加固工法

第十五章五、高压喷射搅拌工法本章前面几节叙述了双重钻杆过滤管工法、双层管又栓塞工法及双重钻杆双液同步注入工法等多种注入工法。这些注入工法是靠注入的浆液在砂层(或土层)中渗透扩散而与砂(土)结成整体，或靠注入压力排除土中水分，以一定的渠道形成脉枝状或板状骨架的浆液的固结体，应该指出这些均基本不破坏土体结构。因为这些渗透固结体或者脉状固结体的固结形状、位置是无规则的(随机的)，也就是说这些注入工法的可靠性相对而言较差，有时不能满足工程的设计要求。为了克服上述缺点，20世纪70年代初问世了一种新的工法即高压喷射搅拌工法。该工法较好地克服了上述注入工法的缺点，目前该工法在盾构隧道工程、道路工程、古建筑物、构造物的修复等方面有着极多的施工实例。下面分别对x—Jet、．IACSMAN、RIP等新型高压喷射搅拌工法作一介绍。15．5．1高压喷射搅拌工法的优缺点所谓的高压喷射搅拌工法，即利用高压射流破坏土体结构，使土体与固化材浆液混合搅拌后凝结成高强度的固结体的一种加固地层的方法。若高压射流是旋转喷射，则称之为旋喷；若高压射流是定向喷射，则称之为定喷；若高压射流是成一定角度的摆动喷射，则称之为摆喷。高压喷射搅拌工法的优点如下：(1)固高压喷射的浆液局限在土体破坏的范围内，也就是说浆液的注入部位和范围是可以控制的。(2)可调节注人参数(切削土体的压力、固化材的注入速度、注入量等参数)，获得满足设计需求的(强度和抗渗性)固结体。(3)与以往的注人工法相比，除高压泵和特殊喷嘴不同外，其他设备基本相同。也就是说高压喷射搅拌工法仍然具有设备轻便、施工方法简单、操作容易、施工所需的空间小，占地面积小等优点。(4)由于注入浆液多使用水泥和水玻璃类浆液，故成本低，且不污染环境。高压喷射搅拌注浆工法适用于砂土、粘土、人工回填土，而对含有大砾石(直径大)、纤维质的腐植土层及地下水流动过快的地层，高压喷射搅拌注浆工法不适用。15．5．2X-Jet工法1．工法概况由于高压喷射搅拌工法的固结强度比其他加固工法高，且强度发现时间短，故过去的20多年时间里一直被广泛采用。但是对于复杂地层而言，为了确保加固质量(直径和强度均达到设计标准)，每次实际施工中必须采取一定的技术措施。但是要想获得好的加固效果，且成本又不高，这意味着对技术的要求极高。X-Jet工法是为了适应这种要求而开发的新工法。X-Jet工法(交叉喷射工法)是使多个射流按预定的角度汇交，射流汇交碰撞后其固有的切削能量迅速衰减消失，以此控制加固位置的加固地层的工法(见图15．5．1)。该工法特点如下：图15．5．1X—JeI工法腺理图(1)固结均匀在能量衰减前使其射流交汇，在碰撞点切削能量相互抵消，所以距离比桩心到碰撞点的距离大的地方射流已无能力切削土体，所以加固体均匀程度好。(2)加固效果得以提高由于交叉喷射，故形成的加固体均匀，硬化材料的用量无起伏；由于反复切削地层被破碎成网孔状的小块，故搅拌效果好。(3)废泥的产生量减少由于限定注人范围，故注人量(相对而言)大幅度减少，因此排出的废泥的总量也减少。(4)效率高因为有多个射流切削土体，故施工速度比以往的工法提高2倍以上，工期的缩短带来成本的降低。2．工程实例(1)工程概况某市大型共同沟工程，全长2300m，选用土压盾构法施工，这里介绍的是用X-Jet工法加固盾构进发竖井稳定围岩土体的施工事例。盾构机的外径5．99m，盾构掘进深度地下25m。竖井挡土墙系用SMW工法构筑。为了防止盾构进发时，因切断拆除SMW墙体而造成的围土漏水和保证工作面的稳定，决定采用X-Jet工法对竖井该部位的外侧进行加固。成桩直径2．3m，桩长10．2m，桩的施工数量19条。加固设计的正面、侧面图如图15．5．2所示。加固桩的布设图如图15．5．3所示。图15．5．2地层加固计划图(尺寸单位：m)(2)土质状况土质柱状图如图15．5．4所示。图中，Ys为砂质土层，Yc为粘性土层，Yg为砂砾层。地下水位一7m。由图15．5．