#高压旋喷桩施工工艺及要点讲解,超全!#

高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后,以高压设备使浆液或水、(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,将浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后,在土中形成一个圆柱状固结体(即旋喷桩),以达到加固地基或止水防渗的目的。

根据喷射方法的不同,喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。

1单管法:单层喷射管,仅喷射水泥浆。

2二重管法: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。

3三重管法: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。

喷射注浆法的加固半径和许多因素有关,其中包括喷射压力P、提升速度S、被加固土的抗剪强度τ、喷咀直径d和浆液稠度B。加固范围与喷射压力P、喷咀直径d成正比,与提升速度S、土的抗剪强度τ和浆液稠度B成反比。加固体强度与单位加固体中的水泥掺入量和土质有关。
单管、二重管、三重管旋喷桩机注浆施工示意参见下图

成桩机理

高压喷射注浆的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,在喷射压力下,迫使土粒向着与喷咀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。

操作要点

1.施工前准备工作
(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)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425号普通硅酸盐水泥。水要干净,酸碱度适中,pH值在5~10之间。
(3)根据补充勘探资料,在选择的试验工点加固范围内的各代表性地层用薄壁取土器采取必需数量的原状土送试验室,对取得的土样在进行试验之前应妥善保存,使土样的物理和化学性能尽可能保持不变。
(4)室内配合比试验。根据设计要求的喷浆量或现场土样的情况,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。一般水灰比可取1.0~1.5。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。若试验之前土样的含水量发生了变化,应调整为天然含水量。
(5)试桩试验。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,调整加固料的喷浆量,确定搅拌桩搅拌机提升速度、搅拌轴回转速度、喷入压力、停浆面等施工工艺参数。
(6)推土机、挖掘机配合自卸汽车清除地表0.3m厚的种植土,杂物,并将原地面按设计要求整平,填出路拱。根据施工现场实际情况,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。
(7)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。

2.施工工艺
(1)钻机定位。移动旋喷桩机到指定桩位,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。
(2)制备水泥浆。桩机移位时,即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。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。
(3)钻孔(三重管法)。当采用地质钻机钻孔时,钻头在预定桩位钻孔至设计标高(预钻孔孔径为15cm)。
(4)插管(单重管法、二重管法)。当采用旋喷注浆管进行钻孔作业时,钻孔和插管二道工序可合而为一。当第一阶段贯入土中时,可借助喷射管本身的喷射或振动贯入。其过程为:启动钻机,同时开启高压泥浆泵低压输送水泥浆液,使钻杆沿导向架振动、射流成孔下沉;直到桩底设计标高,观察工作电流不应大于额定值。三重管法钻机钻孔后,拔出钻杆,再插入旋喷管。在插管过程中,为防止泥砂堵塞喷嘴,可用较小压力(0.5~1.0MPa)边下管边射水。
(5)提升喷浆管、搅拌。喷浆管下沉到达设计深度后,停止钻进,旋转不停,高压泥浆泵压力增到施工设计值(20~40MPa),坐底喷浆30s后,边喷浆,边旋转,同时严格按照设计和
试桩确定的提升速度提升钻杆。若为二重管法或三重管法施工,在达到设计深度后,接通高压水管、空压管,开动高压清水泵、泥浆泵、空压机和钻机进行旋转,并用仪表控制压力、流量和风量,分别达到预定数值时开始提升,继续旋喷和提升,直至达到预期的加固高度后停止。
(6)桩头部分处理。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。
(7)若遇砾石地层,为保证桩径,可重复喷浆、搅拌:按上述4~6步骤重复喷浆、搅拌,直至喷浆管提升至停浆面,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。
(8)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,直至基本干净。并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。
(9)移位。移动桩机进行下一根桩的施工。
(10)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。

3.推荐的主要施工技术参数
(1)单重管法。浆液压力20~40MPa,浆液比重1.30~1.49,旋喷速度20rmin,提升速度0.2~0.25m/min,喷嘴直径2~3mm,浆液流量80~100L/min(视桩径流量可加大)。
(2)二重管。法浆液压力20~40MPa,压缩空气压力0.7~0.8MPa。
(3)三重管。法浆液压力0.2~0.8MPa,浆液比重1.60~1.80,压缩空气压力0.5~0.8MPa,高压水压力30~50MPa。

