二种先进的高压喷射注浆工艺.docx

二种先进的高压喷射注浆工艺张帆(上海隧道地基注浆工程有限公司，上海 200333)摘 要：介绍已引进和准备引进的二种日本高压喷射注浆工艺，和已引进的 MJS 工法在上海的应用情况。考察这二种先进高压喷射注浆工艺的工艺原理、技术参数和施工设备，并与国内常用高压喷射注浆工艺比较。这二种先进工艺在 传统工艺基础上做的改进，从不同角度提高了高压喷射注浆工艺的施工能力，拓宽了其应用范围，能更好地满足工程 建设的需要，研究此二种工艺可为今后的工程建设提供参考和借鉴。关键词：高压喷射注浆；MJS 工法；RJP 工法中图分类号：TU75文献标识码：A文章编号：10004548(2010)S2040604作者简介：张帆(1972 )，男，福建霞浦人，高级工程师，主要从事地基处理、防水堵漏施工。E-mail:。Two advanced jet grout methodsZHANG Fan(Shanghai Tunnelling Foundation Grouting Engineering Co. Ltd., Shanghai 200333, China)Abstract: Two advanced jet grout methods from Japan, applied or will be applied in China, and the application of MJS method in Shanghai are discussed here and we study the principle, technical parameters, and the devices of the two advanced jet grout methods. Compared with common methods used in China, ameliorates of the two advanced jet grout methods enhance the ability of jet grout and border their applied range. The research on these two jet grout methods can be useful for future use.Key words: jet grout; MJS method; RJP method0引言射流能量；c）钻杆提升速度、旋转速度偏快，喷射流对土体 的作用时间少。表 1 国内常用高压喷射注浆工艺基本数据Table 1 Data of the methods of jet grout in common use in China高压喷射注浆法，又称旋喷法，是通过高压喷射流来切割土体，并使水泥浆液与土搅拌混合，形成水 泥土加固体的施工方法。高压喷射注浆法是 20 世纪70 年代初期最先由日本开发的地基处理技术，我国自20 世纪 70 年代末开始应用。 高压喷射注浆法相比其他地基处理方法具有独特的优势，包括桩身质量稳定、抗渗性能好、可以穿越 地下障碍物施工、可以与既有地下结构连接形成封闭 等，因此该技术在工程建设，特别是地下工程建设中 得到广泛的应用。目前国内常用的高压喷射注浆工艺包括单管法、 二重管法、三重管法、双高压法等。表 1 为这些工艺 的基本数据1。目前在高压喷射注浆法应用中存在的问题包括：（1）桩径普遍偏小，主要原因在于：a）国产高压泥浆泵、高压水泵的能力不足，喷射 流能量小；b）习惯采用 2 个小喷嘴进行喷射，进一步分散喷 参数 单管法 二重管法 三重管法 双高压法 浆液、水、同轴 水、同轴空气浆液喷射 同轴空气 空气喷射；喷射；浆液、同喷射方法喷射15306070500700516720浆液注入204060800.5380150500700516520轴空气喷射3040708025306070500700516510水压力/MPa水流量/(Lmin-1)1530607016201525浆压力/MPa 浆流量/(Lmin-1) 空气压力/kPa 旋转速度/rpm 提升速度/(cmmin-1) 桩径/cm 3060 60150 80200 120230 （2）由于国产高压泥浆泵的能力不足，有时存在桩径和桩身质量不能兼得的问题。例如单管法和二重 管法桩身质量好，强度，特别是早期强度高，但桩径收稿日期：20100418增刊 2张 帆. 二种先进的高压喷射注浆工艺407较小；而三重管法、双高压法桩径较大，但由于采用了高压水喷射流，其对加固土的稀释作用明显，桩身 质量较差，同时还存在对邻近未凝固加固体扰动的风 险，在跳孔施工方面要求严格。（3）施工对周边环境扰动大，在邻近建筑物或地 下管线施工是需要采取较为复杂的保护措施，有时甚 至无法施工。