洞口土体加固施工方案

一、工程概况：本工程位于福建省福州仓山区鼓山大桥西侧闽江面上。因取水泵房鱼塘内水压大，顶管出洞口标高在-1.3处，地质情况为砂层。为防止顶管施工在进入洞口时出现涌水、流沙，顶管机头朝下顶进等情况，保障顶管工程正常顶进，施工不发生安全事故，排除安全隐患。拟在顶管洞口进外围土体（顶管机头长度范围内）进行加固，采用在洞口外侧旋喷桩封闭后，内侧进行注浆的施工工艺。具体位置详见附图《福州东部新城商务办公区水源热泵取退水工程顶管洞口土体加固平面布置图》二、设计依据：1、福州东部新城商务中心办公区项目水源热泵取退水工程(施工图)；2、《岩土工程勘察报告书》；3、《建筑地基基础设计规范》DBJ15-31-2003；4、国家现行有关技术标准、规程、规范。三、施工方案：1、双液注浆1.1双液注浆的特点1.1.1双液注浆工艺具有良好的流动性、触变性和扩散性。浆液初凝快且具可调性能，能适时提高强度，可以缩短土体沉降稳定时间，能克服注浆中引起的扰动和软化效应。针对本工程顶管洞口外侧为砂层水压大，顶管机头长6米，洞口外侧7米范围内注浆。详见平面示意图。1.1.2根据双液注浆的特性，双液注浆具有速凝性能，可以调节时间，缩短施工工期，在瞬时间内能起到强化和加固作用，比单液注浆更能达到土体加固的效果。3.1.3施工安全、简便、快速，工期短，质量好，效果快。3.1.4该工法施工设备仪器体积小，调动灵活，比较适用于目前在鱼塘施工的场地条件，具有对周围环境影响小等优点。1.2双液注浆的原理双液注浆主要具有克服注浆加固中引起的扰动和软化作用以及缩短固结沉降，控制沉降的特点，因此当双液浆及时充填到土体中的空隙（砂层），由于浆液具有速凝并可在瞬时内初凝的特点，因此能起到强化和加固作用。同时注浆过程中浆液流失少而且有效充填量提高，及时补充了由诸多原因造成的土体损失。同时当双液浆在充填土体中的空隙达到一定饱和后，会在压力作用下逐渐扩散不断充填空隙，能对周围土体产生挤压并劈入土体的薄弱部位，形成交叉网状凝固体，增强了土的密实度和压缩模量，扩大了应力范围，提高了一定的承载能力，从而增加土体加固的效果。1.3双液注浆堵漏止水处理针对池塘底砂层渗水影响顶管施工的分析，并总结之前采用高压旋喷桩加固的施工情况，合理选择浆液配比，以确保灌入浆液有效的扩散半径。扩散半径控制在2m以内，混合浆液初凝时间控制在2min以内，注浆孔位布置应遵循“分段，分批，逐步加密”的原则，同时注浆时应遵循“先外后内、先稀后浓”的原则，注浆先从影响区边缘向中心逐段逼近，灌注浆液浓度应由稀逐渐变浓。1.4双液注浆施工工艺流程水泥水搅拌制浆储浆桶单液注浆机水玻璃水稀释后的水玻璃浆液单液注浆混合器三通阀门连接头注浆管开关阀压力表压力表图3.2-1双液注浆流程1.5注浆材料及配比参数1.5.1注浆材料选择水泥-水玻璃双液。水泥：选用PO42.5的普通硅酸盐水泥；水玻璃：选用浓度Be′=30～40，模数M=3.0-3.3的水玻璃原液。注浆压力控制在0.7~3.5MPa;注浆后28天加固体静力触探比贯入阻力≥1.4MPa，渗透系数≤1x10。1.5.2配比参数为控制水泥-水玻璃浆液胶凝时间及浆液扩散半径，取得良好的注浆封堵效果。经试验室配比试验表明，水泥-水玻璃浆液胶凝时间可在几秒至几十分钟内准确控制。其胶凝时间与水泥品种、水泥浆水灰比、水玻璃溶液浓度、水玻璃溶液与水泥浆的体积比等因素有关，如表1所示。表1水泥-水玻璃浆液不同条件下的胶凝时间（M=3.0）水玻璃浓度Be′=30Be′=35Be′=40W:C(重量比)水泥浆：水玻璃1:0.51:1.027″50″29″56″34″1′07″0.6:11:0.51:1.031″56″37″1′12″42″1′32″0.8:11:0.51:1.040″1′12″47″1′26″52″1′52″1:1在同一条件下，水泥中硅酸三钙越多、水泥浆水灰比越低、水玻璃溶液浓度越低、水玻璃溶液与水泥浆的比例越小，浆液胶凝时间越短。2、高压旋喷桩2.1加固原理高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、（空气）成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。