4.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。
(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。

5.质量通病的处理
(1)不冒浆或冒浆量少。
通常原因是加固土层粒径过大,孔隙较多,可采取以下措施:
1)加大浆液浓度,可以从1.1加大到1.3左右继续喷射。
2)灌注粘土浆或加细砂、中砂,待孔隙填满后再继续正常喷射。
3)在浆液中掺加骨料。
4)加泥球封闭后继续正常喷射。
5)灌注水泥砂浆后,再将孔内水泥浆置换成粘土浆,待孔隙填满后继续正常喷射。
(2)冒浆量过大。
通常是有效喷射范围与喷浆量不适应有关,可采取以下措施:
1)提高喷射压力。
2)适当缩小喷嘴直径。
3)适当加快提升速度。由于冒浆量中含有地层颗粒和浆液的混合体,目前对冒浆中的水泥的分离回收尚无适宜方法,在施工中多采用过滤、沉淀、回收调整浓度后再利用。
(3)凹穴处理。
1)在喷射灌浆完毕时,即连续或间断地向喷射孔内静压灌注浆液,直至孔内混合液凝固不在下沉。
2)在喷射灌浆完成后,向凝固体与其上部结构之间的空隙进行第二次静压灌浆,浆液的配比应为不收缩且具有膨胀性的材料,如采用水泥∶水∶铝粉的配比为9.8∶6.9∶0.3的浆液。

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。

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加固料。

【“嫦娥”奔月你不知道的背后故事】11月24日4时30分,海南文昌发射场,长征五号遥五火箭托举“嫦娥五号”月球探测器呼啸升空。随后,“嫦娥五号”成功入轨,发射取得成功!

探月三期工程收官之战

我国探月工程分为“绕、落、回”三步走,“嫦娥五号”将执行月球采样返回任务,完成最后一步——回。因此,此次任务意义重大,是我国探月三期工程的收官之作,发射的成功为探月三期工程的圆满完成奠定了重要基础。
这是火箭院第6次执行探月工程任务,此前均由长征三号甲系列火箭完成,先后将“嫦娥一号”“嫦娥二号”“嫦娥三号”“嫦娥五号T1再入返回飞行器”和“嫦娥四号”送入预定轨道,发射成功率100%。
2007年10月24,长征三号甲火箭成功发射“嫦娥一号”,我国成为世界上第5个自主发射月球探测器的国家。
2010年10月1日,长征三号丙火箭成功发射“嫦娥二号”,我国成功突破直接地月转移轨道发射技术。
2013年12月2日,长征三号乙火箭成功发射“嫦娥三号”。此次任务的圆满成功,使我国成为世界上第3个实现月面软着陆和月面巡视探测的国家。
2014年10月24日,长征三号丙火箭成功发射“嫦娥五号T1再入返回飞行器”,为“嫦娥五号”探路。
2018年12月8日,长征三号乙火箭成功发射“嫦娥四号”,执行月球背面软着陆和巡视探测任务。
2020年11月24日,长征五号火箭成功发射“嫦娥五号”,执行月球采样返回任务,完成绕落回三步走的目标。
此次发射的“嫦娥五号”重量更重,约8.2吨,是此前发射的嫦娥四号月球探测器重量的2倍还多,因此要由我国运载能力最大的长征五号火箭来发射,将其送到近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。
嫦娥五号发射任务是长征五号火箭立项研制后较早明确的国家重大工程任务。

历经十年,“大火箭”终于与“嫦娥”携手奔月,举国关注,发射凸显三大看点。
看点一:15选1,最优轨道奔月
“嫦娥五号”与“大火箭”分离后,还要飞行数天才能够到达月球。奔月之旅,路途遥远,“大火箭”为了让“嫦娥”姑娘省点儿力气,可以说贴心至极。
常规任务,一枚火箭有一条轨道就行了。探月工程三期对火箭发射概率和发射窗口提出了更高的要求,为克服台风过境影响、提升故障适应性,设计团队精心优化设计了连续三天、每天连续50分钟的主份和备份多弹道奔月发射方案。
长征五号火箭总体副主任计师刘秉介绍,与近地轨道任务相比,探月任务的轨道设计更加复杂。由于地月距离较远,探测器用于中途修正所需的推进剂有限,而地球和月球的相对位置在不断发生变化,还要考虑火箭与探测器分离后的光照因素,这对轨道设计提出了非常高的要求。为了让“嫦娥五号”更节省推进剂,在研制阶段,火箭开展了精细化的“窄窗口多轨道”关键技术验证攻关,可以在连续3天内,每天有50分钟的窗口,每10分钟一条轨道,共规划15条轨道,每条轨道均可以将探测器准确送入轨道。这样的话,“嫦娥五号”踏上奔月旅程后,可以减少轨道偏差的修正次数,既能节省燃料,也能更快地到达月球。
这项技术,在我国首次火星探测任务,也就是几个月前,长征五号火箭发射“天问一号”时,已经得到成功验证。因此,长征五号火箭托举“嫦娥五号”奔月,虽然要求比较高,但“大火箭”却照样应对自如。

