三重管高壓噴射注漿技術(shù)參數(shù)的選擇

1、三重管高壓噴射注漿技術(shù)參數(shù)的選擇劉寶亨【提要】三重管高壓噴射注漿技術(shù)參數(shù)分為設(shè)計工程參數(shù)和施工技術(shù)參數(shù) 兩類，文中探討了各項設(shè)計工程參數(shù)的實質(zhì)及各項施工技術(shù)參數(shù)的關(guān)系，分析了 各項技術(shù)參數(shù)對高壓噴射工程質(zhì)量、成本的影響，提出了選擇各項技術(shù)參數(shù)的方 法?！娟P(guān)鍵詞】高壓噴射注漿 三重管法 旋噴樁Abstract】 Technical parameters for high pressure jet grouting by triple tube are classified into 2 categories:parameters for designing and parameters for

2、construction. Properties of all those parameters and relationship among them are discussed. The influence of those parameters on the quality and cost of project are analyzed. Ways to select those technical parameters are proposed.Key words 】 high pressure jet grouting triple tube method spiral jet p

3、ile1前言高壓噴射注漿（簡稱高噴）技術(shù)從70年代中后期在我國試驗和應(yīng)用成功以 來，已在軟弱地基加固、水利工程防滲、礦山井巷加固與防滲等方面得到越來越 多的應(yīng)用。近幾年在上海、廣州、武漢等大城市，隨著地鐵建設(shè)和眾多高層建筑 的崛起，不少深基坑工程都采用了高噴技術(shù)來處理深基坑的止水防滲問題。高壓噴射注漿按注漿管類型可分為單管、二重管和三重管三種方法。單管以 單純噴射水泥漿液；二重管在水泥漿液射流外面包裹一層高壓空氣同時噴射，來 破壞土層結(jié)構(gòu)，同時完成置換、填充；而三重管則是以包裹了高壓空氣的高壓水 流來破壞土層結(jié)構(gòu)，再以水泥漿液進(jìn)行置換、填充。高壓噴射注漿的效果，不僅與地質(zhì)條件有關(guān)，而且更與施工

4、所采用的高噴技 術(shù)參數(shù)和施工工藝有關(guān)。特別是三重管高壓噴射注漿，施工工藝復(fù)雜，技術(shù)參數(shù) 多，參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，必須正確選擇這些參數(shù)，才能保證高噴工程的質(zhì)量。三重管高壓噴射注漿的參數(shù)可分為兩類，一類是根據(jù)工程設(shè)計需要確定的工 程參數(shù)，包括旋噴樁直徑、樁體抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)，以及據(jù)此確定的漿液配方、 水灰比和漿液用量；另一類是高噴施工的技術(shù)參數(shù)，包括高壓水、壓縮空氣、漿 液三種工作介質(zhì)的壓力、流量、噴咀直徑和注漿管的提升速度、旋轉(zhuǎn)速度，以及 回漿的數(shù)量、比重等。施工技術(shù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)計工程參數(shù)選定，施工各種設(shè)備的 性能、規(guī)格應(yīng)滿足施工技術(shù)參數(shù)的要求。若施工設(shè)備已定型，則應(yīng)根據(jù)設(shè)備性能 調(diào)整施工技術(shù)參

5、數(shù)，但調(diào)整后的技術(shù)參數(shù)必須滿足已確定的各項工程參數(shù)的要 求。然而目前在三重管高噴工程實踐中，對各項技術(shù)參數(shù)的選擇和應(yīng)用還時有未 盡合理的情況；有些標(biāo)準(zhǔn)、手冊中部份規(guī)定的有關(guān)應(yīng)用條件不夠明確，都可能影 響到高噴工程的質(zhì)量和成本；也有時由于建設(shè)、設(shè)計和施工單位對標(biāo)準(zhǔn)的不同理 解而產(chǎn)生爭執(zhí)。因此探討各項參數(shù)的實質(zhì)及相互關(guān)系，明確選擇參數(shù)的方法是必 要的。2高噴工程參數(shù)的選擇旋噴樁與深層攪拌樁或鉆孔灌注樁等機(jī)械成型的樁有很大不同，確定高噴工 程參數(shù)，必須注意到旋噴樁的以下特點：旋噴樁是以水、氣、漿液作為工作介質(zhì)，切割和攪拌土體形成的水泥土 固結(jié)樁體；旋噴樁的橫截面常常不是規(guī)則的“圓形”，其截面大小隨土