根据喷射方法的不同，本工程喷射注浆采用单管法，及单层喷射管，仅喷射水泥浆。高压泥浆泵浆桶水箱搅拌机水泥仓旋喷固结体注浆管钻机喷头图1单管旋喷注浆示意图2.2成桩机理高压喷射注浆的成桩机理包括以下五种作用：（1）高压喷射流切割破坏土体作用。喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体，使土体出现空穴，土体裂隙扩张。（2）混合搅拌作用。钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷咀移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动位置，与浆液搅拌混合形成新的结构。（3）升扬置换作用（三重管法）。高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩气体而把一部分切下的土粒排出地上，土粒排出后所留空隙由水泥浆液补充。（4）充填、渗透固结作用。高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。（5）压密作用。高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并对土层可产生一定压密作用，使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。旋喷桩固结体情况图2所示。渗透部分搅拌混合部分硬化剂主体部分图2旋喷桩体固结情况图压缩部分2.3工艺设计要求2.3.1加固体直径的确定旋喷桩直径与现场土质、土体强度和喷射压力、流量、提升速度和浆液稠度等诸多因素有关，应通过现场试验确定。本工程采用直径为500mm。3.3.2布置形式桩的平面布置形式需根据加固的目的给予考虑，分离布置的单桩可用于基础的承重，排桩、板墙可用作防水帷幕，整体加固则常用于防止基坑底部的涌土或提高土体的稳定性，水平封闭桩可用于形成地基中的水平隔水层。图3为一般桩的平面布置形式。本工程采用排桩布置，桩距为400mm。图3一般桩的平面布置形式图2.3.3设计承载力图（1）按桩身强度计算容许承载力。［P］=a［σ］A式中［P］——桩的容许承载力（kN）；a——桩体材料的强度折减系数，a=0.4～0.5；［σ］——桩体材料7cm×7cm×7cm试件的室内平均抗压强度（kPa）；A——桩的横断面积。（2）按土体强度计算桩身容许承载力。［P］=ｕΣfili+A［R］式中［P］——桩的容许承载力（kN）；ｕ——桩身截面周长，按桩的直径计算（m）；fi——各土层的容许摩阻力（kPa）；li——各土层的厚度（m）；A——桩底支承面积，按桩的直径计算（m）；［R］——桩尖处的地基容许承载力（kPa）。（3）复合地基承载力。1comePePPaRAAA式中comP——复合地基的容许承载力（kPa）；［P］——单桩承载力（kPa）；［R］——桩间土天然地基承载力（kPa）；Ae——一根桩分担的荷载面积；Ap——一根桩的断面积；A——天然地基承载力折减系数，当不考虑桩间土作用时为0。2.3.4浆量计算浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取大者作为设计喷射浆量。体积法：2201122(1)44DDeQKhKh喷量法：(1)HQqV式中Q——需要的喷浆量（m3）；De——旋喷固结体直径（m）；D0——注浆管直径（m）；K1——填充率，0.75～0.9；h1——旋喷长度（m）；K2——未旋喷范围土的填充率，0.5～0.75；h2——未旋喷长度（m）；β——损失系数，0.1～0.2；ν——提升速度（m/min）；H——喷射长度（m）；q——单位喷浆量（m3/m）。根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。本工程水泥用量：180kg/m，浆液比重：1.35-1.4，砼流量：100l/mm2.3.5强度要求旋喷桩设计要求，成桩28天后抽芯取样进行无侧限抗压强度试验，抽检数为2%，并不小于2根，其无侧限抗压强度不得小于设计要求；地基加固后，复合地基承载力不得小于设计要求。