4可知，需加固的土层的状况如下：①上部是N10的粘土层和N50的砂砾层；②中部是N10的粉砂层和20N40砂层的互交层；③下部足15N30的崮结粉砂层和20N40的砂层。(3)施工顺序X—Jet工法施工的大致顺序如下：①共布置了3排加固桩，靠竖井壁的第1排和外侧的第3排中的不相邻的桩孔先行施工。②接下来施工夹在第l排与第3排中间的第2排中的不相邻的桩孔。桩孔的布设和施工顺序如图15．5．3所示。每条固结桩的施工顺序如图15．5．5所示。图15.5.3加固体布设图(尺寸单位：m)图15.5.4土质柱状图(尺寸单位：m)图15.5.5施工顺序(4)效果确认①效果确认和数量a．从地表钻孔取芯，目视芯样评估固结效果，同时进行单轴抗压强度试验。b．从盾构竖井壁面进行水平钻孔确认涌水量。芯样的钻孔位置如图15.5.6所示，水平钻孔的位置如图15.5.7所示。钻孔长度、钻孔直径及钻孔数量如表15.5.1所示。图15.5.6芯样钻孔位置(尺寸单位：mm)图15.5.7确认涌水量的位置图(水平钻孔的位置)(尺寸单位：mm)效果确认工作的数量表15.5.1由取样的样芯作成23个试块，并对这些试块进行了单轴抗压强度试验。取样钻孔的位置、确认涌水量的水平钻孔的位置都选择在固结体与固结体的搭接部位。②效果确认的结果a.芯样采集与回收率图15.5.8示出的是芯样的示意图，表15.5.2给出的是芯样加固体的回收率。芯样加固体的回收率表15.5.2图15.5.8芯样示意简图观察芯样示意图，可发现直径65mm的芯样中，部分芯样中存在固化材料和粘土块。这是加固部位的粘土被切削后没有被排到地面，而造成的固化材料和粘土的淤积块。对全部芯样实施碱性反应检验，如果把呈现碱性反应的地点的加固长度用回收率表示，则均在90％以上。b．单轴抗压强度的结果图15．5．9示出的是加固体的强度分布，这是对23个试块实施单轴抗压强度试验的结果，单轴抗压强度的平均值σ28=2．26MPa，该值大于设计强度σck=2MPa。c．涌水量的确认结果当水平钻孔的涌水量达到稳态后，用量筒测量地下水的涌水量。测得的涌水量的结果如表15.5.3所示。8个钻孔的涌水量的总和为370mL/min，同时可以确认涌水量不再随测量时间的增加而增加。图15.5.9单轴抗压强度分布涌水量的确认表15.5.3地下水位GL-6．87m(+10．13m)实际工程中盾构机出洞SMW挡土墙切断后无漏水坍方现象，同时盾构推进时掘削面稳定。这些均说明X-Jet工法的效果是好的。15．5．3JACSMAN工法软土地层加固工法中存在一种把水泥等硬化材与原位土搅拌混合，生成固化柱体的工法，即深层混合处理工法。这种工法大致上分为机械搅拌工法和高压喷射搅拌工法。机械搅拌工法在加固体搭接一体化和近接原有构造物的搭接方面存在一些问题；而高压喷射搅拌工法对于某些土质在提高桩径和降低成本方面也存在一问题。为了解决好上述问题，故而开发了另一种新的所谓的交叉喷射型复合搅拌工法，即JACS-MAN(JetAndChurningSystemManagement)深层混合处理工法。该工法的特点是利用超高压在机械搅拌叶片搅拌土体的同时，从叶片端部压喷交叉射流，这是一种集机械搅拌和高压喷射两个特点的一种新工法(参看图15．5．10)。该工法与单纯的机械搅拌工法相比，其成桩直径变大，适用的施工条件也变宽。与一般的喷射工法相比，施工质量、效率均得以提高。综上所述，该工法有下列特点：(1)加固体与加固体间的搭接，加固体与原有近接构造物的中间夹接区的土质变得密实。(2)工效是以往的机械搅拌工法的3～4倍(300—600m3／d)。(3)因为是交叉喷射，故土体被粉碎成细粒，硬化材与土体的拌和效率高，拌和均匀固结体质量可靠。另固化成桩直径大(6．4rn2／条，以往为1．5rn2／条)。JACSMAN工法的施工标准如表15．5．4所示。另外，固化材的规格，应据强度需求由配比试验决定。施工规格标准表15．5．