三重管噴射注漿工法三重管旋噴樁加固地基

PAGE1PAGE14三重管噴射注漿工法(三重管旋噴樁)加固地基三重管噴射注漿法(JetGrouting),在我國又稱為“三重管旋噴樁”，是70年代開發(fā)的一種新型地基加固技術(shù)，迄今已得到廣泛應(yīng)用。在地基加固方法中，有一種歷史悠久的靜壓化學(xué)或水泥注漿法(Injection)，它是將不同性質(zhì)的硬化劑(化學(xué)藥品或水泥)，用壓力注入地基中，用以改良土的性質(zhì)。這種方法主要適用于砂類土，也可應(yīng)用于粘性土。但是，在很多情況下，由于土層和土性的關(guān)系，其加固效果常不為人們所控制，尤其是在沉積的分層地基和夾層多的地基中，注入劑往往沿著層面流動；在細顆粒的土中，注入劑難以滲透到顆粒的孔隙中。因此，經(jīng)常出現(xiàn)加固效果不明顯或很不均勻的情況。高壓噴射注漿法克服了上述注入法的缺點，將注入劑形成高壓噴射流，借助高壓噴射流的切削和混合，使硬化劑和土體混合，達到改良土質(zhì)的目的?；瘜W(xué)注漿法、水泥注漿法主要適用于砂土、砂石，而噴射注漿法幾乎適用于所有的土。70年代初期，日本最先把高壓噴射技術(shù)用于地基加固和防水帷幕，形成一種特殊的地基加固技術(shù)，即所謂CCP工法(ChemicalChurningPile)。此后，70年代中期又開發(fā)了同時噴射高壓冰液和壓縮空氣的二重管法，最后形成噴射高壓清水，壓縮空氣和低壓漿液的三重管法。這種方法比單管法、雙重管法加固直徑大，不需要采用高壓泥漿泵，成為國內(nèi)外應(yīng)用最廣的噴射注漿法。目前，在世界數(shù)百項工程中獲得應(yīng)用，使用的國家有日本、德國、美國、英國、意大利、瑞典、原蘇聯(lián)、新加坡等，使用的項目包括深基坑開挖中的擋土或隔水，盾溝工程起始和終端部位的土體加固，舊有房屋、橋梁地基補強或舊有建筑物臨近工程的施工等。冶金部建筑研究總院于1978年結(jié)合寶鋼工程，研究并成功的將三重管噴射注漿法應(yīng)用于深基坑的加固。1980年通過冶金部組織的鑒定會，并于同年被評為冶金部重大科技成果獎3等獎。目前，我國在冶金、鐵路、水利、城市建設(shè)各部門已分別在深基坑開挖、橋墩加固、水壩壩基防滲、舊有建筑物地基加固等方面廣泛應(yīng)用了這種辦法。一、特點與適用范圍三重管噴射注漿法是一種具有特殊功能的地基加固方法。在許多工程實例中，往往與包括樁基及其它地基處理方法相比，噴射注漿法是一種最優(yōu)的選擇，有些情況則是唯一選擇。因此它是一種新的、具有很強生命力的地基加固技術(shù)。噴射注漿法加固地基的主要優(yōu)點如下：(1)受土層、土的粒度、土的密度、硬化劑粘性、硬化劑硬化時間的影響較小，可廣泛適宜竽淤泥、軟弱粘性土、砂土甚至砂卵石層等多種土質(zhì)。(2)可采用價格便宜的水泥作為主要硬化劑，加固體的強度較高，根據(jù)土質(zhì)不同，加固體的強度可為500~1000kPa。(3)可以有計劃地在預(yù)定的范圍內(nèi)注入必要的漿液，形成一定間距的樁，或連成一片樁或薄的帷幕墻，加固深度可自由調(diào)節(jié)，連續(xù)或分段均可。(4)采用相應(yīng)的鉆機，不僅可以形成垂直的樁，也可以形成傾斜的樁。(5)可以作為施工中的臨時措施，也可作為永久建筑物的地基加固，尤其是對已有建筑物地基補強和基坑開挖中需要對臨近舊建筑物加以保護時，這種方法能發(fā)揮其特殊作用。根據(jù)加固所起作用，噴射注漿法可以分為下列不同目的：(1)止水，形成防水帷幕，隔斷地下水的滲流。