本工程强度等级为C20。2.4工艺流程高压旋喷桩施工工艺流程图见图4。泥浆排放处理钻机就位调整钻架角度钻孔插管试喷高压喷射注浆作业喷射结束拔管桩机移位机具清理准备工作制浆一级过滤二级过滤高压泵对浆液加压启动高压清水泵、空压机供水、风图4施工工艺流程图2.5操作要点2.5.1施工前准备工作（1）在设计文件提供的各种技术资料的基础上作补充工程地质勘探，进一步了解各施工工点地基土的性质、埋藏条件。（2）准备充足的水泥加固料和水。水泥的品种、规格、出厂时间经试验室检验符合国家规范及设计要求,并有质量合格证。严禁使用过期、受潮、结板、变质的加固料。一般水泥为425号普通硅酸盐水泥。水要干净，酸碱度适中，pH值在5～10之间。（3）根据补充勘探资料，在选择的试验工点加固范围内的各代表性地层用薄壁取土器采取必需数量的原状土送试验室，对取得的土样在进行试验之前应妥善保存，使土样的物理和化学性能尽可能保持不变。（4）室内配合比试验。根据设计要求的喷浆量或现场土样的情况，按不同含水量设计并调整几种配合比，通过在室内将现场采取的土样进行风（烘）干、碾碎，过2～5mm筛的粉状土样，按设计喷浆量、水灰比搅拌、养护、力学试验，确定施工喷浆量、水灰比。本工程区取1.0～1.5。为改善水泥土的性能、防沉淀性能和提高强度，可适当掺入木质素磺硫钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠、陶土、碱等外掺剂。若试验之前土样的含水量发生了变化，应调整为天然含水量。（5）试桩试验。根据室内试验确定的施工喷浆量、水灰比制备水泥浆液在试验工点打设数根试桩，并根据试桩结果，调整加固料的喷浆量，确定搅拌桩搅拌机提升速度、搅拌轴回转速度、喷入压力、停浆面等施工工艺参数。（6）推土机、挖掘机配合自卸汽车清除地表0.3m厚的种植土，杂物，并将原地面按设计要求整平，填出路拱。根据施工现场实际情况，施作临时排、截水设施，并在施工范围以外开挖废泥浆池以及施工孔位至泥浆池间的排浆沟。（7）按设计要求完成施工放样，用木桩定出桩位，用白石灰作出明显标识。2.5.2施工工艺（1）钻机定位。移动旋喷桩机到指定桩位，将钻头对准孔位中心，同时整平钻机，放置平稳、水平，钻杆的垂直度偏差不大于1%～1.5%。就位后，首先进行低压（0.5MPa）射水试验，用以检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。（2）制备水泥浆。桩机移位时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。首先将水加入桶中，再将水泥和外掺剂倒入，开动搅拌机搅拌10～20分钟，而后拧开搅拌桶底部阀门，放入第一道筛网（孔径为0.8mm），过滤后流入浆液池，然后通过泥浆泵抽进第二道过滤网（孔径为0.8mm），第二次过滤后流入浆液桶中，待压浆时备用。（3）钻孔。当采用地质钻机钻孔时，钻头在预定桩位钻孔至设计标高（预钻孔孔径为15cm）。（4）插管。当采用旋喷注浆管进行钻孔作业时，钻孔和插管二道工序可合而为一。当第一阶段贯入土中时，可借助喷射管本身的喷射或振动贯入。其过程为：启动钻机，同时开启高压泥浆泵低压输送水泥浆液，使钻杆沿导向架振动、射流成孔下沉；直到桩底设计标高，观察工作电流不应大于额定值。三重管法钻机钻孔后，拔出钻杆，再插入旋喷管。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可用较小压力（0.5～1.0MPa）边下管边射水。（5）提升喷浆管、搅拌。喷浆管下沉到达设计深度后，停止钻进，旋转不停，高压泥浆泵压力增到施工设计值（20～40MPa），坐底喷浆30s后，边喷浆，边旋转，同时严格按照设计和试桩确定的提升速度提升钻杆。（6）桩头部分处理。当旋喷管提升接近桩顶时，应从桩顶以下1.0m开始，慢速提升旋喷，旋喷数秒，再向上慢速提升0.5m，直至桩顶停浆面。（7）若遇砾石地层，为保证桩径，可重复喷浆、搅拌：按上述4～6步骤重复喷浆、搅拌，直至喷浆管提升至停浆面，关闭高压泥浆泵（清水泵、空压机），停止水泥浆（水、风）