6、質(zhì)的不同和 工作技術(shù)條件的不同，沿樁身常有較大變化；旋噴樁橫截面的結(jié)構(gòu)是不均勻的，一般呈環(huán)形構(gòu)造，如圖1；圖1旋噴樁橫載面結(jié)構(gòu)各構(gòu)造部份也常因土質(zhì)的不均勻及施工設(shè)備工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，形成不 均勻結(jié)構(gòu)，尤其是在雜填土及粘性土地層中較明顯。2.1旋噴樁直徑旋噴樁直徑是十分重要的工程參數(shù)，直接關(guān)系到樁的承載力和工程數(shù)量計 算，在防滲帷幕設(shè)計中，關(guān)系到樁間距離和排間距離的選擇。但由于旋噴樁的特 點，它不是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓形，因此應(yīng)考慮以下條件選定旋噴樁直徑(D)：D相當(dāng)于旋噴樁有效橫載面面積S的圓的直徑,參見圖1；旋噴樁有效橫截面積，一般應(yīng)以漿液部分與攪拌混合部份的面積和 為準(zhǔn)，而把壓縮部份與滲透部份作為

7、安全儲備；因地層不同沿樁身不同深度的橫截面積常有變化，應(yīng)根據(jù)設(shè)計旋噴樁的 用途，如地基處理、邊坡支護(hù)、止水防滲等，選用起主要作用的地層段的有效橫 截面積，若起主要作用的地層段不只一個，應(yīng)取橫截面積較小的；設(shè)計旋噴樁直徑應(yīng)以現(xiàn)場試驗取得的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，在未取得試驗數(shù)據(jù)前， 可根據(jù)經(jīng)驗選用旋噴樁直徑先行設(shè)計，但最終仍應(yīng)以現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)來修改設(shè)計。2.2旋噴樁固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度旋噴樁結(jié)構(gòu)的不均勻性，直接表現(xiàn)為不同構(gòu)造部份具有不同的抗壓強(qiáng)度，通 常攪拌混合部份最高，滲透部份強(qiáng)度最低，其強(qiáng)度有時可以相差數(shù)倍，甚至數(shù)十 倍。例如在粉砂地層中形成的旋噴樁，其攪拌混合部份抗壓強(qiáng)度可達(dá)1015 MPa， 而滲透部份只有

8、12MPa，或更低。鑒于旋噴樁的不均勻性，選用旋噴樁樁體的 抗壓強(qiáng)度，一般應(yīng)以有效橫截面內(nèi)的結(jié)石體的平均強(qiáng)度為準(zhǔn)。在砂性地層中，旋 噴樁的滲透部份有時可以達(dá)到較大范圍，作為防滲帷幕應(yīng)用時，其有效橫截面有 時可以包括一定的滲透部份，這樣帷幕旋噴樁的平均強(qiáng)度將較低。實際上水平帷 幕抗?jié)B設(shè)計，主要考慮了帷幕重度與地下水浮力的平衡，與帷幕強(qiáng)度關(guān)系不大， 因此帷幕僅起抗?jié)B作用時，其抗壓強(qiáng)度可以較低。旋噴樁固結(jié)體的強(qiáng)度決定于原土體的巖性、水泥含量及水泥標(biāo)號，并與地層 含水量、溫度及成樁齡期有關(guān)。一般砂質(zhì)土固結(jié)體90d齡期的抗壓強(qiáng)度約35MPa, 最高可達(dá)1015MPa，而滲透部份只有12MPa；粘性土固結(jié)

9、體抗壓強(qiáng)度約0.7 2MPa，最高可達(dá)57MPa。水泥土強(qiáng)度在地下自然狀態(tài)下增長較慢，特別是初期強(qiáng)度很低。武漢陽光大 廈旋噴樁工程在成樁3050d后共鉆探31孔，對在粉砂層和雜填土中的旋噴樁 固結(jié)體進(jìn)行質(zhì)量檢驗，只有1/3的巖芯已經(jīng)固結(jié)，其余巖芯從鉆孔中取出時尚處 于硬塑狀態(tài)。送室內(nèi)做抗壓試驗巖樣103個，抗壓強(qiáng)度5MPa的有19個，占21%， 最高強(qiáng)度達(dá)11.7MPa； 15MPa的有32個，占31%； nX10-5cm/s，實際上多數(shù)為nX10-ecm/s級，有相當(dāng)一部份可達(dá)10-7cm/s級。 因此用高噴技術(shù)建造止水帷幕，是深基坑或其它防滲工程的一種十分適用的技 術(shù)。尤其在基坑支護(hù)樁之間