(2)防止坑底部粘性土涌土或砂性土管涌或側(cè)壁擋土。(3)對相臨構(gòu)筑物或地下埋設(shè)物的保護。(4)舊有構(gòu)筑物地基的補強。(5)樁基礎(chǔ)的代用。(6)地下盾構(gòu)法等頂管施工始末端的加固。二、加固原理與加固方法由鉆機操作特殊的三重噴射管，噴射管端部由三個噴嘴，分別噴射高壓水，壓縮空氣和水泥漿。由高壓水和壓縮空氣形成的噴射流用以切削土體，由另一噴嘴噴出之水泥漿與被切割的土混合，形成水泥、土混合體，達到加固土的目的。由于由鉆機操作的噴射管邊噴射，邊旋轉(zhuǎn)，邊提升，從而形成具有較高強度的柱狀水泥土加固體，稱之為旋噴樁。如果邊噴射邊提升而不旋轉(zhuǎn)，則在土層中片狀的范圍內(nèi)實現(xiàn)水泥與土的混合。三重管噴射注漿法加固地基分成兩個階段，第一階段為成孔階段，即采用普通的(或?qū)Ｓ玫?鉆機，驅(qū)動密封良好的噴射管和帶有橫向噴嘴的特制噴射頭進行成孔。成孔時采用水沖的方法，使噴射頭達到預(yù)定的深度(圖1-(a))。第二階段為噴射加固階段，即用高壓水，水泥漿(或加入其它外摻劑)以及壓縮空氣，通過噴射管由噴射頭上的橫向噴嘴向土中噴射。與此同時，鉆桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向上提升使水泥漿與土混合(圖1-(b))。有時，根據(jù)工程需要，也可形成“片狀”加固體，例如隔水帷幕。此時，只要在噴射時，鉆桿只提升，而不旋轉(zhuǎn)，即所謂定向噴射?；蛘?，只在一定的角度(如120°)內(nèi)擺動，即所謂擺動噴射。三重管噴射注漿法施工設(shè)備平面布置概括如圖2所示。當?shù)谝浑A段貫入土中時，可借助噴射管本身的噴射貫入，只是在必要時，才在地基中預(yù)先成孔(孔徑為φ15cm)。，放入噴射管進行噴射加固。由于噴射注漿法沒有系統(tǒng)的專用機具，因此施工機具需因地制宜地加以選擇。三、施工工藝(1)鉆機就位：噴射頭正對孔位中心，使噴射管的軸線正對鉆孔中心，一般垂直度偏差應(yīng)小于1.5%(圖3-a)。(2)成孔：在空壓機、清水泵、泥漿泵低壓狀態(tài)下，將噴頭送至設(shè)計標高(圖3-b)。(3)噴射提升：使高壓水、壓縮空氣、水泥漿均達到預(yù)定噴射壓力后，按設(shè)計施工參數(shù)(提升和旋轉(zhuǎn)速度)邊旋轉(zhuǎn)，邊提升(圖3-c)，提完每段鉆桿后，相臨鉆桿應(yīng)搭接20cm，施工時應(yīng)做好原始記錄。(4)沖洗：噴射完一孔后(如圖3-d)，應(yīng)將所有管道沖洗，特別應(yīng)將漿管中的泥漿排盡。(5)移位。四、主要施工機具三重管噴射注漿法施工的主要機具有以下幾種：1.高壓泵高壓泵為柱塞式高壓清水泵。高壓泵的壓力通常要求能在15.0MPa以上。一個良好的高壓泵應(yīng)能在高壓下持續(xù)工作，設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)和密封系統(tǒng)應(yīng)有良好的耐久性。2.泥漿泵泥漿泵用在三重管旋噴中輸送水泥漿之用。實際使用壓力控制在200Pa左右，根據(jù)使用情況來看，由于水泥漿對機械和密封系統(tǒng)均易產(chǎn)生磨損，致使泥漿因此而不能順利吸入與排出。因此，對泥漿泵的維護和檢修是十分必要的。3.空壓機采用的有6m3/min、9m3/min、柴油空壓機或電動空壓機，工作壓力為70Pa，旋噴中當保持管線中壓力為40~55Pa時，空氣實際排量為1m3/min左右。