为适应日益复杂的工程建设环境和不断提高的工 程建设要求，上海隧道工程股份有限公司从日本引进 了 MJS 工法，并准备在此基础上引进 RJP 系列工法， 这两种工法可以从不同角度提高高压喷射注浆的施工 能力。水土层、需进行孔口密封的情况下进行水平施工变得安全可行。（2）桩径大，桩身质量好喷射流初始压力达 40 MPa ，流量约 90 130L/min，使用单喷嘴喷射，每米喷射时间 3040 min（平均提升速度 2.53.3 cm/min），喷射流能量大， 作用时间长，再加上稳定的同轴高压空气的保护和对 地内压力的调整，使得 MJS 工法成桩直径较大，可达22.8 m（砂土 N70，黏土 C50）。由于直接采用水 泥浆液进行喷射，其桩身质量较好。（3）对周边环境影响小，超深施工有保证 传统高压喷射注浆工艺产生的多余泥浆是通过土体与钻杆的间隙，在地面孔口处自然排出。这样的排 浆方式往往造成地层内压力偏大，导致周围地层产生 较大变形、地表隆起。同时在加固深处的排泥比较困 难，造成钻杆和高压喷射枪四周的压力增大，往往导 致喷射效率降低，影响加固效果及可靠性。MJS 工法 通过地内压力监测和强制排浆的手段，对地内压力进 行调控，可以大幅度减少施工对周边环境的扰动，并 保证超深施工的效果。（4）泥浆污染少MJS 工法采用专用排泥管进行排浆，有利于泥浆 集中管理，施工场地干净。同时对地内压力的调控， 也减少了泥浆“窜”入土壤、水体或地下管道的现象。1.3 施工设备MJS 工法的主要施工设备包括专用钻机、高压泥 浆泵、排泥和钻孔用高压泥浆泵、螺杆空压机、多孔 钻杆和前端造成装置（monitor）、施工管理装置、自 动拌浆系统以及吊车、水箱、排浆泵、泥浆处理装置 等辅助设备。（1）MJS 专用钻机MJS 工法专用钻机分为水平施工钻机、垂直与水 平施工钻机和多用途钻机（可水平、垂直、倾斜多方 位施工），国内目前引进的是垂直与水平施工钻机 MJS-40VH 和多用途钻机 FHV-65。MJS 工法专用钻机具有以下优点：a）对施工场地净空高度要求低，最低施工高度MJS-40VH 为 3.5 m，FHV-65 为 4.1 m。b）具有一定的扭矩和给压力，在一般土层和施工 深度下可自行成孔。c）可方便地设置并显示提升步距、提升间隔时间、 转动速度、转动角度范围等施工参数，自动化程度高。（2）高压泥浆泵MJS 工法采用的高压泥浆泵具有额定压力高（40MPa）、流量大（120180 l/min）、稳定性好等优点， 并且采用变频控制方式，启动电流小，可远程线控，1MJS 工法MJS 工法（Metro Jet System）又称全方位高压喷射工法，最初是为了解决水平旋喷施工中的排浆和环境影响问题而开发出来的，之后由于其独特优势和工 程需要，又应用到倾斜和垂直施工上。1.1工艺原理MJS 工法在传统高压喷射注浆工艺的基础上，采 用了独特的多孔管和前端造成装置（习惯称之为 Monitor），实现了孔内强制排浆和地内压力监测，并 通过调整强制排浆量来控制地内压力，大幅度减少对 环境的影响，而地内压力的降低也进一步保证了成桩 直径（见图 1）。压力记录仪泥浆处理0.7MPa 压缩空气40MPa 高压水泥浆加固体图1 MJS 工法工艺原理图Fig.1 Principle of MJS method1.2工艺特点（1）可以“全方位”进行高压喷射注浆施工MJS 工法可以进行水平、倾斜、垂直各方向、任 意角度的施工。特别是其特有的排浆方式，使得在富泥浆箱多孔管排泥管 排泥口压力监测岩土工程 学 报2010 年408可无级调节电机转速。（3）多孔钻杆和前端造成装置（见图 2） 地内压力监控和强制排泥技术的实现，主要是依靠多孔钻杆和前端造成装置（Monitor）。 由于技术复杂，需要在钻杆内设置多根管路，包括喷射用高压浆管和压缩空气管、排泥用高压水管和 辅助压缩空气管、排泥管、调节排浆口的油路管、数 据线管、钻孔用切削水管等。的施工，施工地点均在上海，成桩均为垂直方向。在工程试验和实际施工中，我们摸索出一些 MJS工法施工的经验和规律：（1）在一般土层成桩直径设计值 2.4 m，浅层开 挖暴露（9 m）直径可达 2.63.0 m。（2）桩身质量均匀，在软黏土层加固体无侧限抗 压强度可达 1.5 MPa 以上，粉土、砂土层强度更高。 具有早强特性，曾在施工完约 40 h 后钻孔取芯得到强 度高于原状土的较完整芯样。（3）在正常施工情况下，地面垂直位移可控制在10 mm 以内，变形趋势一般为先抬后沉，最终变形往 往表现为沉降。土体水平位移可控制在 20 mm 以内， 变形趋势为先外后内，最终变形方向一般表现为向外。 相对地面垂直位移来说，土体水平位移显得较为敏感。