10、，以旋噴樁或擺噴樁填塞樁間空隙，使與支護(hù)樁搭接 成結(jié)合型防滲帷幕，由于旋噴樁在成樁過程中是柔軟的，因此可以很嚴(yán)密地與支 護(hù)樁搭接，形成防滲性很好的帷幕。上節(jié)中陽光大廈旋噴樁固結(jié)體28d齡期的抗壓強(qiáng)度雖然偏低,但其抗?jié)B試驗 結(jié)果仍然很好。在室內(nèi)抗?jié)B試驗的34個巖樣中，其滲透系數(shù)KnX10-7cm/s的有 11 個，占 32%； K=nX10-6cm/s 有 19 個，占 56%； K=nX10-5cm/s 的有 4 個，占 12%。 實際上由于這批巖樣從鉆孔中取出后，沒有采取原狀保濕和養(yǎng)護(hù)處理，在空氣中 暴露57d后巖樣產(chǎn)生大量風(fēng)干裂縫，試樣的強(qiáng)度和抗?jié)B性均有損失，因此旋噴 樁固結(jié)體在地下的實際

11、抗?jié)B性能應(yīng)比試樣試驗結(jié)果要好。2.4水泥漿液和水泥用量水泥漿液和水泥用量不僅關(guān)系到高壓噴射工程的質(zhì)量，而且決定著工程造 價。高噴工程的材料費(主要是水泥費)占全部工程直接費的3/4,極大影響工程 造價,因此必須準(zhǔn)確計算水泥和水泥漿液用量。現(xiàn)行的一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程手冊中，大多規(guī)定旋噴漿液用量可分別按體積法 和噴量法計算，并取其大者。筆者認(rèn)為這項規(guī)定有些欠妥。因為體積法和噴量 法代表兩種不同的概念，體積法是根據(jù)設(shè)計旋噴樁的體積計算的，是工程設(shè)計的 客觀需要；而噴量法是根據(jù)施工的技術(shù)條件(提升速度v和單位時間噴射漿液量 q)計算的，可人為主觀設(shè)定。顯然設(shè)計應(yīng)以客觀需要為準(zhǔn)，因此應(yīng)按式(1)的體 積法

12、計算單樁漿液用量Q，并據(jù)此推求其它各項技術(shù)參數(shù)。式中各項符號的意義見參考文獻(xiàn)1 第15頁。配制1m3漿液所需的水泥用量和水量為：Gc=/ c/(1+a y c)(2)Gw=a.Gc式中G 十水泥重量(t)； G 水量(t)； y 水泥相對密度，可取Y c=3.053.20;a設(shè)計漿液水灰比(水與水泥的重量比)。3施工技術(shù)參數(shù)的選擇3.1高壓水的壓力、流量及噴咀內(nèi)徑三重管高壓噴射注漿，主要是靠高壓射水切割、破壞土體，成樁直徑的大小 和成樁質(zhì)量，與高壓水的工作狀態(tài)有密切關(guān)系。射流對土體的破壞力?與射流介質(zhì)的密度p、流量Q及射流速度V成正比， 即F廣p QV又Q=SV.F =p SV2p可見，實際上

13、射流對土體的破壞力與射流速度的平方成正比。而流速V又決 定于水泵施加的壓力，水的壓力越大，射流破壞力越大，射程越遠(yuǎn)，成樁直徑越 大。從流體力學(xué)知道，噴射壓力P可按式(5)計算：式中各項符號的意義見參考文獻(xiàn)2第245頁。其中噴量q通常由高壓水泵的性能規(guī)格決定，多以其額定流量工作。 這樣要使射水壓力滿足設(shè)計要求，關(guān)鍵的技術(shù)條件在于噴咀出口內(nèi)徑的 選擇。表1為在不同壓力、流量條件下，標(biāo)準(zhǔn)圓錐形噴咀出口內(nèi)徑計算 值。高壓水噴咀內(nèi)徑(mm)表1壓力(MPa) 噴咀個數(shù) 流量(L/min)203040121212803.032.152.741.942.551.801003.392.403.072.172.

