高压旋喷桩在桥台基础中的应用

孙鹏旭

(山西省交通新技术发展有限公司 太原 030006)

高压旋喷桩是利用专用设备成孔后，钻杆提升旋转过程中喷射浆液与周围土体切削、搅拌混合而成的圆柱体水泥土混合加固体。根据喷射方法的不同，分为单管法、双管法、三管法和多管法，该注浆工艺具有施工占地面积少、对周边扰动小、噪声低、施工速度快、成本较高等特点，加固强度和水泥含量、水泥浆稠度、土质和喷射速度有关，适用于大部分土质，在砂性土中加固效果尤为显著[1]。该工艺被广泛应用于地基基础加固或基础补强中。

本文依托山西省河津市G5京昆高速公路侯禹段新209国道大桥桥台病害维修处治工程，介绍高压旋喷桩的施工工艺，为今后同类工程提供参考。

G5 京昆高速公路侯禹段(简称“侯禹高速”)是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”中第十一横(陵川营盘至河津禹门口)的一段，也是国家 G5 京昆高速的重要组成部分，全长 65.561km，2006年12月28日建成通车，该路起于临汾市襄汾县南史威村，止于陕西省韩城市大前村，途经运城市的新绛、稷山、河津等3个县市。全程采用双向4车道高速公路建设标准，设计时速120km/h，路基宽度28m。

新209国道大桥位于侯禹高速公路K830+908处。桥梁全长100m，上部结构采用双孔30m+40m+30m预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式墩、肋板式台、桩基础。设计荷载：汽车超-20级，挂车-120级。桥面横坡为双向2%，纵坡1.6%。

侯禹高速公路自建成通车至今已 14 余年，经过长期运营，该桥0#台、3#台出现台后路基沉降病害，同时，在日常维护过程中发现 0#台、3#台处梁体已与背墙接触，梁体与背墙之间已无伸缩空间，部分防撞墙已挤裂、伸缩缝钢梁挤死。

新209国道大桥桥台路基为填方路基，路基填高 8m，调查采用人工现场踏勘方式，发现该路段桥梁两侧台背均出现不同程度的沉降病害，沉降长度为 25m。沉降病害发生后，公路养护部门对路面进行了加铺找平处治，加铺厚度约 40cm。由于路面不断加铺，导致相应路段波形梁护栏高度不足，存在安全隐患。

公路养护管理部分委托地质勘察单位对该桥梁两侧台背沉陷位置采用美国地球物理测量系统公司(GSSI)生产的 SIR-4000 地质雷达进行探测，按车道纵向布置测线，共计完成地质雷达剖面16条，剖面长度合计为 480m。

根据探测结果发现，该桥梁两侧搭板长度均为8m，布线的16条中共发现异常11处，在新209国道大桥上、下行两端均存在一定范围的不密实区域，局部回填层顶面下沉量较大，达0.4m，见表1。此外在探测范围内，地质雷达探测未见其他明显异常不良现象。

表1 异常情况汇总表

桥梁台背填高约8m，根据地质雷达探测结果可知，台背路基部分压实不密实，导致运营中受荷载影响出现正常固结压缩变形。原路基处于湿陷性黄土地区，原路基土存在较强湿陷性，建设期已对原地面进行强夯处治。路基固结压缩变形后，路面出现下沉凹槽，结合该段落路线平纵情况，该路段位于下坡路段，路面径流易汇聚于台前，积水沿下沉段路面裂缝下渗后，导致路基填料黏聚力和内摩擦角变小、土体抗剪强度降低，进一步加剧了路基变形。

调查中未发现锥坡及台后路基边坡两侧有明显向桥梁方向滑移现象，路基两侧边沟完好未开裂，但路侧边坡拱形骨架内填土有明显下沉现象，且前期设计勘察中台后地勘钻孔时未发现明显滑移面，据此基本排除台后土体沿原地面滑移推动桥台变形的情况。

4.1 高压旋喷桩的特点

高压旋喷桩通过射流作用强制改变原地面结构达到加固地层，固结质量高，适用范围广，对施工场地要求低，无须对地面进行开挖，施工简便，耐久性好，材料来源广泛、价格低廉，注浆材料主要采用水泥，无毒无害，施工设备震动小、噪声低，与传统的静力压浆工艺相比，优势明显、效果显著，符合现代工程建设和环境保护的要求[2]。

4.2 方案选择

针对本工程桥台台后沉降，拟采用高压旋喷桩进行加固处治，加固深度应深入稳固土层不小于2m，高压旋喷桩在加固土体过程中主要起到对土体改性的作用。高压旋喷桩形成过程中，桩体附近的岩土受压，浆液黏结松散的岩土形成一个整体，同时因旋喷桩的存在，使得桩间未加固土体在荷载作用下也由原来的无侧限受压状态转变为有一定边界条件的应力状态，挤密了土体，从而提高了桩间土的强度，使土体强度参数变大、渗透系数变小，故填土稳定性得到增强。

高压旋喷桩布桩形式为孔间距1.5m 的梅花形布置；
采用水灰比为 1∶1(重量比)的水泥浆液，成桩直径不小于50cm；
旋喷桩采用单重管法施工，浆液喷射压力为20～40MPa，旋喷速度20r/min，提升速度0.2～0.25m/min，喷嘴直径2～3mm，浆液流量60～70L/min。

