戴斌,馬恩帥,郭大慶,劉宏運
(北京榮創岩土工程股份有限公司 北京 100085)
摘要：本文詳細介紹了一種新型高壓旋噴工法的技術原理及獨立研發的配套設備，本工法不僅突破了傳統工法在地層應用範圍的侷限性，實現一次性成孔成樁，而且大幅度提高施工效率和成樁質量，節約材料和成本，為岩土工程領域提供了一種解決行業難題的新方法。
關鍵詞：DJP工法、原理、高壓旋噴、潛孔衝擊、氣爆
Research for the principle and character of Down the Hole Jet Grouting Pile
Dai Bin, Ma Enshuai, Guo Daqing, Liu Hongyun
(Beijing Rongchuang Geotechnical Engineering LTD Beijing 100085)
Abstract: This paper introduced a new kind of principle of high pressure jet grouting method in detail, and a complete set of equipment by independent research and development. This technology breaks the limitation of traditional method in the scope of application. It also can complete the hole and pile in once. So the construction efficiency and the quality of pile increase greatly, and a lot of cost can be saved. DJP provided a new solution for the industry problem for geotechnical engineering.
Keywords: Down the hole Jet grouting Pile, Principle ,Whirl-Jet Grouting with High Pressure，Impacting in Hole，Gas Explosion
作者簡介：戴斌，教授級高工，總工程師;北京市海淀區西三旗甲1號，郵編100085;聯繫電話：010-62917177, E-mail: [email protected]。
1.DJP工法技術原理
DJP工法(Down the hole Jet grouting Pile)，即潛孔衝擊高壓旋噴樁，是基於技術原理、設備、施工工藝和組織管理等多個角度的綜合研究成果[1,2]，通過大量的工程實踐，形成的一套適用性廣、能力強、效率高的新型高壓旋噴樁施工技術。DJP工法是在傳統高壓旋噴技術的基礎上繼承和發展而來的一種新型工法，其技術原理如下。
1.1 成孔機理
如圖1(a)，鑽機就位後，開動大功率動力頭旋動鑽桿，向鑽桿底部的潛孔衝擊器提供高壓空氣(空氣壓力不低於1.0MPa)，潛孔衝擊器在高壓空氣驅動下開始產生衝擊效能。同時，高壓泵向噴嘴提供高壓水，衝擊器上部的噴嘴水平噴射不小於25MPa的高壓水流。如地層為粉土、黏土，噴射的高壓水流可切割軟化四周的土體;如地層為砂土，高壓水流和高壓空氣可使四周砂土懸浮;如遇到碎石、卵石或塊石時，則直接衝擊破碎。此外，潛孔衝擊器的高頻振動衝擊和高壓空氣的聯合作用也會在衝擊器底部產生“氣爆”效果，進一步加強對黏土、粉土和砂土的衝擊破壞能力，對卵石、塊石地層通過振動、氣爆調整塊石位置，打開通道，利於後續水泥漿進入被加固區域。
Fig.1 Forming of down the hole jet grouting pile
1.2 成樁機理
如圖1(b)，成孔完成後提升鑽桿開始注漿。此時，將高壓水切換為高壓水泥漿，噴射壓力提升至25~40MPa，向周圍土體進行高壓噴射注漿，已成流塑或液化狀態的土體被高壓水泥漿充分攪拌、混合;同時，潛孔衝擊器底部噴射的高壓空氣可加大攪拌混合力度，並將漿液往四周擠壓，沿著氣爆打開的孔隙和通道注入被加固的土體，從而形成均勻的水泥土混合物。這種噴射注漿方式比普通的旋噴注漿產生的壓力更大，效果更好，可形成的樁徑也更大。
2.DJP工法樁施工機械設備組成
本技術採用公司自主研發的DJP工法施工設備[3]進行施工，該設備機械系統部分包括鑽機、鑽桿(內含漿液管路)組合結構、噴漿系統、鑽頭(潛孔衝擊器)、空壓機、供氣管路、高壓泵、高壓管路、製漿系統、供水管路。具體組成如圖2所示：
圖2 DJP工法施工設備
其中，鑽機行走部分採用螺旋鑽機，鑽機機架穩定性好，架身高，動力強，導向性好，效率高;鑽桿採用石油鑽探鑽桿，鑽桿的外徑為90mm～300mm(常用142mm)，鑽桿剛度強，採用帶密封的錐絲連接，導向性好，堅實耐用;鑽頭採用潛孔衝擊器。鑽桿組合結構由上而下包括同軸串接的螺旋鑽機動力頭、氣漿分離減震裝置、鑽桿。鑽桿組合結構內部設有貫通至所述鑽頭的漿液管路及其外側的環空狀高壓空氣通路;高壓空氣管路連接到鑽桿上部，高壓空氣通過鑽桿的高壓空氣通路到達鑽頭，驅動衝擊器;高壓注漿管路連接到鑽桿上部，用於將高壓水泥漿或高壓水通過設置在鑽桿內的管路到達噴漿裝置。設備整體的質量易於控制，質量穩定性好，配件齊全，方便維修。
