高压旋喷槽壁加固技术的应用

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  [摘 要]哈尔滨地铁2号线一期工程沿线经过哈尔滨老城区,距离百年老建筑较近,建筑物基础较差,多为毛石或筏板基础,建筑物的沉降控制非常困难,稍有扰动就有可能发生沉降,在地铁施工过程中需要采取相应的措施确保基坑的安全,以防止地表沉降而引起建筑物发生不均匀沉降,从而导致建筑物造成结构性破坏。
  [关键词]高压旋喷 槽壁 加固 应用
  中图分类号:U24 文献标识码:B 文章编号:1009-914X(2016)25-0344-02
  1 前言
  在繁华老城区修建城市地铁工程时常会遇到历史性建筑,这些建筑物沉降控制标准相当高,要求十分严格,稍有扰动就会引起监测预警,给施工带来了很多不利条件,因此,在施工过程中需要采取一些辅助措施,尽量避免或减轻对建筑物的扰动,防止对建筑物结构造成破坏。沿线经纬街3座车站邻近古老建筑物年代久远、基础薄弱,为确保建筑物安全,在连续墙外边缘采用高压旋喷桩对槽壁进行了加固处理,取得了良好效果。
  2 工程概况
  哈尔滨地铁2号线一期工程为哈尔滨轨道交通网络中由北部至东南的骨干线路,北起呼兰区松北大学城站,终于香坊区气象台站,线路串联呼兰、松北、道里、南岗、香坊五区,沿线经过松北开发区、太阳岛旅游休闲中心、道里商业金融中心、铁路客站、省级行政办公中心,并通过换乘与轨道交通1、3、4、5、6、8号线衔接,是网络南北—东西的主要干线,有力支持哈尔滨城市发展中“北跃”的发展策略,为“一江居中,两岸繁荣”的城市繁荣构想铺垫基础。线路全长28.6km,均为地下线路,共设19座车站,18个区间;设哈北车辆段一座,主变电所两座,控制中心一座。除省政府站采用PBA法暗挖以外,其余各车站均为明挖法施工;区间均采用盾构法施工,除下穿松花江3个区间拟投入4台泥水盾构以外,其余15个区间16台盾构均为土压平衡式盾构。项目采用BOT模式,投资估算約189.25亿元,总工期为66个月。
  3 气象、水文、地质
  3.1、气候条件
  哈尔滨市属寒温带大陆性季风气候。主要特点为春季风大雨少,夏季温热湿润降水集中,秋季凉爽、霜来早,冬季漫长,寒冷干燥。一年平均气温3.6摄氏度,极端最高气温可达36.4摄氏度,极端最低气温-38.1摄氏度。全市年平均降水量523mm,降水主要集中在夏季。冬季降雪占全市降水的12.1%,降雪期日数为180多天,年降雪量平均为63.1mm,最大积雪深度达41cm。年平均风速4.1m/s,常年主导风向以西南风为主。年平均日照时数2446h。年最大冻土深度205cm。
  3.2、工程地质
  地质资料表明场地均被第四纪地层所覆盖,从上到下顺序是全新统人工堆积层(Q4ml)全线均有分布;松花江漫滩:全新统漫滩冲积成因土层(Q42al)。依次为:人工杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、细砂、粉细砂、中粗砂、泥岩、粉砂岩等。线路所穿越地层主要以粉质粘土、细砂、粉细砂、中粗砂等为主,上覆粘土层、细砂、粉细砂层,下卧中粗砂层、泥岩等。
  3.3、水文地质
  根据所处地貌单元勘探揭示的地层结构,场地地下水可分为上层滞水、孔隙潜水、孔隙承压水。第四系全新统孔隙潜水与下更新统砂砾石层孔隙承压水主要赋存于第四系全新统冲积层中(2-2)层粉砂、(2-3)层细砂、(2-4)层中砂、(2-4-1)层砾砂、(2-4-3)层粉砂中及下更新统东深井组(7-2)层中砂中,地层富水性好,透水性强,该层与松花江水力联系密切。补给方式主要有松花江侧向径流补给、大气降水入渗、地表水入渗等,其中松花江侧向径流补给及大气降水入渗为主要补给来源,另外丰水期内,区域内湖水、河水等地表水对地下水也有一定的补给作用。排泄方向主要为蒸发及人工开采。水位和水量随季节性变化,最高一般在7~8月份,最低水位多出现在翌年的3月份至5月份,地下水位的年变化幅度在2.0m-3.0m左右。
  4 高压旋喷施工工艺及流程
  4.1、槽壁加固原理
