高壓旋噴樁在高鐵橋梁水中墩基坑開挖止水帷幕中的應(yīng)用

◎ 中鐵二十四局福建鐵路建設(shè)有限公司 羅躍林

1、 高壓旋噴樁原理

高壓旋噴樁旋噴樁興起于二十世紀(jì)七十年代的高壓噴射注漿法，是近年來慢慢發(fā)展起來的一種新樁型，對(duì)處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、沙土、以及人工填土和碎石土都有很好的效果，它有著可以按照不同的地基土的性質(zhì)及工程設(shè)計(jì)要求，合理選擇參數(shù)，設(shè)計(jì)較靈活；固結(jié)強(qiáng)度高，單樁承載力較高，止水效果好。

2、施工背景

新建向莆鐵路盱江特大橋盱江特大橋，全長2167.05m，36#～54#為水中墩承臺(tái)，承臺(tái)基礎(chǔ)為鉆孔樁，設(shè)計(jì)流量5231立方米/s,流速2.5m/s。

原設(shè)計(jì)水中墩承臺(tái)基坑支護(hù)采用拉森鋼板樁，從施工質(zhì)量、安全及經(jīng)濟(jì)考慮，經(jīng)方案比選優(yōu)化，決定采用高壓旋噴樁加固承臺(tái)基坑，并加封底混凝土在基底止水?；铀幍刭|(zhì)情況見圖2-1。

圖2-1

本工程擬采用二重管高壓旋噴注漿，樁徑60cm，樁間距50cm，沿基坑四周兩排布置?？諝饬靼迅邏盒龂姌兜臐{液噴射流包裹住，使之成為復(fù)合的噴射流，在旋噴施工中，噴射流沖切周圍土體，沿鉆孔孔壁產(chǎn)生提水并且置換的作用，使用高壓漿體切割樁周地層，對(duì)周圍土層有擠壓填充作用，在噴射注漿過程中除在沖切范圍內(nèi)形成凝固體的同時(shí)，還能對(duì)周圍土體產(chǎn)生較大的漿液滲透，改善周圍土體力學(xué)性能。因此高壓旋噴樁形成的止水帷幕墻體，抗側(cè)壓能力強(qiáng)、防滲性能優(yōu)。高壓旋噴樁布置圖如圖2-2。

圖2-2

3、施工檢算

假設(shè)基坑底面標(biāo)高為0m，則基底面標(biāo)高為6m，開挖深度6m，施工水位1.5m，如圖3-1所示。

旋噴樁懸臂部分后的土體加權(quán)平均容重r=18.3kN/立方米，水的容重為r1=10kN/立方米，內(nèi)摩擦角加權(quán)平均為φ=20.1°，地面超載按q=20 kN/平方米考慮，基坑開挖尺寸為長×寬=12×10m。

(1)外力計(jì)算（按每延米進(jìn)行計(jì)算）

主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tan2（45°-φ/2）=0.49

均布力換算高度h=q/r=20/18.3=1.09m

水 位 處 土 壓 力 強(qiáng) 度 Pa1=r×（h+6-1.5）Ka=18.3×（1.09+6-1.5）×0.49=50.1kPa

基坑地面土壓力強(qiáng)度Pa2=[r×（h+6-1.5）+（r-r1）×1.5]×Ka=[18.3×（1.09+6-1.5）+(18.3-10)×1.5]×0.49=62.6kPa

圖3-1

圖3-2

基坑底靜水壓力Pa3=10×1.5=15kPa

基坑底流水壓力 Pa4=r1×v2/（2g）=10×2.5×2.5/（2×9.81）=3.2kPa

土壓力和水壓力強(qiáng)度分布如3-2圖所示：

基坑底面處剪切力最大

V=0.5×50.1×4.5+0.5×（50.1+62.6）×1.5+0.5×（3.2+18.2）×1.5=213.3kN

(2)驗(yàn)算

a、高壓旋噴樁按兩排計(jì)算，寬度為1.2m，則驗(yàn)算截面為b×h=1×1.2m

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，受彎構(gòu)件的剪力驗(yàn)算為：

0.7βhftbh0=0.7×（800/1200）^(1/4)×1.1×1000×1200=834928N=934.9kN＞V=213.3kN

抗剪滿足要求。

b、將高壓旋噴樁按一端固定，一端自由考慮，懸臂長度6m，由平面桿系計(jì)算程序可得頂部位移為1.24mm

c、封底混凝土厚度驗(yàn)算考慮水的作用與封底混凝土的自重，按四邊簡支板計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3-1。

