第20章高压旋喷桩的设计与施工资料

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1、 第二十章 高压旋喷桩的设计与施工 20.1 概述 喷射注浆法又称旋喷法， 是从 20 世纪 70 年代初期最先由日本开发的地基加固技术。 传 统的注浆方法是在浆液的压力作用下通过对土体的劈裂、渗透、压实达到注浆加固的目的， 传统注浆技术已有悠久的历史以及广泛的用途。 但是对于细颗粒砂性土通过劈裂难以达到一 些工程的要求（难以形成较好质量的加固体，包括均匀性强度和渗透性） 。喷射注浆法是通 过高速喷射流用切割土体并使水泥与土搅拌混合， 形成水泥土体加固的做法， 恰好弥补上述 的不足，同时，由于用喷射流形成的加固体形状灵活，适用多种加固要求，因此当这种方法 开发成功后，也就是自 70 年代中期以

2、后，在世界范围内得到很快的传播。我国自 70 年代末 起在建筑物基础托换，工业建筑的基坑工程以及水利建设工程得到应用。90 年代起随着我 国大规模建设工程的发展，在上海、广州、北京等大城市的地下工程建设中以及长江三峡等 重大水利工程中的应用， 使这种技术在我国的应用范围有了迅速扩大， 成为世界上喷射注浆 法应用工程量最大的国家之一。在施工机具方面，由于工程机械制造水平的限制，长期以来 我国应用最多的是三管法，自 90 年代后期，二管法的应用得到发展。配套机械的性能也有 所提高。现在，喷射注浆法已列入国家行业规范建筑地基处理技术规范。 十余年来，旋喷工法的进步主要表现在施工技术的进步和应用范围的

3、扩大。 从七十年代末起，由于工业建设和市政工程的发展，一些深的基坑需要开挖，在开挖过 程中为了防止涌土涌水，开始有的基坑采用旋喷加固，并采用三管法。 九十年代起，随着地铁、隧道、高层建筑地下室等地下工程的发展，旋喷工法的应用也 随之增加，使用高压泥浆泵的二管法也开始得到应用，但更多的仍然是三管法。桩的直径通 常二管法采用 0.81.0m,而三管法为 1.01.5m。2004 年由于工程需要进一步加大桩径，开 始采用类似于 RJP 工法的双高压旋喷法，即高压水和高压泥浆均采用 25Mpa 以上的压力， 桩的直径达到 1.82.3m。 除了桩径的变化，加固深度不断加深也是显著特点，由于地下工程深度

4、的不断加深，起 初旋喷桩长度一般小于 20m，而此后加固深度逐步延深到 30m、40m、50m，目前最大加固 深度达到 55m。 在施工机械的制造、组合方面虽也有变化，但基本上均是中国的产品。 近十余年工程应用范围的扩大是另一个主要的特点， 九十年代以来， 大量兴建地铁车站， 在车站建设中主要用于车站基坑坑底和侧壁的加固。 在地铁隧道和其他交通隧道建设中主要 用于盾构机工作井和进洞、 出洞的工作面加固。 在建筑物基坑的加固中多与保护相邻地铁车 站、隧道，地下主要管线等有关。 用于形成挡水墙或底板以阻止基坑侧壁或基坑底部地下水的涌入是旋喷加固的又一重 要用途，随着基坑开挖深度的增加，更多的砂层在

5、基坑侧壁或基坑底部出现，因而必须形成 可靠的挡水墙或隔水底板，现在已先后完成基坑深 40m 侧壁的挡水以及深基坑的大面积水 平封底，并获得成功。 在国外除日本以外，欧洲、美国、东南亚、中东以及中国台湾和香港特别行政区均有大 量工程应用的实例。日本在原有的单管法、双管法和三管法的基础上，后来又开发了一系列 新的工法， 例如多管法、 超级旋喷法、 双高压法以及和深层搅拌法相结合的多种喷射搅拌法。 欧洲在引进日本喷射工法的技术后， 在施工机械方面有其自身的特点， 例如在隧道工程中有 不少采用水平旋喷加固的工程实例， 在欧洲也已形成了喷射注浆技术标准。 东南亚的泰国和 新加坡都是喷射注浆在地下工程中应

