摘要：运用水泥土双向搅拌桩来加固软土地基，能够有效控制地基沉降，提高地基承载力，且施工简单，因此现被广泛应用于铁路软基加固中。首先简要阐述双向搅拌喷粉桩的技术原理，在南沙港铁路段的软基处理中应用该技术，分析应用中的施工工艺、工艺流程、施工工作准备，为了提高处理效果，满足工程设计要求，提出了关键工序质量控制措施，并分析了取芯及无侧限抗压强度检测结果以及静载检验结果。最后，提出了大面积施工时的控制措施。
关键词：双向搅拌喷粉桩；原理；施工工艺；质量控制
1 双向搅拌粉喷桩技术概述
1.1 技术原理
双向搅拌粉喷桩钻头如图1所示，常规喷粉桩只有一根常规单向搅拌轴，而双向搅拌粉喷桩具有内、外双向搅拌轴，内钻杆钻头在外钻杆钻头之下，通过在内钻杆钻头上安装二层反向旋转搅拌叶片，在外钻杆钻头上安装二层正向旋转搅拌叶片，内钻杆钻头的二层搅拌叶片范围之内设置喷灰口，这样一来，通过该钻头反向旋转入土后，就会通过喷灰口喷灰。与此同时，由于外钻杆钻头在工作过程中是正向旋转的，因此能够起到压灰和正反向同时搅拌的作用，可以避免水泥粉的上冒过程，以便控制其用量，还可以确保水泥粉能够在桩体中做到均匀分布。与常规单向喷粉桩相比，双向搅拌粉喷桩技术通过正、反向旋转搅拌，能够保证更为充分的搅拌。
图2 双向搅拌粉喷桩钻头示意图
1.2施工工艺
本工程中，双向搅拌粉喷桩施工采用低压喷射注灰法施工。双向搅拌粉喷喷桩系利用空压机将水泥灰通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，钻杆以一定的速度正反旋转，借助叶片的旋转切隔土层，与土体搅拌混合。下钻到底后，复搅，形成具有一定强度（1.2MPa）的圆柱固结体（即粉喷桩），从而使地基得到加固。粉喷桩的工作情况见图2的粉喷桩工作示意图：
图3 粉喷桩工作示意图
1.3工艺流程
具体的工艺流程如下：桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→钻进至地面以下0.2m→打开粉体发送器→钻进喷粉至设计深度→关闭粉体发送器停止喷粉→搅拌提钻→成桩结束→下一根桩。
在本次施工过程中，采用的施工工艺流程图如图3所示，具体施工步骤如下：
（1）平整场地及测量定位：根据施工放样平整场地，清理杂物；进行测量放样，定设桩位标桩。
（2）机械按放定位桩点对准就位：以吊线锤校正机架垂直度，每根桩必须校正一次，使垂直度偏差不超过1％。
（3）钻进及送粉
启动钻机，待搅拌钻头接近地面，启动自动记录仪，空压机送气，下沉钻进至地面以下20cm，关闭送气阀门，打开送料阀门，喷送加固粉料至钻头，下钻至设计桩底标高。双向搅拌粉喷桩实际施工桩长应按进入持力层控制。判别是否进入持力层的方法可由钻机钻到最深时的下钻深度和电流表的读数来判定，这两个参数在工艺试桩时确定。储灰罐容量应不小于一根桩的用灰量加50kg，如储量不足时，不得对下一根桩开钻施工。
（4）复搅—提升钻头：提升搅拌，提升速度直至桩顶≤1.0m/min。
（5）移位：在复搅至桩顶后，即可将施工机械移至下一桩位施工。
（6）结束：填写质量记录，检查施工现场交工资料和检测试验报告，整理归档。
图4 施工工艺流程图
2工程概况
工程位于新建南沙港铁路NSGZQ-5标的万顷沙车站范围，具体施工位置为万顷沙站里程范围DK61+044.6～DK63+231.6，站场总长2187m，站场内共设三座涵洞、三座中桥，其余均为路基段，采用塘梗以下填筑普通土后进行软基加固，路基本体填筑高度4m～6m。
