差。部分含水层局部地段因隔水层分布的变化或受地下水开采的影响，承压水位低于含水层顶板，形成层间水。勘探期间地下水位分别为30.55～29.43m、22.56～20.32m及12.85～11.12m。
2.1 注浆方法选择
根据本工程的地质特点和工程对注浆质量的要求，采用汽车钻机成孔，再用高压旋喷法旋喷注浆加固，浆液采用复合硅酸盐水泥浆，水泥选用42.5#普通硅酸盐水泥。
2.2 旋喷加固设计
2.2.1 注浆孔距
桩径φ1000mm，孔距取800mm，桩互相咬合200mm，跳桩隔排施工，桩布置见图2。
图2 旋喷桩交圈示意图
2.2.2浆液配合比设计
浆液配合比设计：水泥：水＝1：1
2.2.3 旋喷施工参数
高压泵压力：20～40Mpa，流量：100～120L/min
空压机压力：0.7Mpa，流量：1～3L/min
泥浆泵压力：3～5Mpa，水流量：100～150L/min
浆液压力：3Mpa，水压30Mpa，气压0.7Mpa，浆液流量：100～150L/min，浆液比重1.49～1.69，水灰比1：1 (根据现场试喷情况决定)；42.5普通硅酸盐水泥。
注浆管外径：89mm，提升速度约20cm/min，旋转速度10r/min，施工中根据现场情况进行微调。
2.2.4 浆液注入量
浆液注入量以单根旋喷桩为例，体积法进行计算。
Q=πDe2K1h1(1+β)/4+πD02 K2h2/4
Q——需用的浆量(m3)；
De——旋喷体直径(1.0m)；
K1——填充率(0.75～0.9)；
h1——旋喷长度(12m)；
β——损失系数(0.1～0.2)；
D0——注浆管直径(0.089m)；
K2 ——未旋喷范围土的填充率(0.5～0.75)；
h2 ——未旋喷长度(9m)；
Q = 3.14×12×（0.75～0.9）×12×[1+（0.1～0.2）]/4+3.14×0.0892×(0.5～0.75)×6.6/4=8.0～10.52m3/根；每根每延米用浆量0.667～0.877m3。
3.1 施工工艺
3.1.1 工艺流程
3.1.1.1 三重管旋喷法工艺流程
（1）先用地质钻机引孔；
（2）安放钻机和慢速卷扬机，用以旋转和提升旋喷管；
（3）将旋喷管通过钻机盘插入孔内；
（4）接通高压管、水泥浆管、空压管，开动高压泵、空压机和旋转钻机进行旋喷。用仪表控制压力、流量、风量。当分别达到预定数值时开始提升；
（5）继续旋喷和提升直至预定的旋喷高度为止；
（6）拔出旋喷管和套管。
3.1.1.2 注意事项
（1）当采用三重管法旋喷，开始时，先送高压水，再送水泥浆和压缩空气，在一般情况下，压缩空气可晚送30s。在桩底部边喷射1min后，再进行边旋转、边提升、边喷射。
（2）喷射时，先应达到预定的喷射压力、喷浆量后，再逐渐提升注浆管。中间发生故障时，应停止提升和旋喷，以防桩体中断，同时立即进行检查，排除故障；如发现有浆液喷射不足，影响桩体的设计直径时，应进行复核。
（3）为避免浆液过分损失，旋喷时采取由外及内的顺序，跳孔施工。桩号按1、3、5、7······的顺序施工，在混凝土强度达到30%左右时进行桩的咬合。施工总体程序详见图3。
3.1.2 放线定位
根据设计图纸的孔位进行测量放线，定出注浆孔位置。孔位定位见图4。
图4 桩孔定位示意图
3.1.3 钻机成孔
根据勘察报告，地层主要为粘土、粉质粘土、中细砂层，故采用汽车钻机成孔，孔径150mm。成孔采用膨润土泥浆护壁，护
泥浆密度保持在1.3~1.5t/m3。开钻前应调整好钻机的垂直度，确保钻孔的垂直度偏差小于1.5%。
（1） 钻机泥浆护壁成孔工艺
钻孔施工配备一个自行加工的30～35m3泥浆池。废浆和淤泥用封闭的专用汽车运输到指定的弃土区，禁止泥浆乱倒或乱流，以免污染环境。泥浆性能指标[本文转自：lunwen.1kejian.com]表见表2。[本文转自：lunwen.1kejian.com]
