高压旋喷桩施工工艺

1 工艺概述 1.1工艺概况

高压旋喷桩施工技术是70年代日本首先提出，它是在静压灌浆的基础上，引进水力采煤技术而发展起来的，是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或复合浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗止水的目的。

根据喷射方法的不同，高压旋喷桩可分为单管法、二重管法和三重管法。 单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。

二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。

三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在土中凝固，形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。

本文结合工程实例，主要介绍三重管法高压旋喷桩的施工工艺工法。

1.2工艺特点

（1）水泥浆与原地基软土就地搅拌混合，可最大限度地利用原土。 （2）施工设备简单，振动小，施工速度快，机械化程度高，使用成本低。 （3）桩体固结强度高，单桩承载力较高，软土地基加固效果好。

1.3工艺原理

高压旋喷桩加固地基分两个阶段，第一阶段为成孔阶段，即通过钻机预成孔（或驱动密封良好的喷射管）和带有横向喷嘴的特制喷射头进行成孔，使喷射头达到预定的深度；第二阶段为喷射加固阶段，即采用水泥浆、水、空气以一定的压力，通过喷射管由喷射头上的横向喷嘴向土中喷射，同时钻杆一边旋转一边向上提升。由于高压旋喷射流具有强大的切削能力，因此一边切削四周土体，一边与之搅拌混合，形成圆柱状的水泥与土混合的加固体，即为“旋喷桩”。

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 1.4适用范围

（1）受土层、土的粒度、土的密度、硬化剂粘性、硬化剂硬化时间影响小，可广泛应用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉质粘土（亚粘土）、粉土（亚砂土）、砂土、黄土及人工填土中的素填土甚至碎石土等多种土层。

（2）可作为既有建筑和新建建筑的地基加固、基础防渗之用，也可作为施工中的临时措施（如深基坑侧壁挡土或挡水、防水帷幕等）。

（3）当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性、地下水流速过大和已涌水的地基工程时，宜通过试验确定其适用性。

1.5施工方法

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后，以高压设备使浆液、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。高压浆液的水平射流不断切削土层，并使强制切削下来的土与浆液进行搅拌混合，最后在喷射力有效射程范围内形成一个由混合物组成的圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。高压旋喷桩施工示意如图1所示。

图1 高压旋喷桩施工方法示意图

1.6成桩机理

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

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 下，迫使土粒向着与喷嘴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。三重管旋喷注浆加固示意如图2所示，旋喷桩固结体情况如图3所示。

图2 三重管旋喷注浆加固示意图

渗透部分压缩部分搅拌混合部分硬化剂主体部分

图3 旋喷桩固结体情况图

2 施工工艺流程

高压旋喷桩施工工艺流程如图4所示。

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 准备工作 钻机就位 压缩空气 钻孔至设计深度 旋喷提升 喷射结束 水泥浆制备 钻 机 移 位 高压水 水泥浆 清洗钻具

图4 高压旋喷桩施工工艺流程图

3 施工准备

（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）场地平整。先进行场地平整，清除桩位处地上、地下的一切障碍物，场地低洼处用粘性土料回填夯实，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。

（3）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P.O42.5普通硅酸盐水泥。水要干净，酸碱度适中，pH值在5～10之间。

水泥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。 1）体积法：

πD0πDe2QK1h1(1)K2h2

4422）喷量法：

QHq(1) V式中：Q——需要的喷浆量（m3）；

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 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/min）。

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。

（4）室内配合比试验。根据现场土样情况，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。一般水灰比取1.0，可在0.8～1.5范围内调整。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。

（5）工艺试桩。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，确定旋喷提升速度、喷入压力、停浆面等施工工艺参数。

（6）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。

4 施工工艺步骤及说明 4.1钻机就位

移动旋喷桩机至指定桩位，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。

4.2制备水泥浆

桩机移位时，即开始按试验确定的施工配合比拌制水泥浆。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

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 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。

4.3钻进成孔

（1）钻机施工前，应首先在地面进行试喷，设备运转正常后开始钻进。钻孔口径应大于喷射管外径20～50mm，以保证喷射时正常返浆、冒浆。

（2）每钻进5m用水平尺测量机身水平和立轴垂直1次，发现倾斜及时纠正，保证钻孔垂直。

（3）钻孔过程中应记录好钻进速度、钻杆节数及长度等参数，保证成孔深度满足设计要求。

（4）钻进过程中随时注意地层变化，详细记录孔深、塌孔、漏浆等情况。 （5）终孔深度应大于开喷深度0.5～1.0m，以满足少量岩粉沉淀和喷嘴前端距离。 （6）孔深达到设计深度后，进行孔内测斜，孔深小于30m时，孔斜率不大于0.5%。

4.4旋喷提升注浆

喷浆管下沉到达设计深度后，启动高压水射流泵、注浆泵和空压机开始进行旋喷作业，在桩底停浆约半分钟后按100～250mm/min的速度徐徐提升钻杆，并用仪表控制压力、流量和风量，借喷射旋转提升的协调作用，将水泥浆和原土中的粗颗粒及新的冲切体旋转成一体，固化后成桩。注浆管分段提升的搭接长度应大于100mm。在注浆过程中，施工人员必须认真检查水泥浆的水灰比和流量、高压泵压力和钻杆的提升速度及回转速度等施工参数，并及时作好现场施工记录。

4.5桩头处理及停止喷浆

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，关闭高压泥浆泵、清水泵、空压机，停止水泥浆、水、风的输送，将旋喷浆管旋转提升出地面，关闭钻机。

4.6补浆

喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，要及时用水灰比为1.0的水泥浆补灌。

4.7清洗

向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至基

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 本干净。并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。