2.1 施工要求
在本工程中，具体的施工要求包括：
（1）本标段路基段双向搅拌粉喷桩施工根据地质条件采用内外管双向搅拌处理，桩径50cm，桩间距1.1m，桩长16～18m（桩端嵌入持力层不小于0.5m）。水泥采用PO42.5级及以上普通硅酸盐水泥，用量65kg/m。
（2）双向搅拌粉喷桩按正三角形布置，成桩28天后抽芯试验要求抗压强度不低于1.2MPa。
（3）双向搅拌粉喷桩喷粉下钻速度在1.0-1.2m/min，提升速度0.8-1.0m/min，钻杆旋转速度30-55r/min。喷粉压力0.65MPa-0.8MPa。
2.2施工前期工作准备
（1）测量放样准备
测量前先按照施工范围、布桩形式绘制布桩图，采用GPS全球实时定位技术以纵向每25m为区域单元进行坡脚边桩及中部桩位放样，保证在一个正方形区域内采用钢尺放样其余桩位。
（2）施工参数控制
为进一步验证工艺性试桩总结的施工参数的可行性、适用性，继续采用前期试桩总结的工艺参数进行试验段施工，工艺参数如表1所示。
表1 施工参数表
（3）原材料准备
选用的水泥为华润水泥（封开）有限公司供应的PO42.5普通硅酸盐水泥，合格证、材质单等齐全；均在监理单位见证取样、检测合格后使用。
（4）机械设备准备
选定SXJB-B型智能化双向搅拌粉喷桩机及其他系列装置进行作业，具体配置如表2所示。
表2 智能化双向喷粉桩机施工机械设备
本工程中采用的施工机械设备主要部分包括钻、机粉体发送器以及空气压缩机。
其中，钻机是双向粉喷桩施工的主要机械，具有如下功能：①动力足、扭矩大和符合成桩功率要求，钻头直径不小于双向粉喷桩的直径（50cm）；②具有正、反双向搅拌的功能；③具有匀速提升、均匀搅拌、匀速喷粉等功能；④具有调整垂直度功能。
粉体发送器是定时发送粉体材料的设备，它是粉体喷射搅拌法加固施工机械中的关键设备，其工作原理为：由空气压缩机送来的压缩空气，通过节流阀调节风量大小，压缩空气进入“气水分离器”使压缩空气中气水分离，然后“干风”送到粉体发送器喉管与“转鼓”里输出的粉体混合，成为气粉混合体，进入钻机的旋转龙头，经空心钻杆由钻头喷出，使水泥粉经钻叶与软土拌和。粉体的定量输出，由转鼓转速控制。施工时根据设计要求的掺入比和钻头提升速度及钻机转速，并选定合适的粉体发送量（确定转鼓转速）。每根桩水泥总量喷入多少，由灰量自动记录仪控制。
粉喷桩水泥的喷出，是以空气压缩机作为风源。根据加固工程的地质条件及加固深度，采用的空气压缩机压力为0.65～0.8MPa。
2.3关键工序质量控制措施
（1）严禁在尚未喷粉的情况下进行钻进作业，严格控制钻进速度、提升速度、喷粉量及空气压力，确保成桩质量。要保证喷粉的均匀性，关键是掌握好钻头的提升速度。
（2）控制下钻深度、喷粉高程及停灰面。密切观测钻机垂直度，保证垂直度偏差≤1%。观察并记录下钻深度、电流值，停钻以内钻杆电流值达到40A±5A为控制标准。
（3）当成桩过程中因故停工时，第二次喷粉必须重叠接桩，接桩长度不得小于lm。
（4）随时检查加固料用量、桩长、复搅长度，评定成桩质量。如有不合格桩或异常情况，应及时采取补桩或其他处理措施。
（5）搅拌钻头直径磨耗量不得大于10mm。输灰管须经常检查，不得泄漏及堵塞。
（6）桩体无侧限抗压强度、桩长及桩身均匀性，桩顶高程，处理后的复合地基承载力应符合施工图要求。
（7）喷粉计量：计量采用电子称重法与钻机深度相结合的计量装置，它能在记录上反映深度、相对应每延米的喷粉量、总灰量等。