  地下连续墙施工前,先利用高压旋喷桩对地下连续墙周边土体进行加固,以减少地下连续墙施工过程中对古建筑物的扰动和防止地下连续墙成槽过程中细砂、粉细砂极易流动而产生塌孔现象,危及古老建筑物的安全。而高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置,用高压设备将浆液或水、压缩空气以高压射流从喷嘴中喷射出来,经过冲切、充填、压缩、搅拌等机械作用改变土体原有结构,钻杆以一定的速度逐渐提升,混合浆液随钻杆提升同步与土粒强制搅拌固结,在土中形成一个圆柱体,形成复合地基,增加土体承载力和抗剪切强度,达到土体稳定止水防渗的目的。
  4.2、高压旋喷施工工艺
  高压旋喷根据机械设备类型和地质情况分单管、二重管和三重管三不同施工方法,不同方法施工工艺略有差异,处理效果也不一样,经验总结单管高压旋喷成桩质量效果相对其他两种方法要好些。
  4.2.1施工流程
  槽壁加固施工工艺流程如下图1所示:
  4.2.2施工工艺
  1)施工准备工作
  按照设计图纸槽壁加固范围核对现场实际情况,确定无管线等障碍物后进行测量放线,确定孔位,孔位按I、II分序标识,间距为700mm,桩径为800mm,咬合200mm,误差不大于50mm;将浆液原材料进行送检并试配;连接管路、线路,检查设备状况,校检压力表等。
  2)钻机就位、调垂
  将钻机移至定位孔位,钻杆钻头中心对准孔位木桩,调平钻机平台,调垂机架钻杆,垂直度偏差不大于0.5%。
  3)钻孔
  采用合金钻头钻进,造孔直径为150mm,采用跳孔钻孔施工,先施工I序桩,再施工II序桩。钻孔过程中要对地层的变化情况进行详细记录,始终保持钻机平稳,防止钻机发生倾斜失稳。   4)下喷管
  先在地面进行试喷,检查各项工艺参数合格后,将喷射平台移至孔位处,把喷射管下至设计深度。
  5)制浆
  利用P.O32.5或P.O42.5普通硅酸盐水泥,按水灰比1:1的比例制成水泥浆液,用搅拌机充分搅拌,搅拌时间不得小于30s,并通过0. 8mm的筛子进行二次筛分方可进入泵送浆液桶。
  6)高喷
  高压泵通过高压橡胶软管输送高压浆液至钻机上的注浆管,进行喷射注浆,高压浆液流或水流压力20~40Mpa。高压喷射注浆自下而上进行,桩底初始及桩顶终止喷射时间均不小于60s,然后缓慢提升,提升速度控制在0.1~0.25m/min,旋转速度10~20r/min。注浆管不能一次提升完成需要拆卸管时,卸管后喷射的搭接长度不得小于200mm,以保证固结体的整体性。
  (1)工艺参数
  高喷是属于隐蔽性较大的工程施工,需要通过试喷钻芯取样后,选择合理的施工工艺参数,才能保证施工质量,不同高喷方法,工艺参数略有不同,参考参数如下:
  单管法:浆液压力20~40Mpa,浆液比重1.3~1.49,旋转速度18~20r/min,提升速度0.2~0.25m/min,喷嘴直径2~3mm,浆液流量80~100l/min。
  二重管法:浆液压力20~40Mpa,浆液比重1.4~1.6,旋转速度15~18r/min,提升速度0.15~0.2m/min,喷嘴直径3~4mm,浆液流量100~110l/min,空气压力0.7~0.8Mpa,气量60~80m3/h。
  三重管法:浆液压力0.3~0.8Mpa,浆液比重1.6~1.8,旋转速度10~15r/min,提升速度0.1~0.15m/min,喷嘴直径3~4mm,浆液流量100~120l/min,空气压力0.5~0.8Mpa,高压水压力30~50Mpa。
  (2)噴浆量
  喷浆量跟土体加固范围即被加固土体直径有关,加固直径与设备、浆液、压力、地质等条件因素有关,如喷射压力、提升速度、被加固体的抗剪强度、喷咀直径、浆液的粘稠度等。加固范围与喷射压力P、喷咀直径d成正比,与提升速度s、土的抗剪强度τ及浆液粘稠度成反比。
  理论喷浆量有两种计算方法,一种为体积法,另一种为喷量法,两者之间计算值会在在一定的差异,以大者为控制标准。
  式中Q-喷浆量(m3)
  De-加固土体直径(m)
  λ1-填充率,0.75~0.9
  h1-旋喷高度(m)
  λ2-未旋喷范围土的填充率,0. 5~0. 75
  h2-未旋喷高度(m)
  β-损失系数,0.1~0.2
  H-喷射高度(m)
  V-提升速度(m/min)
  q-单位喷浆量(m3/m)
  4.3、高压旋喷施工质量控制
  高压旋喷桩施工难度大,成桩质量难以控制,受注浆压力、地质情况、工人操作水平、浆液稠度等众多因素影响。
  4.3.1质量控制