4.8移位

移动桩机进行下一根桩的施工。

5 质量要求

5.1质量标准及检验方法

旋喷桩施工质量标准应满足表1要求。

表1 高压旋喷桩施工质量标准及检验方法

序号 1 2 3 4 5 6 项 目 桩体位置（纵横方向） 桩体垂直度 桩体有效直径 桩体无侧限抗压强度 复合地基承载力 渗透系数 允许偏差 50mm 0.5% ±50mm 不小于设计规定 不小于设计规定 不小于设计规定 抽检2%，但不少于1处 按设计要求数量 抽检2%，但不少 于2根 检查数量 检查方法及说明 用经纬仪检查（或钢尺丈量） 用经纬仪检查喷浆管 开挖0.5～1m深后尺量 钻芯取样，做无侧限抗压强度试验 平板荷载试验 加固体内或围井钻孔注（压）水试验 注：钻芯取样做桩体无侧限抗压强度试验、复合地基平板荷载试验和渗透系数试验应在成桩28天后进行，若设计有其他要求，按设计要求的时间进行检查。

5.2质量控制要点

（1）正式开工前应认真作好试桩工作，确定合理的施工技术参数和浆液配比。 （2）旋喷过程中，冒浆量小于注浆量的20%为正常现象，若超过20%或完全不冒浆时，应查明原因，调整旋喷参数或改变喷嘴直径。

（3）钻杆旋转和提升必须连续不中断，拆卸接长钻杆或继续旋喷时要保持钻杆有10～20cm的搭接长度，避免出现断桩。

（4）在旋喷过程中，如因机械出现故障中断旋喷，应重新钻至桩底设计标高后，重新旋喷。

（5）制作浆液时，水灰比要按设计严格控制，不得随意改变。在旋喷过程中，应防止泥浆沉淀，浓度降低。不得使用受潮或过期的水泥。浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时，应有筛网进行过滤，过滤筛孔要小于喷嘴直径1/2为宜。

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 （6）在旋喷过程中，若遇到孤石或大漂石，桩可适当移动位置（根据受力情况，必要时可加桩），避免畸形桩或断桩。

（7）旋喷过程中，应按表2的要求作好施工记录。

表2 旋喷注浆记录表

工程名称 高压泵型号 注浆管直径 设计提升速度 浆液配比 注浆孔编号 旋喷深度（m） 空压机型号 喷嘴孔径 设计旋转速度 实际旋喷时间 旋转有效（时分） 速度长度（r/开始 结束 （m） s） 提升速度（m/s） 旋喷压力（MPa） 钻孔机具 水泵型号 喷嘴个数 设计注浆量 水泥标号 注浆量（m3） 冒浆供水量及压力残液（MP状态 a） 供风压力（MPa） 旋喷日期 现场负责人： 记录人：

6 主要施工机械设备

主要施工机械设备见表3。

表3 主要施工机械设备表

序号 1 2 3 4 5 6 7 设备名称 工程地质钻机 泥浆泵 高压水泵 空气压缩机 泥浆搅拌罐 注浆管 高压胶管 规格 可钻深度大于设计 7MPa 20MPa～50MPa 0.8MPa，3m/min 200L/min 3单位 台 台 台 台 台 套 套 数量 1 1 1 1 1 1 1 备注 7 劳动力组织

单机作业每班人员组织分工见表4。

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 表4 单机作业每班人员组织分工表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 工种 班长 钻机司机 泵工 空压机司机 电工 钳工 普工 普工 技术人员 合计 人数 1 1 1 1 1 1 2 2 1 11 职责分工 全面掌握施工进度、质量和安全 操作钻机，卸接钻杆，维修保养和排除故障 操作泥浆泵、清水泵及维修保养 操作空压机及维修保养 负责钻机、电源、电路、工地照明及电气故障排除 全面维修保养机具设备 倒运水泥，操作泥浆搅拌罐及倒灰和过滤 协助钻机工作（卸接钻杆、冲洗等） 掌握施工技术、质量，填写工程日志和记录 8 安全环保措施 8.1安全措施

（1）高压泥浆泵、空压机、高压清水泵必须指定专人操作，压力表应定期检修检定，以保证正常工作。

（2）钻机操作人员应具有熟练操作技能。

（3）施工前应检查高压设备和管路系统，其压力和流量（风量）需满足设计要求，应检查管道的耐久性以及管道连接是否可靠，泵体、注浆管及喷嘴内不得有任何杂物，各类密封圈必须良好，无渗漏现象，否则接头断开、软管破裂，将会导致浆液、高压水流飞散、软管甩出等安全事故。安全阀中的安全销要进行试压检验（试压检验到当地压力容器检验所检验），必须确保在达到规定压力时能断销卸压，绝不能轻易安装未经试压检验的自制安全销。

（4）喷射浆自喷嘴喷出时，具有很高的能量，因此人体与喷嘴之间的距离不应小于60cm。

（5）喷射注浆的浆液目前一般以水泥浆为主，但有时也加入其他化学填加剂，一般说浆液硬化后对人畜均无害，但硬化前的液体进到眼睛里时，必须立即进行充分清洗，并及时到医院治疗。

（6）吊、放喷射管路时，严禁管下站人。不得将电缆浸泡在水和泥浆中，防止漏电伤人。

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中铁五局郑州地铁4号线工程土建施工09标 高压旋喷桩施工工艺 8.2环境保护

（1）水泥、石灰细颗粒散体材料，应遮盖存放；运输时必须封闭覆盖，不得沿途撒落。

（2）制定洒水防尘措施，指定专人负责现场洒水降尘。 （3）采取有效降噪措施。

（4）不得随意排放废弃的水泥浆液。

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