戴斌,马恩帅,郭大庆,刘宏运
(北京荣创岩土工程股份有限公司 北京 100085)
摘要：本文详细介绍了一种新型高压旋喷工法的技术原理及独立研发的配套设备，本工法不仅突破了传统工法在地层应用范围的局限性，实现一次性成孔成桩，而且大幅度提高施工效率和成桩质量，节约材料和成本，为岩土工程领域提供了一种解决行业难题的新方法。
关键词：DJP工法、原理、高压旋喷、潜孔冲击、气爆
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
作者简介：戴斌，教授级高工，总工程师;北京市海淀区西三旗甲1号，邮编100085;联系电话：010-62917177, E-mail: [email protected]。
1.DJP工法技术原理
DJP工法(Down the hole Jet grouting Pile)，即潜孔冲击高压旋喷桩，是基于技术原理、设备、施工工艺和组织管理等多个角度的综合研究成果[1,2]，通过大量的工程实践，形成的一套适用性广、能力强、效率高的新型高压旋喷桩施工技术。DJP工法是在传统高压旋喷技术的基础上继承和发展而来的一种新型工法，其技术原理如下。
1.1 成孔机理
如图1(a)，钻机就位后，开动大功率动力头旋动钻杆，向钻杆底部的潜孔冲击器提供高压空气(空气压力不低于1.0MPa)，潜孔冲击器在高压空气驱动下开始产生冲击效能。同时，高压泵向喷嘴提供高压水，冲击器上部的喷嘴水平喷射不小于25MPa的高压水流。如地层为粉土、黏土，喷射的高压水流可切割软化四周的土体;如地层为砂土，高压水流和高压空气可使四周砂土悬浮;如遇到碎石、卵石或块石时，则直接冲击破碎。此外，潜孔冲击器的高频振动冲击和高压空气的联合作用也会在冲击器底部产生“气爆”效果，进一步加强对黏土、粉土和砂土的冲击破坏能力，对卵石、块石地层通过振动、气爆调整块石位置，打开通道，利于后续水泥浆进入被加固区域。
Fig.1 Forming of down the hole jet grouting pile
1.2 成桩机理
如图1(b)，成孔完成后提升钻杆开始注浆。此时，将高压水切换为高压水泥浆，喷射压力提升至25~40MPa，向周围土体进行高压喷射注浆，已成流塑或液化状态的土体被高压水泥浆充分搅拌、混合;同时，潜孔冲击器底部喷射的高压空气可加大搅拌混合力度，并将浆液往四周挤压，沿着气爆打开的孔隙和通道注入被加固的土体，从而形成均匀的水泥土混合物。这种喷射注浆方式比普通的旋喷注浆产生的压力更大，效果更好，可形成的桩径也更大。
2.DJP工法桩施工机械设备组成
本技术采用公司自主研发的DJP工法施工设备[3]进行施工，该设备机械系统部分包括钻机、钻杆(内含浆液管路)组合结构、喷浆系统、钻头(潜孔冲击器)、空压机、供气管路、高压泵、高压管路、制浆系统、供水管路。具体组成如图2所示：
图2 DJP工法施工设备
其中，钻机行走部分采用螺旋钻机，钻机机架稳定性好，架身高，动力强，导向性好，效率高;钻杆采用石油钻探钻杆，钻杆的外径为90mm～300mm(常用142mm)，钻杆刚度强，采用带密封的锥丝连接，导向性好，坚实耐用;钻头采用潜孔冲击器。钻杆组合结构由上而下包括同轴串接的螺旋钻机动力头、气浆分离减震装置、钻杆。钻杆组合结构内部设有贯通至所述钻头的浆液管路及其外侧的环空状高压空气通路;高压空气管路连接到钻杆上部，高压空气通过钻杆的高压空气通路到达钻头，驱动冲击器;高压注浆管路连接到钻杆上部，用于将高压水泥浆或高压水通过设置在钻杆内的管路到达喷浆装置。设备整体的质量易于控制，质量稳定性好，配件齐全，方便维修。
3.DJP工法特点及应用范围
3.1 DJP工法特点
(1)施工效率高
DJP工法对于软硬地层均不需引孔[4]，无需凿除支护桩扩径或人工探孔护壁的混凝土，钻杆不用重复接装和拆卸，实现了一次性成孔和成桩，且所用的机械和设备操控简单，因此施工效率得以大幅提高，对于非卵石、碎石等复杂地层可达到250m/d，从而显著地节约了工期，也有效地降低了成本。
(2)成桩质量高、止水效果好
DJP工法形成的水泥土桩直径较大，采用178mm潜孔冲击器、142mm钻杆组合时，最大成桩直径可达到1.4m;而且由于水泥浆与土体充分混合，桩身强度较高，桩体均匀;如需扩径或提高水泥土固结体强度，可直接下钻、提钻进行二次或三次复喷，这一点是其他工法无法直接实现的。止水帷幕与支护桩之间连接紧密，无渗水薄弱环节，止水效果好，为后序工程提供了干作业环境。
