黄均龙1　张帆1　李永迪1　杨化振1　张冠军2

 

(1上海隧道地基基础工程有限公司上海200333；2上海隧道工程有限公司技术中心上海200032)

 

　　摘要：本文介绍了上海软土地层水平旋喷成桩关键技术、旋喷成桩试验内容与成果，以及实施的技术原理。

 

　　关键词：水平旋喷桩；软土地层；泥浆排出量；地内压力；水平旋喷钻具

 

　　1引言

 

　　随着长三角地区轨道交通建设和地下空间开发的快速发展，一些地铁工程位于交通主干道或商住区附近，地下管线较多，如盾构（顶管）进出洞加固采用水平旋喷技术，可避免管线搬迁与地面封路；也可避免冻结法加固其冻胀融沉效应对土体和周边构筑物的影响；另外水平加固量比垂直加固量少，有一定的应用前景。但由于受到国内旋喷设备及相应工艺的制约，在上海软土地层进行水平旋喷成桩时会产生成桩直径的不稳定，以及地面的严重隆起或沉陷。为此，上海隧道地基基础工程有限公司于2012年，在上海某地铁车站基坑施工过程中，应用MJS旋喷施工设备进行了水平旋喷成桩试验。

 

　　2上海软土地层水平旋喷成桩关键技术

 

　　一般情况下，水平旋喷钻具既是水平成孔钻具，又是后退旋喷成桩时高压喷射注浆管。在水平成孔钻进时，由于旋喷钻头的前端直径大于旋喷钻杆，在旋喷钻杆周围形成泥浆套；当后退钻杆进行水平旋喷时，被空气流包裹着的水泥浆液从设在旋喷钻头侧面的喷嘴中喷射而出，以一定能量的高压射流，在一定距离范围内冲击破坏土层，使土颗粒从土层中剥落下来，并随着旋喷钻头的旋转与移动，这个高压射流将水泥固化剂与土颗粒就地混合搅拌，水泥浆液凝固后就形成水平方向的水泥土固结体。

 

　　由于上海地区土层中的粘土量大，透水性差，地下水位高，当在旋喷钻杆周围形成泥浆套时，因泥浆较稠，其粘阻力大，在成桩过程中，由水平喷射切削土体产生的多余泥浆不能从孔口密封装置中顺畅的排出。若多余泥浆未被适量的排出，土层中的空隙水压力迅速提高，于是造成地面隆起；若多余泥浆过量的排出，则地面产生沉陷与桩径缩小。

 

　　因此，为保证相邻水平旋喷桩的有效搭接、确保旋喷桩径与减少对周边构筑物的影响，水平旋喷成桩时的成孔精度、可靠的孔口密封装置、以及多余泥浆排出量与旋喷钻头处地内压力精确控制，就成为上海软土地层水平旋喷桩施工成功的三大关键技术。

 

　　3水平旋喷成桩试验

 

　　本次试验是在上海某地铁车站基坑内进行。为进行水平MJS旋喷成桩试验，事先在基坑内采用SMW工法设置一道中隔墙，将基坑内开挖区一分为二，中隔墙施工完毕后对一侧端头井进行开挖，水平旋喷成桩试验施工设备放置在此端头井内，通过中隔墙向车站另一侧方向进行水平MJS旋喷成桩试验施工，试验结束后，在车站基坑开挖时，对成桩效果进行检验。水平MJS旋喷成桩试验前，在试验场地周边布置测斜、沉降、孔隙水压力等监测点，以取得水平MJS旋喷成桩施工对周边环境影响的数据。

 

　　分三期共进行15根水平MJS旋喷成桩试验，成桩覆土深度为6.2m~12m，水平成桩长度为3m~30m，有全圆、下半圆、左侧半圆、90°、120°、160°、270°等成桩断面，水平向上倾斜15°与水平向下倾斜15°旋喷桩各1根。第一、二期施工区域地层自上而下（至地面下10m）为杂填土、砂质粉土，土层含云母，夹薄层粘性土，局部为粘质粉土，土质不均匀。第三期施工地层为淤泥质粘土层。

 

　　3.1水平MJS旋喷成桩试验主要设备

 

　　试验主要设备如表1所示。

 　                                                                                          

　　3.1.1MJS多孔式旋喷钻具

 