14、852.021203.742.633.362.373.132.21從式(5)和表1可見,噴頭的噴咀內(nèi)徑對高噴工作條件影響很大，噴 射壓力與噴咀內(nèi)徑的4次方成反比,在流量一定時，噴咀內(nèi)徑0.2mm的 變化，可以引起噴射壓力10MPa左右的變化。因此，高噴施工應(yīng)根據(jù)工作 條件準(zhǔn)確選擇噴咀規(guī)格，并在施工過程中經(jīng)常檢查噴咀的磨耗情況和是 否暢通。3.2高壓空氣的壓力和流量三重管法在環(huán)境高壓水射流外圍，同時噴射高壓空氣，使高壓水的 軸動壓力衰減及擴(kuò)散率變緩，增大了射流核及遷移段的長度，擴(kuò)展了射 流切割土體的范圍，而且水、氣同時作用于土體，增強(qiáng)了破壞土體的能 力。高壓空氣的壓力一般選用0.7MPa，風(fēng)量1

15、2m3/min。3.3漿液壓力、流量和比重漿液壓力、流量、漿咀內(nèi)徑通過噴射漿液，使與被高壓射水破壞松散了的土體攪拌混合，并充 填被高壓氣、水?dāng)y出孔外的土體所遺留的空隙(置換)，是三重管建造旋 噴樁的基本方法。目前漿液的噴射有二種方式，一種是向下噴射方式， 另一種是水平噴射方式(垂直注漿管噴射方式)，參見圖2。我國水利系 統(tǒng)的一部份高噴設(shè)備采用向下噴射方式，其噴咀位于噴頭底面，由三個 內(nèi)徑1014mm的噴咀組成。圖2漿液噴射方式業(yè)內(nèi)多數(shù)人士認(rèn)為，水平噴射方式通過適當(dāng)提高漿液噴射壓力，不 僅有助于漿液與土體的攪拌混合，而且可以對土體進(jìn)行二次切割破壞， 有利于擴(kuò)大旋噴樁直徑和提高攪拌均勻程度。水平噴

16、射方式采用標(biāo)準(zhǔn)錐 形噴咀，噴咀位置在高壓水咀下方1020cm處。漿液噴射壓力、流量和 噴咀內(nèi)徑之間的關(guān)系亦應(yīng)按式(5)確定。其中漿液流量是一項關(guān)鍵參數(shù)， 它不僅與注漿壓力及噴咀內(nèi)徑有關(guān)，而且必須與旋噴樁直徑及注漿管提 升速度相適應(yīng)。一般旋噴樁直徑越大，單位時間的漿液流量也要越大， 但為了防止因注漿管提升速度過快，造成旋噴樁直徑偏小，施工中多采 用注漿量較小的注漿泵(80150L/min)，這樣在漿咀內(nèi)徑一定時，注漿 壓力也較小。注漿壓力在三重管工藝中是一項次要參數(shù)，在成樁直徑不 太大時(1800mm)，漿液主要靠高壓射水的水平向擾動力運動，注漿壓力 可以較低。這一點與單重管及二重管高噴有很大不

17、同。采用水平噴射方 式工作時,注漿壓力多為0.52.0MPa，與之相應(yīng)的漿咀內(nèi)徑列于表2。標(biāo)準(zhǔn)錐形漿咀內(nèi)徑表2壓力(MPa) 噴咀個數(shù) 流量(L/min)0.512121212808.586.067.225.106.074.2912010.57.438.826.357.435.2615011.88.319.886.998.315.88(2 )進(jìn)漿比重進(jìn)漿的漿液比重是控制漿液水灰比的重要參數(shù)，普通水泥的相對密 度一般為3.053.20，不同水灰比的水泥漿液比重及材料用量列于表3。水泥漿液比重及材料用量表3水灰比漿液比重每m3漿液的 水泥用量(t)每m3漿液的 水用量(m3)0.501.80 1.

18、851.20 1.230.60 0.620.751.63 1.650.93 0.940.70 0.711.001.50 1.520.750.760.750.761.251.42 1.440.63 0.640.79 0.801.501.370.550.82漿液攪拌機(jī)有二種形式，一種是固定容積的立式攪拌機(jī)，另一種是 可以連續(xù)作業(yè)的臥式攪拌機(jī)。立式攪拌機(jī)構(gòu)造簡單，容積固定，便于準(zhǔn) 確配制規(guī)定水灰比的漿液，但需同時配備23臺攪拌機(jī)輪流制漿。臥式 攪拌機(jī)必須不間斷地配制漿液，在人工加灰的情況下，漿液水灰比不容 易保持穩(wěn)定，要有經(jīng)驗的工人操作。而且必須經(jīng)常檢測漿液比重，通常 應(yīng)每510min檢測一次，比重

19、誤差應(yīng)0.1。(3)回漿比重與回漿量三重管法由于噴射介質(zhì)除水泥漿液外還有水和氣，因此回漿成份將 包括被置換的土、部份水泥漿液和水。其回漿比重和回漿量決定于土的 置換率、單位時間內(nèi)水的噴量和漿液噴量、漿液水灰比。在正常情況下 三重管回漿比重的測算值列于表4。三重管法回漿比重測算值表4漿流量(L/min) 水灰比水 流量(L/min)801201500.751.001.500.751.001.500.751.001.50801.381.371.361.461.451.431.491.481.471201.311.301.291.381.371.361.431.411.401501.271.261.