4、施工工藝

根據(jù)施工要求，采用雙管法高壓噴射。雙管法高壓噴射噴漿壓力在25～30MPa，樁體周圍壓縮空氣保護(hù)著水泥漿噴射流，并且伴隨著噴漿管的緩慢旋轉(zhuǎn)和提升，高壓水泥漿沖切周圍土質(zhì)，將水泥漿與周圍土體摻攪成樁；水泥漿與粘土混合物固結(jié)后，形成所需要加固體。

表3-1

高壓噴射灌漿屬于隱蔽性工程施工，只有選擇合適的工藝參數(shù)，才能保證施工質(zhì)量，因此根據(jù)工程的實(shí)際地質(zhì)情況，以及試樁結(jié)果，擬采用如下工藝參數(shù)控制，進(jìn)行施工：

(1)高壓旋噴樁設(shè)計(jì)樁體直徑:φ60cm；

(2)水泥：P?O42.5普通硅酸鹽水泥；

(3)漿液配合比：水∶水泥∶水玻璃為1∶1∶0.035；

(4)噴漿壓力：25～30Mpa；

(5)空氣壓力≥0.75Mpa；

(6)漿體流量65～85 L /m in；

(7)提管速度: 8～15cm /m in；

(8)噴漿管旋轉(zhuǎn)速度: 6～8n /m in；

(9)噴漿嘴數(shù)量及直徑2 ×1.8～2.0；

(10)樁位偏差≤2cm；

(11)樁體垂直度≤0.5%。

（12）每段段提升鉆管的搭接長度不得小于100mm（一根鉆桿完成后，要拆除一根鉆桿繼續(xù)噴漿，恢復(fù)噴漿時(shí)，鉆桿應(yīng)回落100mm再噴漿，防止噴漿分段，造成斷樁）。

高壓旋噴樁施工完成后，待樁體強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行基坑開挖，基坑開挖過程在基坑內(nèi)上游和下游側(cè)，基坑對(duì)角位置先開挖集水井，方便開挖過程中的抽排水?；娱_挖到位后，采用C40砼進(jìn)行基坑底封閉，封閉砼厚度50cm。

5、基坑止水效果

現(xiàn)場開挖基坑四周滲水量小，只在部分轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)小量滲水；對(duì)基坑四周高壓旋噴樁進(jìn)行觀測，位移小，能滿足基坑圍護(hù)要求。開挖過程中基底有涌水，通過集水井抽排，和封底混凝土澆筑，基坑內(nèi)無積水。高壓旋噴樁作為止水帷幕加上封底混凝土，能滿足該橋水中墩基坑開挖圍護(hù)要求。

6、高壓旋噴樁作為基坑止水帷幕難點(diǎn)分析

6.1.基坑四周止水和抗側(cè)壓力

由于基坑開挖后，基坑四周帷幕受到土壓力和水壓力的荷載，以及基坑頂面的施工荷載作用，高壓旋噴樁止水帷幕在以上荷載作用下，樁體受到的側(cè)向推力較大，樁體成樁質(zhì)量是關(guān)鍵。

樁體間的搭接，樁徑60cm，樁間距50cm，有10cm的搭接范圍，因此樁體的擴(kuò)散半徑是基坑止水的關(guān)鍵。

因此高壓旋噴樁止水帷幕施工前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，進(jìn)行試樁，確定合理的施工參數(shù)，確保樁體質(zhì)量、擴(kuò)散半徑，以確?？箓?cè)壓力和止水效果滿足要求。

6.2.基底封閉止水

基坑底在常水位以下，基底的水頭壓力由于基坑開挖的深度而增加，通過封底混凝土的施工，封閉住基底的涌水，確?；觾?nèi)無積水。

7、施工注意事項(xiàng)

在高壓旋噴樁施工過程中，也曾碰到了一些問題，根據(jù)現(xiàn)場情況，對(duì)原因進(jìn)行了分析，并制訂以下解決辦法:

(1)冒漿情況:在旋噴施工中，由于一定數(shù)量的土體會(huì)被漿液帶出，因此出現(xiàn)一定的冒漿量是正常的，冒漿量一般在注漿量的20%是正常冒漿。若出現(xiàn)不正常冒漿，需要查明原因，并及時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策：

①部分土層可能存在較大空隙，從而導(dǎo)致冒漿少，甚至不冒漿。出現(xiàn)該情況下，需在漿液中摻加速凝劑，減小漿體固結(jié)時(shí)間，使?jié){液在空隙土層范圍內(nèi)快速凝結(jié)，將空隙土層注漿滿后再繼續(xù)正常旋噴。

②部分土層因孔隙率小，漿液滲透能力差，從而會(huì)導(dǎo)致孔口冒漿量過大，注漿量超過旋噴土體固結(jié)所需的漿量。遇上該情況，需要提高漿體的噴射壓力，加大漿體滲透能力，或者縮小噴漿管的噴嘴孔尺寸，以及調(diào)整噴漿管的提升和旋轉(zhuǎn)速度。

(2)基坑帷幕墻出現(xiàn)周邊局部滲水。局部滲水的原因主要是止水帷幕墻有空隙，是旋噴樁樁體擴(kuò)散半徑過小，從而導(dǎo)致樁體之間的搭接長度不夠。解決辦法主要是:找出滲水區(qū)域的地質(zhì)情況，在兩排高壓旋噴樁外側(cè)區(qū)域加噴旋噴樁。補(bǔ)樁施工時(shí)采取措施擴(kuò)大旋噴樁直徑，使后補(bǔ)樁體與已施工樁體搭接密貼，堵塞滲水孔隙。擴(kuò)大旋噴樁直徑主要方法有：加速凝劑；提高噴射力；降低拔管速度。

(3)基底涌水處理:由于外界流水與基坑底面在水壓力的作用下，形成連通水路，使基底在水壓力作用下不斷涌水。解決措施有:①對(duì)于涌水量小的，直接在冒水孔插入噴漿管，然后向孔內(nèi)壓入漿液，漿液中增加速凝劑；②對(duì)于涌水較大的，在涌水位置重新增加高壓旋噴樁(噴射方法參照局部滲水的處理辦法)；③做好基底排水溝和集水井，將涌水通過排水溝排入集水井，再由抽水機(jī)排到基坑外。

8、結(jié)束語

本橋梁水中墩的基坑圍堰采用高壓旋噴作為止水帷幕，現(xiàn)場施工質(zhì)量控制良好，樁體成樁質(zhì)量好，基坑開挖后，大部分止水帷幕完整有效，基坑開挖施工的整個(gè)過程未發(fā)生較大的滲水，基坑內(nèi)水量通過集水井排出，不影響后續(xù)承臺(tái)施工，大大加快了承臺(tái)的施工進(jìn)度，因此我們認(rèn)為本工程基坑圍護(hù)方案是成功的。

本工程實(shí)踐證明，高壓旋噴樁止水帷幕對(duì)雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥、以及淤泥質(zhì)土，甚至淤泥夾砂土層等土層的止水性能有明顯的提高作用，大大減少了基坑支護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也因高壓旋噴樁施工周期短、成樁快、設(shè)備簡單轉(zhuǎn)運(yùn)方便，而節(jié)約了基坑圍護(hù)施工工期。

最后，高壓旋噴樁施工是在靜壓灌漿的基礎(chǔ)上，加上加壓噴漿而發(fā)展起來的，是利用射流作用切割和攪拌混合原有土體，改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)壓人水泥漿或復(fù)合漿形成的凝結(jié)體，用此達(dá)到加固地基和防滲的目的。在基坑止水帷幕支護(hù)施工中，設(shè)備較簡單，轉(zhuǎn)運(yùn)方便，操作靈活，適用范圍廣，可以解決一些傳統(tǒng)技術(shù)上較難以起效的防滲難題，而且原材料簡單，經(jīng)濟(jì)上與鋼板樁比較大大節(jié)省費(fèi)用，擁有很好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，高壓旋噴樁在水中墩基坑止水帷幕的應(yīng)用前途廣闊。