由于路基采用旋喷桩加固处治，对原有路基扰动较大，施工过程中及施工完毕后存在工后沉降情况，根据地质勘察结果及《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JTG/T D31-02-2013)规定，对本项目路基加固后沉降情况进行预估，经计算，工后沉降约为 5.0cm，满足规范“桥台与路堤相邻处允许工后沉降≤10cm”的要求[3]。

5.1 工艺流程

高压旋喷桩施工工艺流程见图1所示。

图1 高压旋喷桩施工工艺流程

5.2 施工工序

5.2.1 场地准备

首先对桥台基础需要加固的部位进行场地整理，做好周边围挡，防止施工垃圾和浆液流失污染周围环境，并做好周边排水设施，做好桥台锥坡外临时沉浆池的设置。

5.2.2 孔位放样

按照施工图纸位置和要求，确定桩号的位置，在桩位上用白灰做好标记，并标记好桩长。

5.2.3 钻机就位

钻机就位过程中，操作人员小范围移动钻机，校核钻机的位置，保证钻杆钻头与桩位的偏差小于50mm。钻机定位后，用尺子和定位测锤进行校准，保证钻杆的垂直度在1%之内。

5.2.4 钻孔插管

按照设计图纸做好准备工作后，开机前再次检查设备的各项工作参数，待满足设计要求后，按照施工工艺开始匀速钻孔，中途做好钻杆的接长工作，为防止堵管，插管时要边射水边插管，水压力为0.5MPa左右，直至达到设计标高，然后匀速旋转、提升喷射管，自下而上旋转喷射注浆[4]。

5.2.5 浆液配制

浆液的水泥应采用标号不小于PO 42.5的普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比一般控制在1︰1左右，密度不小于1.53g/cm3。按照“先清水，后水泥” 的原料投放顺序制作水泥浆，为保证水泥浆液均匀，每次水泥浆液搅拌时间应≥2min，水泥浆液转入储料罐前，保持匀速不停地搅拌，使用时过滤筛，筛除夹杂的杂质或块状物，防止堵管，影响施工质量[5]。

5.2.6 喷射注浆

喷射设备到达现场后，检查加压设备和各种管线，保证满足施工要求。施工过程中，按规范要求和设计规定提前设置好各种参数，现场技术员应注意设备压力、转速、流量等参数，按30min观察记录一次，出现异常时，及时查明原因并采取补救措施。

喷射时，控制好压力，待达到规定压力后喷浆旋转1～3min，使浆液和土体充分搅拌，之后缓缓提升钻杆，同时反向旋转，使压力为 20～40MPa，旋喷速度 20r/min，提升速度 0.2～0.25m/min，待喷射至距离桩顶1m时，为保证桩顶密实均匀，应放慢旋喷速度，旋喷30s后再向上缓慢提升0.5m，必要时进行桩顶复喷[6-7]。

5.2.7 冲洗移位

待完成一根桩后，移至下一桩位，待全部桩完成后，将水泥浆液换成水进行喷射，清洗机械设备和管道，防止浆液在设备、管道中凝固。

5.2.8 技术优势

高压旋喷桩对处理桥台沉降具有较好的应用效果，但是该技术在不同地质条件下适用的工艺参数有所差别，如参数控制不当，施工过程中返浆现象严重，造成材料浪费，对环境也会造成污染。

针对以上不足，重点在施工前进行试桩试验，根据软土地质特点，对工艺参数进行优化，得出浆液配比1∶1，压力20MPa，旋喷速度20r/min，并以0.2～0.25m/min的速度匀速缓慢提升管道，可以使返浆现象控制在有效范围内。同时现场设置沉淀池，防止浆液漫流，最后将沉淀后的水泥浆回收搅拌，作为台后回填材料，杜绝浪费，且保护周边环境。

5.3 注意事项

(1)成桩过程中，为保证桩与桩之间能够咬合，可以使用“打一跳一”的方法。

(2)正式施工前，应做至少3根试验桩，验证施工工艺，确保各项工艺参数满足要求后，方可施工。

(3)喷射施工过程中，注意孔内返浆情况，冒浆量控制在注浆量的20%为宜，超过20%或者完成不返浆时，应及时分析原因，解决后再继续施工[8]。

(4)施工过程中，及时监测桩机垂直度，避免因沉陷或震动导致桩位倾斜，影响成桩质量。

6.1 多维非线性固结沉降公式理论

同一种土层，假定土体为均匀、连续、各向同性的增量弹性体，土体应力增量与应变增量满足广义虎克定律，土体在多维固结变形情况下的竖向应变与侧限条件下的竖向应变成正比[9]。应用多维非线性固结沉降公式计算桥台地基加固前、后的固结沉降曲线如图2，由图2可知桥台地基加固前最终沉降量为140mm，加固后最终沉降量为50mm，因此桥台地基经高压旋喷桩加固后，复合地基的模量较加固前提高了2.8倍[10]。

图2 固结沉降曲线

6.2 破坏性开挖检测

施工后对成桩进行开挖，其结果表明，桩径基本都超过500mm，最大超过700mm，满足设计要求，达到了预期的效果。

京昆高速侯禹段新209国道大桥采用高压旋喷桩施工工艺，彻底根治了桥台基础沉降的问题。该方法具有处治效果显著、施工便捷、噪声小、对周边干扰小等特点，在高速公路桥台基础沉降病害处治中达到了预期的效果。对于地质特性较差、容易沉陷地段的处治方案比选时，应优先考虑高压旋喷桩，该工艺具有较高的竞争优势和推广价值。