（8）如发生意外影响桩身质量时，应在水泥终凝前采取补喷措施，补喷重叠长度≥1.0m。补喷无效时须重新打桩，新桩与废桩的间距≥20cm。
2.4质量检验过程
进行钻孔抽芯、无侧限抗压强度及竖向单桩静载试验检验，进一步确定各项指标是否符合设计要求，操作过程如下：
（1）成桩7天后，浅部开挖桩头，深度超过停浆面下 0.5m，目测检查桩身的均匀性，量测成桩直径。
（2）成桩 28 天后，每组选取一根采用双管单动取样器，在桩径 1/4 处，桩长范围内垂直钻孔取芯，观察其完整性、均匀性，拍摄取出芯样照片，取不同深度的 3 个试样作无侧限抗压强度试验。
（3）根据取芯结果，选取成桩完整性好的，在成桩28天后采用平板载荷试验进行单桩或复合地基承载力载荷试验。
检验完成后现场技术人员要及时对相关试验参数、施工参数、机械配备、检测结果等及时做好归纳汇总，及时完成相关签署，及时完成试验报告编写工作，早日形成成果报告。
2.5施工结果记录
（1）现场原始施工记录
现场所有施工参数均通过全自动智能控制柜显示、控制，粉喷桩试桩过程中，现场技术员全程盯控，及时监控和记录钻机下钻深度、提升速度、钻杆旋转速度、水泥喷粉量、喷粉压力、成桩时间等参数指标，保证按拟定的施工参数进行施工。
（2）施工过程电流值变化情况
粉喷桩施工过程中，现场技术员全程盯控，及时监控安装在钻机操纵室内连接内钻杆的电流表（因钻进过程中内钻杆首先接触到持力层，故以内钻杆电流值变化情况为依据判断是否进入持力层），详细记录全过程中电流值变化情况。
经现场观察之后发现，正常在非持力层钻进时电流值稳定在20A-30A之间；当进入持力层时电流值存在明显增大现象，突变为40A以上，而进入持力层后电流变化缓慢，如图4所示；出现进入持力层电流值增大情况后，钻机持续工作10s以上均不见继续下钻现象。
图5 进入持力层后内钻杆电流大幅度变化
2.6取芯及无侧限抗压强度检测结果
对试验段进行抽芯检测，桩号由监理单位随机选取，并经监理、设计单位旁站抽芯，粉喷桩抽芯检测数据如表3所示，双向搅拌桩芯样照片如图5所示。实验结果表明，芯样完整，无侧限抗压强度满足设计要求。
表3 粉喷桩抽芯检测数据一览表
图6 双向搅拌桩芯样照片
图8 芯样断面展示
2.7静载检验结果
由监理单位随机抽取桩号并旁站单桩静载检验，检验桩号DK61+925～950段21-2、19-3、DK61+900～925段2-16，静载结果显示在达到设计最大荷载15.6T时累计沉降分别为9.81mm、4.13mm、7.53mm，满足设计及规范要求。
3大面积施工控制措施
3.1原材料供应
为保证水泥供应量和现场施工连续性，经协商，由华润水泥厂提供两个2000吨的水泥储存罐作为专用中转站，做为粉喷桩用水泥储备库。专用中转站水泥经验收合格后，通过水泥罐车运送到施工现场，储存至指定小型水泥罐供施工所用。专用中转站和施工现场分别同时做好水泥中转过程中的进场、出场、消耗等收发台账，及时进行库存盘点。
3.2智能化全自动机械配置
施工机械选用SXJB-B型双向搅拌粉喷桩机，每台桩机配备自动加送料装置、空气压缩机、高压空气冷干机、储气罐等设备于一体的全自动智能化控制系统。
3.3施工区段划分
结合实际情况，计划沿车站左侧每隔150m设置一组供料后台，每组后台由5个容量30吨的小型水泥罐组成，为周围150m范围粉喷桩施工所用；后台每个水泥罐供应1台桩机。