6、用较多的国家。 在中东， 埃及开罗的地铁建设中大量使 用喷射注浆加固法， 成为世界上单项工程中使用喷射注浆加固工程量最大的项目之一。 美国 从日本引进喷射注浆技术之后， 也有一个发展的过程， 自 20 世纪 90 年代引进超级旋喷工法 之后，应用范围有进一步的扩大。喷射注浆法在美国基础托换工程，隧道工程，水利工程中 均有应用，而且有的单项工程中使用规模很大。 十余年来旋喷工法的应用范围不断扩大， 表明了这种方法在解决各种地基加固中的使用 价值，和在一些工程条件下的优越性，即可以节省工程成本，缩短工期，并确保了地下工程 的安全。虽然已在大量工程中应用，但是旋喷工法在技术上也仍然存在不少问题，有待

7、于进 一步解决。 这其中主要原因在于旋喷加固的积累在地下形成的加固体范围和强度及其分布情 况， 虽然通过取芯可以取得强度的数据， 但是加固直径和强度分布情况只有通过开挖才可得 到较详细的数据， 而直接开挖在许多情况下难以实现， 因此比许地基加固技术的经验积累更 加困难。除此之外，地下工程地质条件的多变和各种工程对旋喷的要求有很大的差别，甚至 不具有重复性，因此增加了经验积累的困难。 因此， 如何进一步解决判断桩的加固范围 （桩强） 和强度分布仍是本项工法的努力方向。 除此之外，旋喷桩的质量与施工参数的选择和施工过程的对施工参数的控制密切有关， 因此正确选择施工参数和在施工过程中全程记录施工参数

8、就成为确保加固质量的关键。 这也 是今后需要继续完成的工作。 大量的地下工程实践证明旋喷是一种用途广泛的地基加固技术， 在基坑工程中用于挡水 和减少地基变形效果显著，解决了许多复杂基坑、隧道工程中难题，确保了工程安全，并且 降低了工程造价和加快了施工进度。 但是，旋喷法又是地基加固中许多方法中技术上不确定因素更多的方法之一。因此，施 工者的经验和管理就成了防止加大失败的关键。 20.2 基本概念 20.2.1 基本概念 基本概念 地基加固通常分为两种类型： 结构物的地基加固和施工期间地基加固。 前者属永久性加 固，后者是施工期间的临时加固。 地基加固按加固目的有以下不同特点： （1） 强度特性

9、的改良，即提高抗剪强度。通过土体强度的改良，以提高地基承载力， 提高斜坡稳定性，防止基坑涌土。 （2） 降低土体压绪性。主要是减少土体压缩变形，或减少土体侧向位移引起的地基 下沉。 （3） 改善透水性。通过加固减少土的透水性以形成防水帷幕，阻止渗水或防止流砂、 管涌的发生。 （4） 改善动力特性。对松散砂进行地基加固，可防止地基液化，改善抵抗振动荷载 的性能。 根据加固所起的作用，旋喷桩设计可以分为下列不同的目的： (1) 止水，形成防水帷幕，切断地下水的渗流。 (2) 防止坑底部软粘土失稳或砂性土管涌以及基坑被动土压力区的加固。 (3) 对相邻构筑物或地下埋设物的保护。 (4) 旧有构造物地

10、基的补强。 (5) 桩基础的补强。 (6) 地下盾构法等顶管施工始末端的加固。 (7) 其他。 图 201 喷射注浆法设计程序 设计的一般程序参见图 201。图中所示的地质条件，是指土的性质。一般来说，对松 散、软弱的土层，其加固范围大，即桩径大或喷射距离长；反之，对坚硬的土层其切割的范 围小，桩径也较小。砂性土易于分散，故与硬化剂混合均匀、充分，而粘性土较难分离，则 搅拌均匀度较差。 一般来说，下列土质的加固效果较佳。 砂性土： N15； 粘性土：N10； 填土：不含或含少量砾石. 下列土质条件则需要慎重考虑： 坚硬土层: N50 的砂质土以及N10 的粘性土； 人工填土层：填筑时间很短的人

11、工填土，尤其是堆积松散，含有块石、存在大裂隙的人 工填土； 砾砂层：含有卵石的砾砂层，因浆液喷射不到卵石后侧，故常需通过现场试验。 20.2.2 加固原理和加固方法加固原理和加固方法 一、加固原理 喷射注浆法加固地基通常分成两个阶段。第一阶段为成孔阶段，即采用普通的（或专用 的)钻机预成孔或者驱动密封良好的喷射杆和带有一个或两个横向喷嘴的特制喷射头进行成 孔。成孔时采用钻孔的方法，使喷射头达到顶定的深度。 第二阶段为喷射加固阶段，即用高压水泥浆（或其他硬化剂） ，以通常为 15Mpa 以上的 压力，通过喷射管由喷射头上的直径约为 2mm 的横向喷嘴向土中喷射。与此同时，钻杆一 边旋转，一边向上