3.DJP工法特點及應用範圍
3.1 DJP工法特點
(1)施工效率高
DJP工法對於軟硬地層均不需引孔[4]，無需鑿除支護樁擴徑或人工探孔護壁的混凝土，鑽桿不用重複接裝和拆卸，實現了一次性成孔和成樁，且所用的機械和設備操控簡單，因此施工效率得以大幅提高，對於非卵石、碎石等複雜地層可達到250m/d，從而顯著地節約了工期，也有效地降低了成本。
(2)成樁質量高、止水效果好
DJP工法形成的水泥土樁直徑較大，採用178mm潛孔衝擊器、142mm鑽桿組合時，最大成樁直徑可達到1.4m;而且由於水泥漿與土體充分混合，樁身強度較高，樁體均勻;如需擴徑或提高水泥土固結體強度，可直接下鑽、提鑽進行二次或三次復噴，這一點是其他工法無法直接實現的。止水帷幕與支護樁之間連接緊密，無滲水薄弱環節，止水效果好，為後序工程提供了幹作業環境。
(3)節能、環保效果明顯
由於潛孔衝擊器自身的振動與衝擊器底部高壓空氣、高壓水共同作用於土體，使得周圍土體成流塑狀態後再進行高壓注漿，水泥漿與土體的攪拌混合更為均勻，在不需要將原狀土大量置換的同時，所需的水泥量顯著降低，而形成樁體的強度卻比其他工法實測值高，因此水泥利用率得以大幅提高。通過減少水泥這樣一種高能耗、高汙染的材料用量可以有效降低能耗，減少工業生產對環境產生的汙染和影響，為低碳經濟和社會建設做出一定的貢獻。
(4)對周邊環境影響小
由於採用潛孔和一次成孔工藝，加上科學規範的管理操作，DJP工法在應用於實際生產過程中，因反漿而產生的廢漿量小。不僅能有效節約水泥用量、降低工程成本，還可以減少因施工造成的周圍環境的汙染和影響，保證現場達到文明施工要求。對於施工機械產生的噪音和振動，在實測過程中，僅在堅硬塊體、岩石、硬地層(卵石地層)中施工噪音較大，在普通地層中施工噪音與普通長螺旋相似。振動影響範圍小，經實測振動範圍R≤4m，影響範圍小於普通潛孔衝擊工藝。
3.2 DJP工法應用範圍
(1)止水帷幕
隨著經濟建設的發展，基坑向深和大的方向發展，為保證基坑開挖的順利進行，需要降低地下水位以便在乾燥狀態下施工。但是大規模降低地下水位會引起基坑周邊的地面沉降，對周邊的建(構)築物產生影響。為減輕降低地下水位對周邊建(構)築物的影響，減小基坑周邊地下水位的沉降，經常採用止水帷幕，但是傳統工法在較硬地層或含有塊石的地層無法成樁，DJP工法突破了這一地層限制，DJP水泥土樁與支護樁搭接或自咬合形成止水體系，拓展了止水帷幕的應用範圍。
(2)複合地基
與淺基礎和樁基礎相比，複合地基能充分發揮天然地基土體和增強體承擔荷載的潛能，具有較好的經濟效益和社會效益[5]。DJP工法可施做強度較高的水泥土樁，水泥土樁與樁間土共同承擔荷載，形成柔性樁複合地基。
(3)基礎樁(複合樁)
本公司在研發DJP工法之後，在水泥土樁的基礎上，不斷創新，結合其他工法的優勢，研發了DJP工法的系列樁型，包括DJP複合管樁、DJP複合灌注樁。DJP複合管樁是在DJP工法施做水泥土樁之後，插入預製管樁形成管樁外包裹水泥土的複合樁;DJP複合灌注樁是在DJP工法施做水泥土樁之後，跟管鑽進成孔，下放鋼筋籠並灌注混凝土形成灌注樁外包裹水泥土的複合樁;DJP複合管樁和DJP複合灌注樁作為基礎樁，相比灌注樁與預製樁在承載力、造價等方面具有明顯的優勢。
(4)複合擋土止水結構
DJP工法樁是在DJP工法施做水泥土樁之後，插入型鋼形成型鋼外包裹水泥土的複合擋土止水結構，可起到支護與止水的雙重效果。
4.結論
本文對DJP工法進行了詳細介紹，DJP工法創造性地把“潛孔衝擊器高頻振動衝擊”和“高壓噴射”技術結合起來，充分發揮兩者的優勢，為岩土工程領域提供了一種解決行業難題的新方法。
DJP工法拓展了高壓旋噴技術的應用範圍，不僅適用於黏性土、鬆散砂性土等一般地層，而且對於含塊石填土、密實砂性土、卵礫石、強風化基岩等較硬地層也有較好成樁效果;DJP工法施工效率高，而且成樁質量好，樁徑、垂直度有保證;DJP工法對周邊環境影響小，節能環保效果明顯;DJP工法水泥土樁可與樁間土共同承擔荷載，形成柔性樁複合地基;DJP工法水泥土樁與預製樁、灌注樁組合形成複合樁，作為建(構)築物基礎樁使用;DJP工法水泥土樁與型鋼組合形成複合擋土止水結構，起到支護與止水的雙重效果。
參考文獻
[1] 毛宗原,張亮,劉宏運.人工填海複雜地層止水帷幕新工藝研究[J].地下空間與工程學報,2015,增1,223-226
[2] 張亮,徐禎祥,朱允偉.潛孔衝擊高壓旋噴樁施工技術研究與應用.[C]//第六屆中國國際樁與深基礎峰會,上海,2016
[3] 張亮,李楷兵,等.潛孔衝擊高壓旋噴樁的施工工藝和設備[P].中國專利,ZL2011 1 0293700.0. 2011-09-29.
[4] 劉宏運,郭大慶,馬恩帥.DJP工法(潛孔衝擊高壓旋噴樁)在填海複雜地層中的應用.[C]//第十一屆國際大口徑工程井(樁)平潭海峽峰會,福州,2016
[5] 龔曉南.《複合地基設計和施工指南》[M].北京:人民交通出版社,2003
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