(3)节能、环保效果明显
由于潜孔冲击器自身的振动与冲击器底部高压空气、高压水共同作用于土体，使得周围土体成流塑状态后再进行高压注浆，水泥浆与土体的搅拌混合更为均匀，在不需要将原状土大量置换的同时，所需的水泥量显著降低，而形成桩体的强度却比其他工法实测值高，因此水泥利用率得以大幅提高。通过减少水泥这样一种高能耗、高污染的材料用量可以有效降低能耗，减少工业生产对环境产生的污染和影响，为低碳经济和社会建设做出一定的贡献。
(4)对周边环境影响小
由于采用潜孔和一次成孔工艺，加上科学规范的管理操作，DJP工法在应用于实际生产过程中，因反浆而产生的废浆量小。不仅能有效节约水泥用量、降低工程成本，还可以减少因施工造成的周围环境的污染和影响，保证现场达到文明施工要求。对于施工机械产生的噪音和振动，在实测过程中，仅在坚硬块体、岩石、硬地层(卵石地层)中施工噪音较大，在普通地层中施工噪音与普通长螺旋相似。振动影响范围小，经实测振动范围R≤4m，影响范围小于普通潜孔冲击工艺。
3.2 DJP工法应用范围
(1)止水帷幕
随着经济建设的发展，基坑向深和大的方向发展，为保证基坑开挖的顺利进行，需要降低地下水位以便在干燥状态下施工。但是大规模降低地下水位会引起基坑周边的地面沉降，对周边的建(构)筑物产生影响。为减轻降低地下水位对周边建(构)筑物的影响，减小基坑周边地下水位的沉降，经常采用止水帷幕，但是传统工法在较硬地层或含有块石的地层无法成桩，DJP工法突破了这一地层限制，DJP水泥土桩与支护桩搭接或自咬合形成止水体系，拓展了止水帷幕的应用范围。
(2)复合地基
与浅基础和桩基础相比，复合地基能充分发挥天然地基土体和增强体承担荷载的潜能，具有较好的经济效益和社会效益[5]。DJP工法可施做强度较高的水泥土桩，水泥土桩与桩间土共同承担荷载，形成柔性桩复合地基。
(3)基础桩(复合桩)
本公司在研发DJP工法之后，在水泥土桩的基础上，不断创新，结合其他工法的优势，研发了DJP工法的系列桩型，包括DJP复合管桩、DJP复合灌注桩。DJP复合管桩是在DJP工法施做水泥土桩之后，插入预制管桩形成管桩外包裹水泥土的复合桩;DJP复合灌注桩是在DJP工法施做水泥土桩之后，跟管钻进成孔，下放钢筋笼并灌注混凝土形成灌注桩外包裹水泥土的复合桩;DJP复合管桩和DJP复合灌注桩作为基础桩，相比灌注桩与预制桩在承载力、造价等方面具有明显的优势。
(4)复合挡土止水结构
DJP工法桩是在DJP工法施做水泥土桩之后，插入型钢形成型钢外包裹水泥土的复合挡土止水结构，可起到支护与止水的双重效果。
4.结论
本文对DJP工法进行了详细介绍，DJP工法创造性地把“潜孔冲击器高频振动冲击”和“高压喷射”技术结合起来，充分发挥两者的优势，为岩土工程领域提供了一种解决行业难题的新方法。
DJP工法拓展了高压旋喷技术的应用范围，不仅适用于黏性土、松散砂性土等一般地层，而且对于含块石填土、密实砂性土、卵砾石、强风化基岩等较硬地层也有较好成桩效果;DJP工法施工效率高，而且成桩质量好，桩径、垂直度有保证;DJP工法对周边环境影响小，节能环保效果明显;DJP工法水泥土桩可与桩间土共同承担荷载，形成柔性桩复合地基;DJP工法水泥土桩与预制桩、灌注桩组合形成复合桩，作为建(构)筑物基础桩使用;DJP工法水泥土桩与型钢组合形成复合挡土止水结构，起到支护与止水的双重效果。
参考文献
[1] 毛宗原,张亮,刘宏运.人工填海复杂地层止水帷幕新工艺研究[J].地下空间与工程学报,2015,增1,223-226
[2] 张亮,徐祯祥,朱允伟.潜孔冲击高压旋喷桩施工技术研究与应用.[C]//第六届中国国际桩与深基础峰会,上海,2016
[3] 张亮,李楷兵,等.潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺和设备[P].中国专利,ZL2011 1 0293700.0. 2011-09-29.
[4] 刘宏运,郭大庆,马恩帅.DJP工法(潜孔冲击高压旋喷桩)在填海复杂地层中的应用.[C]//第十一届国际大口径工程井(桩)平潭海峡峰会,福州,2016
[5] 龚晓南.《复合地基设计和施工指南》[M].北京:人民交通出版社,2003
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