看点二:为了奔月“大火箭”挑战高难度动作
长征五号火箭点火升空后,要飞行2000多秒才能够到达地月转移轨道。为了把“嫦娥五号”精准送达目的地,它要在太空完成一个高难度动作——长时间滑行。
滑行,是指火箭主发动机关机后,火箭靠惯性向前飞行。听上去丝毫不费力气,但实际上,长时间滑行对一枚火箭特别是一枚零下200多度的“冰箭”来说,可是个不小的考验。
刘秉说:“从长征五号火箭二级发动机一次关机到再次点火,中间要间隔最长约935秒。在这一开一关之间,‘大火箭’需要完成箭体姿态调整、真空状态下推进剂沉底、低温发动机二次启动前预冷等工作,动作非常多。另外,滑行时间越长,火箭在空间辐射影响下的环境变化更加复杂,低温推进剂温度和贮箱承受的压力也在不断的变化,设计人员在研制阶段对大火箭长时间滑行适应性开展了深入细致的研究工作。”
为了确保“嫦娥五号”发射万无一失,研制人员从立项之初就将长时间滑行作为一大关键技术加以攻克,并在长征五号火箭首飞以及后来的多次飞行中得到了成功验证。

看点三:“座椅”更舒适、更安全
到达月球后,“嫦娥五号”要降落到月球,在月面采样后返回地球,因此“嫦娥五号”既包含轨道器、着陆器,也包含上升器、返回器,结构更复杂、块头更大、重量更重。
为了让“嫦娥五号”坐得更安全、更舒适,研制人员开展了大量的器箭联合试验和分析,对它们所处的电磁环境、力学环境、机械接口进行了多轮综合优化。
刘秉介绍:“既要让火箭与探测器的固有频率错开,彼此之间更‘默契’,不产生共振,同时还要让‘嫦娥五号’坐得舒舒服服、稳稳当当。”
在长征五号火箭上,“嫦娥五号”的“座椅”是定制的。“原来,卫星与火箭之间通常用包带相连,就像一个腰带一样。但‘嫦娥五号’块头太大,以往的包带连接方式最大只能满足2.8m直径的连接要求,而嫦娥五号探测器与火箭的接口直径达到了3.1m,传统的包带连接已无法满足嫦娥五号任务的需求。所以,长征五号火箭采用了一种低冲击分离装置。它既要在飞行过程中连接可靠、安全,让‘嫦娥五号’坐得稳当,又能在器箭分离时降低冲击,让器箭安全舒适地分离。”刘秉说,此外,长征五号火箭整流罩上还专门为探测器设置了15个操作口和透波口,以便于探测器进行操作和传输数据。此次任务火箭整流罩的开口数量和总面积超过了以往发射任务,对整流罩的设计及发射场联合操作提出了更要的要求。
对于我国探月工程来说,这次任务是探月工程三期的收官之战。对于长征五号系列火箭来说,这也是今年的收官之战。
从去年年底开始,长征五号系列火箭进入了高密度发射阶段:2019年12月27日,长征五号遥三火箭发射成功;2020年5月5日,长征五号B火箭首飞成功;2020年7月23日,长征五号火箭成功发射“天问一号”火星探测器;2020年11月24日,长征五号火箭成功发射“嫦娥五号”月球探测器。
预计到明年初,长征五号B火箭还将发射空间站核心舱。(钱江晚报·小时新闻记者 陈曦 章咪佳 陈伟斌 通讯员 左秋红)

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