　　MJS多孔式旋喷钻具由多孔式旋喷导流器、多孔式旋喷钻杆与多孔式旋喷钻头组成，其中多孔式旋喷钻头是关键的施工机具。MJS多孔式旋喷钻头的外径为142mm，标准长度为1.5m，由成孔段、喷浆段、测压段、排浆段和尾段组成，见图1。喷浆段中高压浆喷嘴上设置了1个同轴环形压缩空气喷嘴，形成二重管旋喷，并在其上设置了1个随高压水泥浆液喷射而自动开闭的喷嘴口闸门，可防止在装拆旋喷钻杆时泥浆进入喷嘴中。测压段上设置了检测旋喷注浆过程中旋喷钻头周围的泥浆压力（地内压力）的隔膜式压力变送器。排浆段上设由排浆通道、排浆口、排浆口闸门、闸门控制油缸、距离传感器与排浆冲水喷嘴，可通过排浆冲水喷嘴喷射出的高速水流，在排浆口处形成负压，吸入并排出旋喷产生的多余泥浆，并能通过闸门控制油缸调整排浆口闸门开度(其开度由距离传感器将信号送至现场闸门开度显示器)，或改变排浆冲水喷嘴的供水流量，来调整排浆量，从而调整钻头周围地内压力，减小旋喷施工对周围土体的影响，控制地面的隆沉。

 

图1多孔管旋喷钻头　　

 

　　3.1.2孔口密封装置

 

　　孔口密封装置具有密封钻杆、孔口泄压或补浆、孔口压力显示与关闭孔口的功能，由闸门、钻杆密封两大部件组，通过螺栓连接成一体，再与井壁上预设的钢管法兰连接。闸板式闸门后端管段设有三通管接头，安装压力表，连接阀门与管路，可进行孔口泄压或向孔内补浆。

 

　　3.1.3高压注浆泵

 

　　高压注浆泵为无级变速3缸式曲轴连杆柱塞泵，通过变频控制电机转速，达到工作流量无级可调。其注浆工作压力40MPa，除由压力表显示外，还装有压力变送器，以便远程显示与记录。

 

　　3.1.4施工参数监测记录管理装置

 

　　施工参数监测记录管理装置由空气流量仪、电磁流量计、压力变送器、旋喷钻头内微型位移传感器、旋喷钻头内排浆闸门油缸控制装置、闸门开度与地内压力显示器及施工参数监视记录仪等组成，可显示与记录空气压缩机的工作流量与工作压力、水泥浆(水)的流量与压力、多孔式旋喷钻头所处深度的地内压力与排浆闸门开度。

 

　　3.2水平旋喷成桩试验工艺参数

 

　　水平旋喷成桩试验工艺参数见表2。

 

　　3.3水平MJS旋喷成桩工艺流程与实施原理

 

　　3.3.1工艺流程

 

　　水平旋喷成桩试验工艺流程主要包括开孔安装孔口密封装置、钻机就位、水平钻孔、摆喷注浆、施工数据监测记录、清洗管路等6个基本组成部分，其工艺流程见图3。

 

　　图2水平旋喷试验工艺流程图

 

　　3.3.2实施原理

 

　　在水平旋喷成桩试验钻进时，设在旋喷钻头前方的冲水喷嘴喷射高压水流冲击土层，配合旋喷钻头钻进，使钻进速度加快并在钻杆周围形成泥浆套。后退旋喷时进行二重管喷射注浆，空气包裹着的高压水泥浆，从设在旋喷钻头侧面的喷嘴喷射而出，冲击土体，与土颗粒混合形成水泥土固结体。钻头侧面的喷嘴旁设有压力传感器，实时对旋喷钻头喷嘴附近的地内压力进行检测，并根据测得的地内压力调节排浆高压水泵的流量或通过油缸驱动排浆门调节排浆口的开度，改变排浆量，主动控制排浆的流量，使所测地内压力值在设定压力范围内，有效控制地表的隆沉量，从而减少地表变形及对周围环境的影响，并达到垂直旋喷时的成桩直径效果。

 

　　其中排浆控制与孔口密封结构示意见图4。

 

　　图3排浆控制装置与孔口密封装置结构示意图

 

