单向阀管土体注浆加固工法.docx
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单向阀管土体注浆加固工法
单向阀管土体注浆加固工法
铁道部第十三工程局赵鹏威王宁
一、前言
单向阀管注浆加固主要用于软土地基的整体或局部加固,大坝的防渗,以及深基坑在施工过程中出现的地面沉降的加固,基坑渗水的堵漏等工程。
实践证明,在地面以下一定深度的土层加固和跟踪注浆加固中,单向阀管注浆具有施工方便、效果较好的优点,特别是对土体深部的定点、定量注浆,更是其它注浆方法所无法代替的。
二、工法优点
1.可根据需要灌注任何一个灌浆段,还可以重复注浆;
2.可使用较高的注浆压力,灌浆时冒浆和串浆的可能性小;
3.钻孔和灌浆设备分开,有效提高钻孔设备的利用率。
三、适用范围
本工法适用于各种土质情况下的注浆加固,且可确定加固范围。
四、施工工艺
(一)、工艺原理
利用钻机钻孔至需注浆的土体范围,钻孔时作为循环护壁的泥浆起到冷却钻头、提携钻屑保护孔壁的作用,通常采用优质泥浆,接着在钻好的孔内灌注套壳料(封闭泥浆)、插入单向注浆阀管。
在注浆区,单向阀管上每隔33~50cm有一环注浆孔(孔外用橡皮套密封),一环孔即一个注浆段,止浆塞采用双塞系统,而且一套塞子只能包含一环灌浆孔。
当封闭泥浆达到一定强度后,在单向阀管中插入双向密封注浆芯管(输浆钢管),进行分层注浆。
首先,加大压力使浆液顶开橡皮套,浆液在压力的驱使下挤破套壳料,使土体产生劈裂并沿着裂缝扩散,并充满土体的空隙,起到加固的作用。
一般注浆从底部向上进行,达到一定的注浆量或一定的压力后,将注浆钢管提升一定高度继续注浆,这样重复进行。
图1为注浆工艺示意图。
(二)、工艺流程(如图2)
(三)、施工要素的确定
要确定的要素包括注浆孔位的布置、浆液配料及配合比、注浆容许压力、注浆量等。
1、注浆孔位的布置
注浆孔位的布置是根据浆液的注浆有效范围,且应相互重迭,使被加固土体在平面及深度范围连成一个整体的原则决定的。
(1)、扩散半径r确定
理论计算的原理及参数一般不易确定,通常采用经验值或现场灌注法来确定。
(2)、单排孔的布置
如图3所示,L为灌浆孔距,r为浆液扩散半径,则灌浆体的设计
厚度b为:
b=r2–L2/4,
当L=2r时两圆相切,b为0。
如果灌浆体的设计厚度为T,则灌浆孔距为:
L=2r2–T2/4。
按以上式进行计算出现以下几种情况:
a、L接近0时,b值仍不能满足设计厚度的要求,应采用多排灌浆孔;
b、单排孔能满足设计要求,但若钻孔过多、孔距太小,就应进行两排孔的方案比较;
c、从图4可以看出,当L值较大而设计T值较小时,对减少钻孔数是有利的,但因L值越大造成的浆液浪费量也越大,故在设计时,应对钻孔费和浆液费用进行比较,图4的T为设计帷幕厚度,h为弓形高,L为弓长,每个注浆孔的无效面积为:
Sn=2×2/3×L×h
式中h=r–T/2,
若设土的空隙率为n,并且浆液填满整个孔隙,则浆液的浪费量为:
qn=Sn×n=4/3×L×h×n
(3)、多排孔的布置
当单排孔不能满足设计厚度的要求时,就要采用两排以上的多排孔。
多排孔的设计基本原则是,充分发挥灌浆孔的潜力,以获得最大的灌浆体厚度,不同的设计方法,得出的结果也是不同的。
a.排距R大于(r+b/2)。
这种情况两排孔不能紧密搭接,将在灌浆体中留下“窗口”,是不可取的方法,如图5(a)所示;
b.排距R小于(r+b/2),两排孔搭接过多,造成一定的浪费,也不理想,如图5(b)所示;
c.排距R等于(r+b/2),两排孔正好紧密搭接,最大限度地发挥了各灌浆孔的作用,是最优的一种设计,如图6所示。
根据以上分析,可推导出最优排距Rm和最大灌浆量有效厚度Bm的计算式:
1两排孔:
Rm=r+b/2=r+r2–L2/4,
Bm=2r+b=2(r+r2–L2/4);
2三排孔:
Rm同上,
Bm=2r+2b=2(r+2r2–L2/4);
3五排孔:
Rm同上,
Bm=4r+3b=4(r+1.5r2–L2/4)。
综上所述,可得出多排孔的最优排距:
Rm=r+b/2=r+r2–L2/4,
最优厚度:
奇数排Bm=(n-1)[r+b×(n+1)/2(n-1)]
偶数排Bm=n(r+b/2)=n(r+r2-L2/4),
n为灌浆孔排数。
2、灌浆材料及配合比的确定
浆材一般分为粒状浆材和化学浆材,而粒状浆材在工程中较为常用。
通常使用的粒状浆材为纯水泥浆、水泥粘土浆和水泥沙浆,即水泥基浆液。
水泥基浆液以水泥浆为主,在地下水无侵蚀性的条件下,一般都采用普通硅酸盐水泥,水泥浆的水灰比一般在0.6~2.0,通常采用的水灰比为1:
1,为调节水泥浆的性能,有时也可加入速凝剂或缓凝剂等附加剂。
3、注浆量
注浆量一般取决于加固土体的空隙率,将土体的空隙用浆液灌满所用的浆量,就是理论注浆量,其计算式为:
Q=V×n
式中Q—注浆量,
V—需加固土体体积,
n—土体空隙率。
4、容许压力
容许灌浆压力与一系列因素有关,例如地层土的密度、强度和初始应力,钻孔深度、位置及灌浆次序等。
然而,这些因素又难于准确预知,所以理论上确定容许压力比较困难,工程中普遍采用经验值或现场灌浆试验,来确定并调整容许压力大小。
《上海地基处理技术规范》提供砂土中容许压力经验数值是0.2~0.5MPA,粘性土中的经验数值为0.2~0.3MPA。
(四)、施工方法说明
图7为主要施工步骤示意图。
1、施工准备
准备好检验合格的水泥、泥浆、单向阀管、输浆钢管,接通水源、检查钻机、注浆机使其处于正常工作状态。
2、孔位测量放样
根据设计的孔位布置图,现场拉线放样,可以放出主要控制点,也可以将孔位全部放出。
为便于施工,大多采用放出主要控制点,边钻孔边放样的方法。
3、钻机就位
平整土地,局部需夯实的地方要夯实,以保证机身稳定。
将钻机移至放好的点位,调整垂直度。
4、钻孔
预先调查好加固土体的地质情况,根据设计要求定出钻孔孔深、设计注浆土体范围,钻孔孔径一般在80~100mm范围,钻孔的垂直度误差要小于1%。
边钻孔边压护壁泥浆,直至设计深度。
钻孔时要经常检测钻杆的垂直度,每接一根钻杆,用水准尺在水平面的两个垂直方向调整钻杆的垂直度,保证垂直度合格。
钻孔深度一定要达到设计要求,通常实际深度应略大于设计深度(10cm以内),但也不可钻深太多,以免浪费。
钻孔过程中,有时会遇到岩石,出现这种情况要进一步调查土体地质情况,若确实已钻至岩层,可将孔位稍作偏移继续再钻,若只是遇到小面积岩石,则可加入钢砂或换金刚石钻头继续施工。
5、孔内灌套壳料
套壳料(封闭泥浆)用来防止注浆时浆液翻出。
在钻孔将至设计深度前,配制好套壳料。
套壳料基本都采用以粘性土为主,水泥为副的低强度配方,为提高套壳料的脆性,有时还掺入细砂或采用粉粒含量较高的粘性土。
表1提供了我国某些工程中使用过比较有效的配方,所用土料为粉质粘土。
套壳料配方表表1
配方号
材料重量比
套壳料浇注时性能指标
7天龄期抗压强度
(N/cm2)
水泥
土
水
粘度(s)
稳定性
析水率(%)
1
1
1.53
1.94
26
0.007
9
10~20
2
1
1.5
1.88
--
0.035
1
10~20
钻孔达到设计孔深后,先不要提出钻杆,用水泵将套壳料注入钻杆杆芯,套壳料会从钻孔孔底注满全孔,直至从钻孔孔口翻出。
一般控制孔口均匀翻出套壳料,证明灌注成功,可以提出钻杆。
6、插入单向阀管
单向阀管要能承受足够的内压力,为了保险起见,在管子下入钻孔前,需抽样进行耐压试验,以免灌浆时阀管破裂,抽样合格后方可下管。