4.鉆機噴射注漿法采用的鉆機，通常不是專門特制的，而是對一般勘探用鉆機，根據(jù)噴射工藝的要求(提升速度和旋轉(zhuǎn)速度)加以適當改制。但鉆機的靈活性及功能對噴射注漿法的施工水平起著重要使用。為了適于噴射注漿法施工的要求，冶金工業(yè)部建筑研究總院已開發(fā)了專用的旋噴鉆機。日本、德國、意大利等國一些專業(yè)施工公司，均開發(fā)采用各具特色的旋噴鉆機。5.其他機具(1)噴射管：三重管法的噴射管要同時輸送水、壓縮空氣和水泥漿，而這三種介質(zhì)均有不同的壓力，因此，噴射管必須保持不漏、不串、不堵，加工精度嚴格，否則將難以保證施工質(zhì)量。(2)其他儀表：施工質(zhì)量管理在噴射注漿法中是至關(guān)重要的。過去多采用人工讀數(shù)記錄方法。工程實踐表明，采用各種相應(yīng)的儀表進行控制和記錄是十分必要的。其中主要有記錄泵的壓力、液量和空壓機的送風(fēng)量，記錄壓縮空氣量的為玻璃轉(zhuǎn)子流量計。五、施工人員及施工管理(一)施工人員每班配制人員20-25人(1)班長，1人，負責(zé)協(xié)調(diào)指揮各機具操作人員之間的聯(lián)系。(2)泵工，2-3人，負責(zé)泥漿泵及清水泵操作。(3)空壓機工，1人，負責(zé)空壓機操作。(4)鉆機，2人，負責(zé)鉆機操作。(5)攪拌工，8-10人，負責(zé)拌制水泥漿。(6)機修工，2人，負責(zé)各種機具維修。(7)電工，1人，負責(zé)各機具安全用電兼負責(zé)施工安全。(8)記錄員，1人，負責(zé)施工記錄。(9)技術(shù)員，1人，負責(zé)施工技術(shù)工作。(二)施工管理1.技術(shù)管理由技術(shù)員負責(zé)，具體職責(zé)為：監(jiān)督施工參數(shù)及處理施工時發(fā)生的臨時變更情況，及時與設(shè)計單位聯(lián)系。2.質(zhì)量管理由當班班長與操作工建立TQC小組，班長負責(zé)監(jiān)督實施設(shè)計施工參數(shù)，嚴格按操作規(guī)程操作，并作好施工記錄，發(fā)現(xiàn)問題，及時與技術(shù)員聯(lián)系解決，定期進行TQC活動，保證施工質(zhì)量。3.安全管理(1)施工場地平整，以防鉆機傾斜或沉陷。(2)及時檢查各高壓管接頭的可靠性，防止高壓管暴裂傷人。(3)及時檢查各操作工的操作程序，嚴防違章操作。(4)三重管噴射注漿電路復(fù)雜，應(yīng)經(jīng)常檢查，排除隱患，做好安全用電。六、加固質(zhì)量及效果檢驗三重管噴射注漿法效果檢驗主要有：1.開挖檢查待凝固一周后進行開挖，將固結(jié)體露出，檢查固結(jié)體的直徑，并現(xiàn)場取樣到室內(nèi)加工成標準試塊，檢查各齡期樁體的單軸抗壓強度，變形特性以及水泥含量等。試塊制作按7×7×7cm立方體作抗壓強度試驗。當用作單軸及三軸抗壓強度、抗拉強度時需按試驗要求制作試塊。2.冒漿體試塊試驗取施工過程中的冒漿體，做成試塊，試驗其特性。此項試驗可以用作判斷強度的參考。所取的冒漿應(yīng)取噴射后期，即水泥與土混合的狀態(tài)已接近地下實際混合狀態(tài)的冒漿。3.鉆孔取芯檢查樁體的均勻性，并可檢驗其強度。由于受到水泥土的強度不高和樁徑垂直度的影響，取芯工作必須十分仔細才能取得好的效果。4.鉆孔注水試驗檢查其滲透特性。5.標貫試驗據(jù)標貫擊數(shù)，確定其承載特性。6.現(xiàn)場荷載試驗確定單樁承載力或復(fù)合地基承載力。7.