  1)钻孔定位准确,其允许误差不大于50mm,并用木桩固定,成孔垂直度偏差不大于0.5%。钻孔过程中严格记录地质变化情况,尤其是异常情况记录要详实,并采取相应的措施,确保成孔质量,终孔后技术人员检查成孔质量。
  2)制浆原材料采用普通硅酸盐水泥,并有厂家提供的产品合格证,水泥新鲜无结块、通过0.08mm的筛孔筛分余量不大于5%,水质清洁无污染,根据需要,也可在水泥浆液中加入其他外加剂,但要进行试验。
  3)配制浆液采用高速搅拌机充分搅拌,连续均匀搅拌时间不小于30s,一次搅拌使用时间不超过4h,随时检测浆液比重,记录每孔水泥材料用量。水泥浆液水灰比越小,被加固土体强度越高,同时喷射难度也加大,易堵管。搅拌完的浆液须经过二次筛分后方可进入高压注浆泵,防止注浆管受堵。
  4)按照试桩确定合理施工参数,严格控制喷射提升速度,提升速度越快,成桩质量越差,施工进度就快,因此需要加强操作工人的责任心;
  5)严格控制高压喷射注浆压力,压力愈大,被加固土体处理效果愈好。高压水泥浆液流或者高压水射流的压力不小于20Mpa,压缩空气流以空气压缩机的最大压力为限,0.7Mpa左右。
  6)高压喷射作业应连续一次完成桩体,需要接、拆卸注浆管时,动作要快,防止塌孔和堵嘴。因故中断喷射作业时要采取相应的应对措施,中断超过1h,要采取补救措施加桩或重新造孔;恢复喷射作业时,喷射搭接长度不小于100mm,以保证桩体的完整性。
  7)高压喷射钻机与泵之间的距离不宜太远,过远势必增加高压橡胶软管长度,使高压喷射流沿程损失加大,造成实际喷射压力降低,影响加固体处理效果。
  8)通过钻孔地质记录资料,准确掌握土层结构和土质种类,因地制宜,及时调整喷射工艺参数。
  4.3.2问题及对策
  1)不冒浆或断续冒浆:查看钻孔地质记录判断土质是否松软,加强复喷;若有空洞、管道等不能提升注浆管喷射至冒浆为止或者拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆;是否存在串孔现象,若有串孔则回填相邻孔位,待注浆完成后重新钻孔。
  2)压力突然下降而流量不变:检查泄漏情况,拔出注浆管,检查密封性能。
  3)压力稍有下降:检查注浆管是否被击穿或有孔洞。
  4)压力陡增:压力超过最高限值而流量为零,停机后压力仍然不变,检查喷咀是否堵塞,疏通喷嘴。
  5)附加变形:高喷浆液在未凝固之前,有效喷射范围内的地基受到扰动而强度降低,易产生附加变形,导致建筑物附加下沉,需要采取控制施工速度、顺序和加快浆液凝固时间等。
  4.3.3质量检测   高压旋喷桩成桩质量检测应在喷射注浆结束28d后进行,主要通过钻芯取样检测旋喷桩的抗渗性和无侧限抗压强度,必要时增加标准贯入试验、单桩承载力载荷试验。
  1)钻芯取样要取高压旋喷桩咬合部位、具有代表性的桩位及施工中出现异常的部位。
  2)检验点的数量为施工桩数的1%,并不小于3个点。
  3)加固體28d无侧限抗压强度不低于1Mpa,渗透系数不大于1x10-7cm/s。
  5、结论
  沿线经纬街3座车站地下连续墙,靠建筑物较近侧均采用高压旋喷槽壁加固技术,取得了良好的效果。根据经验,槽壁加固主要针对的地层是淤泥质粘土层、细砂层、粉细砂层等,中砂层及中粗砂层通过泥浆护壁能满足要求,检测结果表明,槽壁光滑,塌孔情况较少。
  高压旋喷施工中需特别注意的几个问题:
  1)选择新型施工工艺,减少拆卸钻杆次数,确保成桩连续性;
  2)高压旋喷要采用双控技术,控制高压旋喷压力和注浆量,既要确保旋喷成桩有效范围,又要防止因喷射压力过大,过度扰动地层带来的附加沉降;
  3)要针对水文地质、工程地质条件实施,防止流动地下水将水泥浆液带走,可掺入适量的外加剂加快凝固时间;
  4)槽壁加固时要预留一定的距离,一般以40cm左右为宜,防止注浆浆液进入地下连续墙施工范围内,导致地连墙成槽困难,反而影响连续墙施工质量。
  今后对冒出的浆液回收值得进一步研究和探讨,既能达到环境保护的要求,还能节约施工成本。
  参考文献
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  作者简介:
  毛宇飞,男,1969年生,毕业于长沙铁道学院,中国电建集团铁路建设有限公司,教授级高级工程师、一级建造师、监理工程师,长期从事铁路、地铁现场施工技术管理工作。
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