以设计注浆土体深度为依据,通过计算确定有孔单向阀管的长度,每个注浆孔需下入塑料阀管的总长度,要把带有注浆孔的阀管下置于需加固的土体中。
施工过程中,每下一节阀管都要检查密闭情况,有缝隙的地方用防水胶带粘牢,管子接头处接紧后用胶水粘好。
另外,每一节阀管下完就及时注入清水,克服下管时的浮力。
完全下到位后,地面最好留出20cm左右管头,以便检查孔身垂直度。
7、注浆
注浆加固须遵循逐渐加密的原则,加密次数视当地地质条件以及施工期限等具体情况而定,多采用1~3次注浆加密,注浆一般采用隔孔注浆,相邻两孔不能立即先后注浆(跳孔)。
注浆浆材则由专门工作人员在注浆前配好、配足。
注浆前,配好的浆液放在搅拌机中不停搅拌,保持均匀。
在塑料阀管中装入输浆钢管,安装过程中注意检查钢管是否下到阀管管底。
钢管下到位后,浆材配好就位,就可以注浆了。
注浆过程中,严密控制注浆压力,保持在设计压力范围。
通常要多次提升输浆钢管,才能注完一个孔,定量控制钢管每一次提升的时间及提出长度,例如阀管上每隔33cm有一环注浆孔,则每次在注浆量达到要求时提升钢管约33cm,提升时间根据注浆量及注浆实际情况而定。
正常情况每一孔达到所要求的注浆量,注浆深度、范围达到设计要求时,即可停止注浆。
若要进行多次注浆,还须清水认真洗孔,保证下次注浆顺利进行,一般情况下再次注浆间隔时间约12小时。
注浆过程中,有时会出现冒浆及串浆事故。
冒浆多为密封塞破损造成,出现冒浆须及时更换密封塞。
串浆则多由注浆压力过大或成孔偏斜造成,串浆可采用降压、封堵的办法来解决,用另一套输浆钢管(双塞止浆)插入被串浆孔封堵,注浆完后要及时清洗被封堵的注浆孔,保证该孔以后可以正常注浆。
在施工中,也会遇到有的孔没注浆,却无法下输浆钢管到位,出现这种异常情况,多采用补钻注浆孔的办法来解决。
对于施工过程中注浆效果不太好的孔,一定要及时清洗,确保二次补浆顺利进行。
五、劳动力组织(见表2)
劳动力组织表表2
工种
钻机司机(一台)
钻机助手
(一台)
注浆机司机(一台)
配料员
输浆钢管装配人员(每孔)
人数
1
2~3
1
2
3~4
六、机具设备
1、钻机XY100型、水泵各1台。
2、注浆机、强制搅拌机各1台。
3、单向注浆阀管、注浆钢管(双塞)各两套。
七、质量要求
1、钻孔时,钻杆垂直度、孔位、孔深是质量的控制因素,垂直度误差不能大于1%,孔位、孔深必须满足设计要求。
2、注浆量、压力要严格控制,才能达到预期效果。
3、施工完毕,待灌浆土体硬化后,通过抽芯检验,看注浆土体是否达到设计强度。
八、施工安全
1、施工中,钻机运转时,附近严禁站人。
钻杆装卸时,钻机司机一定要使钻机制动,以免伤及他人。
2、注浆过程中,工作人员要压制输浆钢管,注浆机司机必须严控注浆压力,并且密切注视注浆现场,若发生异常现象,应立即关闭注浆机。
施工时,注浆机司机严禁擅自离职,进行其他活动。
3、由于高压注浆,工作人员要警惕输浆钢管接头及其它薄弱环节破裂,造成水泥浆喷射伤害事故。
九、工程实例
深圳地铁福民站南北端头盾构井,盾构机施工会使土体受到很大反力,
采用单向阀管注浆加固土体。
注浆孔位采用多排布孔,具体分布情况见附图。
注浆材料为纯水泥浆,设计单位提供水灰比为0.5:
1,注浆容许压力为0.6~0.8MPA,套壳料(封闭泥浆)配合比为,水泥:
粉粘土:
水=1:
2:
2。
由于施工工期及地质条件的原因,采用一次注浆。
平均每台钻机每日钻孔4~6个,注浆压机一台(双泵),平均每日注浆(正常情况)20~30孔。
附图一
深圳地铁福民站
南端头井土体注浆加固孔位分布图
单位:
厘米
附图二
深圳地铁福民站
北端头井土体注浆加固孔位分布图
单位:
毫米
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