其它試驗方法室內(nèi)漿液配方試驗，現(xiàn)場施工參數(shù)試驗等。上述檢驗項目，應(yīng)結(jié)合工程要求和條件加以確定。其試驗方法均參照工程地質(zhì)勘察和建筑材料試驗中相應(yīng)的方法進行。七、工程實例1.寶山鋼鐵總廠工程的深基坑開挖寶山鋼鐵總廠初軋1號鐵皮坑的平面尺寸為18.3×45.3m，深度為22.3m，與一系列正在施工的重要設(shè)備基礎(chǔ)和廠房樁基礎(chǔ)相鄰，因此必須確保鐵皮坑在施工過程中的穩(wěn)定性以及減少其對相鄰基礎(chǔ)的影響。經(jīng)過對多種地基加固方案分析對比后，確定采用三重管噴射注漿法加固基坑底部。土層情況在基坑深度范圍內(nèi)，基本上為淤泥質(zhì)亞粘土和淤泥質(zhì)粘土，強度極低。首先在基坑的四周設(shè)置兩層井點降水，開挖到-9.8m標高，然后在基坑周圍打板樁，并對基坑底部標高以下進行地基加固。在完成噴射注漿法加固地基后，繼續(xù)進行基坑的開挖。加固厚度4.5m，樁距橫向采用0.7D，縱向采用0.8D(D為設(shè)計樁徑，通過試驗取1.5m)。為了達到良好的支撐作用，在板樁附近的樁距有所減小。樁的總數(shù)為695根，總長為3000延米。2.安徽六合滁河大橋橋墩加固安徽六合滁河大橋是礦山鐵路專用的五孔雙曲拱橋，單孔跨度為25m。地層自地表起分別為軟塑亞粘土、輕亞粘土。橋墩基礎(chǔ)采用Ф100cm灌注樁。南北橋頭為了抵抗水平推力，采用混凝土和毛石砌體作為支座。與橋頭毗鄰的路基采用高填方路堤。因原地形低洼，填土高度約為3~7m。由于路堤荷載的影響，產(chǎn)生不均勻沉降，而使橋墩產(chǎn)生位移，引起橋拱的開裂。裂縫寬度最大約為0.2mm。為了阻止混凝土墩和毛石砌體的不均勻沉降以及橋墩的水平位移，決定采用旋噴樁進行加固，同時采用擴大混凝土墩面積，增設(shè)灌注樁與其相連以及對毛石墩注漿加固的綜合方案。旋噴樁的主要作用在于防止相鄰填方、鐵路荷載引起的附加沉降繼續(xù)發(fā)展，同時增加土體水平抵抗力。為了防止在加固工程中，由于土體短時間內(nèi)強度降低而發(fā)生意外的沉降，因此對橋體的沉降和位移進行了監(jiān)測。橋拱上的旋噴樁的施工量總計為2000延米。3.旋噴樁—灌注樁組合擋土壁武漢鋼鐵公司翻車機室廊道基坑開挖時，(基礎(chǔ)深4.5~10.0m)，設(shè)計用鉆孔灌注樁擋土，維持邊坡穩(wěn)定，由于坑邊坡范圍內(nèi)有一層透水性較好的土層，預(yù)計基礎(chǔ)開挖后將大量涌水，最后確定在兩根鉆孔灌注樁之間加一根三重管旋噴樁，形成組合式擋土結(jié)構(gòu)，用以擋土和截水，設(shè)計總樁數(shù)144根，總延米數(shù)為1600m，開挖結(jié)果表明，三重管噴射注漿法隔水效果良好。4.加固設(shè)備基礎(chǔ)大港電廠翻車機室地基為高壓縮性、低強度的淤泥，建筑主體建成后即發(fā)現(xiàn)建筑物沉降大，而且繼續(xù)在發(fā)展，主體結(jié)構(gòu)上并發(fā)現(xiàn)有裂紋，工程被迫中斷。經(jīng)多種方法比較，最后選定用三重管旋噴樁加固地基，限制沉降進一步發(fā)展，用本方法的最大優(yōu)點是可在原基礎(chǔ)上開一小孔(Ф130)進行加固施工，因此，施工時對原建筑物影響極小，施工時又采用了早強劑及跳打法施工，施工期間總沉降僅為2.4cm，設(shè)計旋噴樁66根，總延米數(shù)為980m，施工完后建筑物變形得到了控制。5.工業(yè)結(jié)構(gòu)物地基補強已有建筑的地基加固是建筑行業(yè)日益