施工过程中严格按沿线路纵向每100m、横向全断面范围逐个划分施工区域，每个施工区域单独进行桩位布置，单独设施工标示牌（内容包括该区域内桩位布置图、水泥用量、喷粉压力、提升速度、钻进速度、搅拌速度、设计桩长、标高等施工参数信息，区域内每一根桩的参数信息都要明确到位），各施工区域内的盯控技术员、施工人员必须人手一份纸质版相应资料，根据施工情况及时更新标示牌信息，保证不重复、不遗漏桩基。
测量放线时，先将每个施工区域按沿线路纵向每20m、横向全断面范围的形式分割成5个小区域，用全站仪在每个小区域的四周布设稳固的控制桩，再结合控制桩用拉线法布设区域内其他粉喷桩位。控制桩必须用长1.5m的Φ20钢筋制作，插打入坚硬土层中，水泥砂浆保护，区域内施工时不得破坏，若因意外破坏，需重新测量布设；内部其他粉喷桩位需用白灰或竹片做明显标志，施工时不得破坏其他未施工桩位，若因意外破坏，需重新根据控制桩拉线布设。
3.4现场卡控参数
施工参数需要进行严格控制，在大面积施工中，可以将参数控制如下：水泥掺入量：65kg/m，地面以下三米内为75 kg/m；喷粉压力：0.65～0.8Mpa；下钻速度：1.0-1.2m/min（依据钻进地层的阻力调整）；提升速度：0.8-1.0m/min（依据钻进地层的阻力调整）；外钻杆转速：30～55r/min（档位2～3档），内钻杆转速：38r/min。
桩长控制标准：①施工桩长以内钻杆电流值控制为主，设计桩长复核辅助控制。②施工过程中，若未达到设计桩长即出现电流值较大范围变化且持续时间不少于10s，则以电流值控制为主，停止继续下钻施工；若已达到设计桩长仍未出现电流值较大范围变化，则继续下钻至出现电流值较大范围变化且持续时间不少于10s为止。
正常在非持力层钻进时电流值稳定在20±5A，当进入持力层后电流值存在明显增大现象，达到40±5A并发生较大范围浮动；施工过程中，在桩长范围内发生电流值较大范围变化且持续时间不小于10s可认为达到持力层。
3.5特殊情况处理
（1）遇地质变化问题
施工过程中，个别桩基在设计桩长范围即进入持力层时（电流达到40A±5A并发生较大范围浮动，持续时间不小于10s），应通知监理现场见证，特别做好相关施工记录和情况说明，留存好相关影像资料，并联系设计单位分析原因。
（2）因故中间停顿问题
施工过程中因机器故障、断杆、卡钻、送灰管堵塞等意外情况导致个别桩基施工中停顿时，应进行接桩施工。接桩应在已喷水泥终凝前进行，第二次喷粉必须重叠接桩，接桩长度≥1.0m。
为尽量避免人为因素造成中间停顿现象出现，应从塘埂以下回填土施工抓起。严格按照相关质量控制标准把控原材料进场，采用不含有超过10%的硬物、硬物尺寸不大于10cm的普通土进行塘埂以下回填土施工。
4 结束语
在南沙港铁路段的软基处理中应用双向搅拌喷粉桩技术，对其应用具体过程进行详细描述，取芯及无侧限抗压强度检测结果表明无侧限抗压强度满足设计要求，静载检验结果显示达到设计最大荷载时累计沉降满足设计及规范要求，进而提出了大面积施工时的控制措施，希望本研究对双向搅拌喷粉桩技术在铁路工程中的应用有一定参考价值。
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论文作者:王谢军
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/24
标签：钻杆论文; 双向论文; 钻头论文; 电流论文; 水泥论文; 喷粉论文; 钻机论文; 《防护工程》2019年第3期论文;