表2 泥浆性能指标表
地 层
情 况
泥浆性能指标
相对密度
粘度s
静切力（Pa）
含砂率（%）
胶体率
（%）
失水率ml/30 min
酸碱度(ph)
粘性土
1.05～1.20
16～22
1.0～2.5
8～4
≥96
≤25
8～10
砂类土
1.20～1.45
19～28
3～5
8～4
≥96
≤15
8～10
注：a、地下水位高时，指标取高值，反之取低值。b、地质较好，孔径或孔深较小时，指标取低值。c、孔壁泥皮厚度应≤3mm。d、若当地缺乏优质粘土，不能调出合格的泥浆时，可掺用添加剂以改善泥浆的性能，各种添加剂掺量按相应规定进行。
通过泵送人工配置的优质泥浆，有效地稳定孔壁，使所造的钻孔壁在相当长的时间内不坍塌。
成孔工艺中最重要的是泥浆的配比，根据实际情况，在钻孔前在实验室内要做好配比试验。在钻进过程中，泥浆性能会因钻孔情况的变化而发生变化。如钻到粘土层时，泥浆会变稠，粘度、切力增大，糊钻、泥包钻头的情况增多；钻到砂层时，大量砂粒会混入泥浆中，使含砂量增加、泥皮松散、失水量与比重加大，这不但使护壁性能降低，加速水泵磨损，严重时还可能造成由于泥皮塌落而发生孔内事故；在遇到承压水层时，地下水会大量侵入孔内使泥浆稀释、性能被破坏等等。这时应及时调整泥浆的性能，否则就难以维持正常的钻进。
（2） 泥浆配比设计
泥浆配比设计是确定泥浆各组分在泥浆中所占比例的过程，目的在于使所配泥浆的性能符合钻进的需要。例如，在砂层中，要使泥浆具有足够大的比重，较小的失水量，薄而坚韧的泥皮；在中细砂层，由于地表循环系统除砂较困难，需要更严格地控制泥浆的含砂量；在粘性土层中钻进，由于粘性土有自身造浆的特点，为此要设法控制泥浆粘度不断增大的趋势。因此，泥浆的性能设计须经初选—应用—改性—再应用直至基本达到要求这样一个过程。
3.1.4 下护壁PVC管
钻孔到设计要求深度后，在钻孔内下φ110mm薄壁脆质PVC管护壁，防止孔坍塌。
3.1.5 旋喷钻机就位
钻孔完成后旋喷机就位，在PVC管内钻入89mm的喷射管。下喷射管时应连续低压通水以防止堵塞喷射嘴。
3.1.6 旋喷
旋喷桩施工见图5。
图5 旋喷桩施工示意图
旋喷拟分二序进行，即跳孔旋喷，并沿周边向内逐圈进行。
喷射管下入孔内后，按照选定的实验参数，自下而上旋转喷射提升。高压喷射注浆材料为42.5普通硅酸盐水泥拌制的水灰比为1：1的纯水泥浆液，浆液的比重≥1.49，浆液的比重通过比重计测定。水泥浆采用WJ-100型灰浆搅拌机两次拌制。喷射注浆使用GZB-40型高压主灌浆泵供浆。
喷浆施工应连续进行，喷射时，若发现注浆压力骤然升高或降低，孔口不返浆或大量返浆等情况，应立即停止提升或和喷射浆液，以防止桩体不连接，待查明原因，排除故障后再继续喷射提升。继续喷浆前，要将喷射管往孔内下入0.3~0.5m，保证停喷前后桩体有0.3~0.5.搭接长度。
喷射结束时，应适当延长注浆时间，拔出喷射管后继续进行人工注浆，直止孔口浆液面不再下降为止。
3.1.7 注浆过程注意事项
注浆过程中，应对地面、周围建筑物、地下管线进行隆起、倾斜、变形和位移观测，一旦发现问题立即通知项目部管理人员，及时处理；情况严重时，立即停止作业，待处理完毕后再进行施工。
3.2 注浆检验
施工质量标准见表3。
3.3 工艺说明
⑴ 水泥浆在旋喷前1小时内拌制，水灰比宜用1：1，旋喷过程中耗浆量控制在10～25%，由下往上喷浆，注浆管分段提升的搭接长不小于100mm，相邻两桩施工间隔时间大于两天且大于2m距离。
⑵ 浆液必须经过搅拌机充分搅拌均匀后，才能开始压注，并应在注浆过程中不停顿地缓慢搅拌，时间应小于浆液初凝时间，浆液在泵送前应经过筛网过滤。
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