4图15.5.10交叉喷射的概况该工法主要的施工实例如表15.5.5所示。表中示出了4种适用领域。JACSMAN工法实例表15.5.54种适用领域分列如下：(1)先期施工的CDM与钢板桩夹接间隔区的土体密实性的加固。(2)挡土墙承压侧的地层强度的提高。(3)基底加固。(4)先期地中梁的构筑。15．5．4RJP工法本节介绍另一种高压喷射搅拌工法即RJP工法。RJP工法的最大的特点是两次切削搅拌土体，故浆液与土体的拌和均匀，固结质量可靠性好，作业设备具有通用性。1．工法概况RJP工法的工作原理如图15．5．11所示。当钻孔到预定深度后，安装在三重管钻杆杆尖上的RJP喷枪的上喷嘴喷射出高压水(喷射压力20MPa)和空气(0．7气压MPa)的混合射流，地层作一次切削；同时由下喷嘴喷射出超高压固化材浆液(压力不小于40MPa)和空气(压力为O．7：MPa)的混合射流对地层作第二次切削(扩大切削)；两次切削产生的废泥从上部吸出。显然在钻杆旋转的同时，上提钻杆即可形成圆柱状的注入区域，即形成圆柱状固结体。采用上述两次喷射系统的优点是土体和浆液的混合、搅拌充分，作业质量可靠，能大幅度地扩大切削范围，同时节省注入时间。图15．5．11RJP工法的原理图固化材浆液的喷射压力不小于40MPa，使喷射速度大幅度提高。这些注入性能的提高应归功于超高压注浆泵的问世。设计该注浆泵时，为了防止泵的油缸衬垫的摩耗延迟泵的冲程，把油缸的容积设计得大。以往多使用石油掘削中的大型超高压泵，不过这种泵的体积，质量过大、较为笨重。几年来已成功地开发了小型超高压注浆泵(E700k)。此外，为了更好地喷排废泥把原来的球套改成角套。由于高压的原因，作为安全的措施在软橡皮管内安装了保险片，当高压异常时安全阀工作。另外，相对标准的圆柱形的固结方式而言，还开发了摆动式(摆动角15。～2700)，即可以形成扇柱状固结体的钻孔机械，所以，RJF，工法可因施工场地、施工条件的不同而因地制宜(可圆柱形固结，也可扇柱形固结)。显然RJP工法是一种施工性灵活，且经济性好的一种工法。正因KIP工法具有诸多的上述优点，所以应用极广。2．工法的特点(1)可以获得大口径的均匀的加固体上喷嘴为高压喷射水切削地层使地层松动，下喷嘴浆液切削的同时进一步松动地层，同时强制搅拌土体和浆液。由于两次切削搅拌，所以切削范围大，且混合均匀有利于加固质量的提高，加固体的直径可达2．5～3m。(2)摆动形状扇柱状固结体使用角套可由地表面确认喷枪嘴的位置，使其按设计的扇状角度摆动喷射，可自由地形成15°～270°的扇柱状的固结体。(3)与加固目的适应的加固强度适当地选择固化材料，就砂地层而言可以在1．2～2MPa范围内，任意选择加固强度；就粘性土地层而言，可以在0．2～O．7MPa范围内任意选择加固强度。(4)机械具有通用性无需传导套管、过滤器等结构安装上的辅助作业，从钻孔到加固体形成，呈连续周期性作业。(5)止水性能好的连续性加固体喷射注入的浆材可以对原有的桩、地下墙、埋设的构造物、挡土墙等作无损伤的空隙填充，由于高压射流的作用，故加固体的密实性极好。另外，即使存在埋设物仍可以形成包围这些埋设物的加固体。超高压射流压力大小的选择应以不损伤混凝土和铁等物体为准。(6)固化材对环境无污染且经济固化材使用无机的水泥类材料，故长期稳定性好，对环境无污染，且经济性好。3．固结体的物性与其他高压喷射搅拌工法一样，撑握现场地层状况对RIP工法的设计最为关键。为了确保固结体的质量必须进行各种土质调查。应特别注意特殊土质，如砂砾层的场合下，必须注意超高压射流并不能切削破坏砾石。另外，在腐植土地层中由于腐植土中含有腐植酸，而腐植酸有阻碍水泥硬化材水化反应的作用，所以在设计这些地层中的固结体的直径、强度的时候，必须考虑上述不利因素的影响。表15．5．6和图15．5．12中示出的是RJP法的加固体的有效直径，但是这些数值均因土质条件、喷射压力、喷射时间(上提速度)等条件的不同而不同，表中的数值是根据一