（4）施工时孔隙水压力变化比较敏感，在施工后 则快速恢复。（5）在地内压力超限的情况下位移和孔隙水压力 明显增加，证明了控制地内压力减少位移的正确性。1.5 工程实例上海轨道交通 11 号线江苏路车站北端头井盾构 进洞土体加固原施工方案为三轴搅拌桩结合三重管旋 喷桩补缝，由于车站施工需要道路翻交，洞口土体加 固分东、西侧 2 次进行（见图 4）。在施工西侧土体加 固时，由于施工场地狭小，场地内存在埋深 6 m 的直 径 2.4 m 废弃污水管道和直径 300 mm 的中压煤气管， 三轴搅拌桩施工困难；并且需要尽快恢复道路，而车 站基坑土方开挖尚未完成，维持原方案必将对工期造 成很大影响。为克服以上困难，决定采用 MJS 工法对 端头井进行土体加固，在加固的同时，基坑同步开挖 (开挖深度约 25 m，地下连续墙厚度 1.2 m)。图 2 多孔钻杆剖面示意图Fig. 2 Sketch of the rod of MJS method前端造成装置则高度集成了喷射系统（包括高压 管路、喷嘴和单向保护阀门等）、地内压力感应器、排 浆系统（包括排浆用高压水管路和喷嘴、闸门、液压 调节装置、闸门开启尺寸感应器等）、钻孔系统（包括 钻头、切削水管路和喷嘴等）及感应器数据传输线等（见图 3）。图 3 前端造成装置示意图Fig. 3 Sketch of the monitor of MJS method（4）施工管理装置MJS 工法配备了先进的施工管理装置，包括水泥 浆与排泥用水的流量仪和压力表、压缩空气流量压力 记录仪、地内压力记录仪、排浆闸门开启尺寸记录仪、 排浆用水控制盘、排浆闸门控制设备以及可以集中显 示和记录各项数据的记录仪器等。施工管理装置让施 工技术人员可以方便地了解各项实时施工参数，及时 调整排浆量和调控地内压力。1.4应用情况上海隧道工程股份有限公司以徐家汇地下商城向 下加层工程为背景，于 2008 年 7 月引进 MJS 工法， 在近 2 a 的时间里成功地进行了工程试验和 14 个工程图 4 江苏路车站北端头井西侧盾构进洞口土体加固平面图Fig. 4 Plan of ground improvementMJS 工法桩设计直径 2.2 m，桩距 1.7 m，排距 1.3 m，采用梅花形布桩。加固深度范围-11.3-25 m， 加固地层为号土和号土。MJS 工法施工参数见表增刊 2张 帆. 二种先进的高压喷射注浆工艺4092。其用水量远远小于水泥浆用量，其桩身质量要优于目前国内市场常用的三重管和双高压施工工艺。根据日 本资料介绍，RJP 工法的无侧限抗压强度 qu 的标准设 计值在砂土地层为 3 MPa，在黏性土地层为 1 MPa。 表3 RJP 系列工法喷射流参数Table 3 Parameters of RJP method由于施工场地狭小，且同步进行基坑开挖施工，洞口加固施工工期长达近 3 个月，施工完毕时基坑已 开挖完毕并完成了部分结构制作。在施工期间对地内压力进行严格控制，周边土体 位移、地下连续墙变形和管线的沉降监测均小于规范 要求的警戒值。在 MJS 工法施工的同时进行深基坑的 开挖，开挖至 25 m，地下连续墙最大变形仅 1.84 cm， 与未受洞口加固施工影响区域的变形无明显差别。表2 MJS 工法施工参数表Table 2 Parameters of MJS method工法RJPSRJPDRJP吐出压力/MPa高压水高压水泥浆高压水高压水泥浆2040501000.7372040501901.0537204050300(双喷嘴)1.0537吐出流量/(Lmin-1)压缩空气压力/MPa流量/(m3min )-1项目单位数值浆液喷射压力浆液流量空气压力空气流量钻杆转速钻杆提升速度MPaLmin-140900.60.712440(全圆)MPa Nm3min-1 rpmMinm-1 成桩直径预估 m 2.2 施工完毕 28 d 后对加固区进行了取芯检验，桩身强度超过 2 MPa。盾构进洞施工顺利，通过对洞口暴 露区域的观察和盾构推进情况，反映出桩身均匀、强 度高。该工程的成功充分说明了 MJS 工法是在复杂环 境下进行地基处理的优秀施工工艺。2RJP 系列工法MJS 工法的缺点主要表现在施工工艺复杂，施工图5 RJP 工法工艺原理图Fig. 5 Principle of RJP method2.4施工设备RJP 系列工法由于工艺相对简单，其钻杆和前端 造成装置采用较为简单的、与传统三重管和双高压工 艺类似的形式。其他钻机、高压泥浆泵等设备与 MJS 工法相同。效率较低，施工成本高等，这些缺点决定了 MJS 工法更适用于环境复杂、变形要求严格的工程。 为了满足大多数工程在施工效率、成桩直径等方面的需求，我们准备在引进 MJS 工法的基础上