　　在装拆水平旋喷钻杆时，关闭水平旋喷钻头上排浆门，此时水平旋喷钻头上的喷嘴门由于没有水泥浆的压力而关闭，隔绝旋喷形成的泥浆从水平旋喷钻头上的同轴组合喷嘴口与排浆口处流失。

 

　　3.4水平钻进精度的控制

 

　　在水平钻孔时，通过LED灯及水平数字测斜仪对钻孔水平度进行测量，根据测量数据及时对钻头姿态进行调整。开始修正钻头钻进方向效果不明显，后通过改变钻头结构的形式，且在修正钻头姿态过程中不带切削水作业，达到一次钻进30米，水平轴线偏差最大为134mm（20m处），钻头终点偏离钻孔中心仅2.4mm的精确控制。

 

　　3.5水平旋喷时对地表沉降的控制

 

　　在第一期前2根桩水平钻进时，通过调节阀门大小用间断排浆与连续排浆二种方式控制地内压力（控制系数1.1~1.2），后者地表沉降十分明显，地表沉降累计超过-8cm。在第3根桩水平钻进时不再排浆，地面沉降得到了控制，30米钻进结束地面沉降累计为-5mm。

 

　　在水平旋喷过程中，各试验桩地内压力控制在1.3~1.5的系数。因试验桩施工区域附近存在防空洞、钻孔灌注桩，地面有冒气泡、防空洞附近有翻浆情况出现，前3根桩水平旋喷桩施工结束后，地表沉降最大值达到-269mm。

 

　　3.5.2通过添加水玻璃溶液控制地表沉降

 

　　在第一期后续水平旋喷试验桩施工过程中采取了旋喷时增加压注水玻璃溶液的方法来控制沉降。与未添加水玻璃的试验桩进行沉降对比，添加水玻璃的试验桩在施工后沉降虽然得到控制，但沉降仍达到-100mm，添加速凝剂控制地表沉降的效果未达到预期目标。

 

　　3.5.3通过改变不同工艺参数控制地表沉降

 

　　在第二期施工4根长15m、160°断面水平旋喷试验桩时，通过改变不同工艺参数控制地表沉降。

 

　　1） 纯水泥浆液，浆压力40MPa，地内压力系数0.12~0.13，主气压力1.2Nm³/min，正常返浆；

 

　　2） 纯水泥浆液，浆压力40MPa，地内压力系数0.12~0.13，不带主气，正常返浆；

 

　　3） 纯水泥浆液，浆压力40MPa，地内压力系数0.14~0.15，不带主气，正常返浆；

 

　　4） 水泥浆液压力40MPa，增加压注水玻璃溶液、其流量为10L/min，主气压力1.0Nm³/min，地内压力系数0.16~0.17，正常返浆。

 

　　4根水平旋喷试验桩施工结束后，地面最大降沉量控制在+22mm至-10mm范围内。

 

　　3.5.4调整喷嘴大小和喷浆压力控制地表沉降

 

　　第三期施工2根长12m（9m）、120°断面水平旋喷试验桩时，浆压力改为20MPa，喷嘴口径改为3.4mm，主气压力1.0Nm³/min，地内压力系数0.17~0.18，正常返浆。2根水平旋喷试验桩施工结束后，地面最大降沉量都控制在+3mm至-2mm范围内。

 

　　3.6水平旋喷试验桩开挖效果

 

　　施工的水平MJS旋喷试验桩全圆成桩直径为1.3m~1.85m、扇形断面成桩半径为1.2m~1.45m。旋喷加固体28d抗压强度1.24MPa~7MPa、渗透系数≤8.3×10-9cm/sec，达到预期设计要求，但在特别软弱的粉土层中水平旋喷桩不成形。开挖出的部分水平MJS旋喷试验桩截面见图4。

 

　　图4水平旋喷试验桩成桩截面

 

　　4结语

 

　　通过后期基坑开挖暴露的成桩效果对比，水平MJS旋喷桩在软土地层中成桩质量和桩径均达到试验设计要求。通过调整成桩工艺施工参数，可把水平旋喷桩施工对地表隆沉的影响控制在+3mm~-2mm范围内，解决了上海软土地层水平旋喷桩施工时难以控制地表沉降的问题。在2014年，此水平MJS旋喷桩的试验成果已应用于上海某顶管出洞水平旋喷加固与某浅埋暗挖隧道的超前水平旋喷加固工程中。

 

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