20、251.341.331.321.381.371.36由于實際工作狀態(tài)的復(fù)雜,影響回漿比重和回漿量的因素較多，因此實際回漿比 重較測算值常有一定出入，經(jīng)驗表明其誤差范圍應(yīng)0.1 o例如武漢陽光大廈高噴工 程抽樣100根旋噴樁的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其水流量75 L/min,漿流量80 L/min,進(jìn)漿比重實測 平均值1.63，回漿比重測算值為1.395;而回漿比重的實測平均值為1.39,其中1.49的 有4個數(shù)據(jù)，均與其對應(yīng)的進(jìn)漿比重過高有關(guān),1.29的有2個數(shù)據(jù)(均為1.28)o這組 數(shù)據(jù)表明，回漿比重的測算值與實測平均值是很接近的。回漿比重是反映高噴狀態(tài)的一項重要指標(biāo)，施工中必須經(jīng)常檢測，一般應(yīng)每510

21、min或每1延米旋噴檢測一次。若發(fā)現(xiàn)回漿比重與測算值有較大出入時，應(yīng) 查明原因處理。通常回漿比重過低，有可能反映高噴置換率偏低，成樁質(zhì)量差，或 進(jìn)漿水灰比過低、噴漿量過?。换貪{比重過高，有可能反映成樁直徑偏小，或進(jìn)漿 水灰比過高、高壓射水流量過小?；貪{量的估計也因影響因素多很難估算精確，正常情況下約為水流量與漿流量 之和的80%90%。以武漢陽光大廈高噴工程為例，共用水泥漿液約2x104m3，高 壓水約2.2x104m3；從回漿池中排出漿渣和稠漿約1.6x104m3,排放沉淀的清水約 2x104m3，總排出量為用漿用水量之和的86%?；貪{量過少甚至不回漿時，一般是 存在漏漿地層，如地層中存在空

22、洞、地下管道或疏松的雜填土層等，應(yīng)查明原因。3.4注漿管提升速度提升速度應(yīng)根據(jù)旋噴樁設(shè)計直徑和所選用的注漿泵的流量按式(6)確定式中V 注漿管提升速度(m/min) ； q單位時間的注漿量(m3/min) ； D設(shè)計旋噴樁直徑(m) ； K 填充率，可取0.750.9； 8 損失系數(shù)，可取0.1 0.2 ；其它符號意義參見式(1)。式(6)表明，注漿管提升速度與單位時間的注漿量成正比，所采用的注漿泵 流量越大時，提升速度應(yīng)相應(yīng)提高；提升速度與旋噴樁直徑的平方成反比，所以 旋噴樁直徑對提升速度有更大影響。由于提升速度與成樁質(zhì)量、成樁直徑、工作 效率和工程成本都有密切關(guān)系，因此應(yīng)根據(jù)式(6 )準(zhǔn)確

23、選定。實際提升速度與計 算提升速度的誤差不宜超過10%。應(yīng)當(dāng)說明的是，式(6)僅僅從在一定填充率條件下成樁所需漿液量出發(fā)計算 的提升速度,而提升速度還影響到三重管工作介質(zhì)對土體作用的時間，即影響到 對土體的破壞能力和成樁直徑的大小。試驗表明，提升速度越快，旋噴成樁直徑越小。因此確定提升速度時，除應(yīng) 符合式(6)的關(guān)系外，還應(yīng)考慮提升速度對成樁直徑的影響及有關(guān)技術(shù)參數(shù)之間 的相互關(guān)系。例如旋噴樁設(shè)計直徑為1.5m，若仍以上述試驗的各項技術(shù)參數(shù)施 工，因水泥漿流量為200 L/min，按式(6)計算其提升速度為12 cm/min，在N=10 的砂土中的成樁直徑只有1.2m，不能滿足設(shè)計要求，因此應(yīng)采取措施降低注漿 流量，可將注漿量調(diào)整為100 L/min，使提升速度降至6cm/min，這樣才能使提 升速度即滿足式(6)又滿足成樁直徑的要求。3.5注漿管旋轉(zhuǎn)速度注漿管旋轉(zhuǎn)速度與成樁直徑的關(guān)系，一般來說，旋轉(zhuǎn)速度越快，工作介質(zhì)對 土體作用時