12、提升。由于高压细喷射流有强大切削能力，因此喷射的水泥浆一边切削四 周土体， 一边与之搅拌混合， 形成圆柱状的水泥与土混合的加固体， 即是目前通常所说的 “旋 喷桩” （图 20-2） 有时，根据工程需要，也可形成“片状”加固体，例如隔水帷幕。此时，只要在喷射高 压水泥浆时，钻杆只提升，而不旋转，即所谓定向喷射。这种情况下，常常采用一个喷嘴或 两个喷嘴进行喷射。 此外，也可只在一个限定的角度范围内(如 120)往复喷射，即所谓“摆喷” 。 图 20-2 旋喷桩施工方法 喷射注浆法的加固半径Rn和许多因素有关，其中包括喷射压力P、提升速度S、现场土 的剪切强度、喷嘴直径d和浆液稠度B等。 Rn=f

13、(P，S， d，B) 加固范围与喷射压力 P、喷嘴直径 d 成正比，而与提升速度 S、土的剪切强度和浆液 稠度 B 成反比。 加固强度与单位加固体中的水泥含量、 水泥浆稠度和土质有关。 单位加固体中的水泥浆 含量愈高，喷射的浆液愈稠，则加固强度愈高。此外，在砂性土中的加固强度显然比在软弱 黏性土中的加固强度高。 喷射注浆加固是在地基中进行的，四周介质是水和土，因此，虽然钻机喷嘴处具有很大 的喷射压力，衰减仍然很快，切削范围较小。为了扩大喷射注浆的加固范围，又开发了一种 将水泥浆与压缩空气同时喷射的方法。 即在喷射液体的喷嘴周围， 形成一个环状的气体喷射 环，当两者同时喷射时，在液体喷射流的周围

14、就形成空气的保护膜。这种喷射方法用在土或 液体介质中喷射时， 可减少喷射压力的衰减， 使之尽可能接近在空气中喷射时的压力衰减率， 从而扩大喷射半径。 但是，喷射注浆尚存在着一些有待改进的问题： （1）施工质量控制受人为的因素较多，尤其在我国质量控制尚不能全部用仪表控制。 （2）设计计算不确定的因素较多，需要设计，施工人员有经验才能取得较好的结果。 （3）质量检验方法有待进一步完善。 此外， 由于这种方法适用的范围和用途十分广泛， 例如它可以作为提高建筑物地基承载 力，又可用于基坑工程土质加固，减小基坑位移，防止涌土或隔水，还可以用于地下管线保 护和水利工程中防止管涌等， 在土质方面它既可适用于

15、粗颗粒砂砾性士， 还可使用于黏性土 等各种土质。此外，喷射注浆法本身又可根据工艺的不同分为单管、双管和三管法。由于上 述的原因，使得喷射注浆法工程应用表现出很强的“个性” ，也就是说尽管有许多工程应用， 但是因具体条件、目标各异，并常遇到新的问题。 同时，喷射注浆法由于它自身的特性，与桩基或一些其他的加固方法不同的是，加固的 效果常常难以准确的检验和评价。 上述诸多因素，就使得在喷射法浆加周中，工程经验显得十分突出，也就是说，喷射注 浆法成功的应用，除了要依赖人们对这项技术(包括工艺、材料)准确的掌握之外，还要依赖 其工程经验，这种工作经验既包括自身的，也包括国内外他人经验的收集、分析。 二、

16、加固方法 1.单管法、二管法和三管法 单管法、二管法和三管法是目前使用最多的方法。其加固原理基本是一致的，施工工艺 流程概括图 203 所示. 单管 法 和 二 管 法 中 的 喷 射管较细， 因此，当第 一 阶 段 贯 入土 （a） （b） （c） 图 20-3 喷射注浆法施工工艺流程 （a）单管法； （b）二管法； （c）三管法 中时，可借助喷射管本身喷射，只是在必要时，才在地基中预先成孔(孔径为610cm)， 然后放入喷射管迸行喷射加固。采用三管法时，喷射管直径通常是 79cm.结构复杂，因此 有时需要预先钻一个直径为 15cm 的孔，然后置入三喷射管进行加固。成孔可以采用一般钻 探机械，也可采用振动机。 各种加固法，均可根据具体条件，采用不同类 型的机具和仪表， 单管法施工的一种工艺布置如图 20-4 所示。 其 中，水泥、水和膨润土采用称量系统，并二次进行 搅拌、混合，然后输人到高压泵。 三种方法的常用施工参数如表 20-1 所示。 2. RJP 工， RJ