雙高壓三管旋噴工藝在高水位超深基坑工程中的應(yīng)用

劉小囝，張 梅，張治華

（北京市機械施工有限公司，北京 100045）

1 前 言

隨著城市的發(fā)展建設(shè)，大型建筑越來越多，其特點是：樓層越蓋越高，基坑越挖越深，現(xiàn)階段超過20m深的基坑已不少見。尤其位于北京東部的朝陽、通州一代地勢較低，開挖20多米深基坑時多會接近或遇到地下承壓水層，這樣基坑降水施工難度將大大提高，抽水量將大幅增大，增大地表沉降及對周邊建筑物影響的風(fēng)險。加之北京地區(qū)限制降水的條文的頒布等因素，在條件允許的情況下采用止水帷幕樁截排水的方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)降水方案勢在必行。眾所周知，在我國南方和沿海等地區(qū)，在深基坑支護廣泛采用高壓噴射注漿和攪拌樁工藝作為基坑止水和基礎(chǔ)加固手段，技術(shù)已相當(dāng)成熟。但是北京地區(qū)土質(zhì)巖性與南方沿海地區(qū)有很大區(qū)別，故旋噴樁施工的噴射壓力、流量、水灰比等工藝參數(shù)需要相應(yīng)調(diào)整，才能達到預(yù)期處理效果。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)條件

旋噴樁處理土層典型剖面的范圍如表1所示。

2.2 水文地質(zhì)條件

本工程巖土工程勘察期間（2011年7月中旬～8月上旬）于鉆孔中實測到4層地下水，具體地下水水位情況見表2。

基坑開挖過程中第一、二層層間水對施工影響比較大，含水層細砂、粉砂④層、細砂⑥層內(nèi)貯含的地下水是本止排水工程的處理對象。

表1 旋噴樁處理土層典型剖面的范圍

表2 地下水情況一覽表

3 工藝施工難點及適用范圍

3.1 施工難點

1）本基坑深度深，支護深度最深達25m，旋噴樁最深施工深度35m。

2）旋噴深度范圍內(nèi)粘性土層較硬，標(biāo)貫值均在15以上，對成樁直徑影響較大，施工中需要嚴格控制漿液壓力、提鉆速度和噴頭轉(zhuǎn)速。

3）含水層與相對隔水層交錯分布，尤其是砂層與硬質(zhì)粘土交界處宜復(fù)噴確保有效直徑滿足要求，但場地內(nèi)土層分布不均勻，施工中準(zhǔn)確定位砂層與硬質(zhì)粘土交界處的深度是一個難點。因此在引孔施工時必須根據(jù)鉆進速度、鉆出土樣等仔細做好引孔施工記錄，作為高壓旋噴施工時的施工參數(shù)依據(jù)。

4）設(shè)計文件確定的流量、壓力是達到設(shè)計直徑的重要工藝參數(shù)，也是確保達到設(shè)計水泥用量的保證。但是在施工中準(zhǔn)確控制噴嘴流量和噴嘴壓力是比較困難的，尤其漿嘴的流量、壓力與水泥漿的稠度、管內(nèi)沿程壓力損失有很大關(guān)系。因此在正式施工前應(yīng)采用半理論、半經(jīng)驗的方法設(shè)置各噴嘴的直徑和數(shù)量，并在現(xiàn)場進行工藝試驗驗證以上設(shè)置是否符合要求，再正式投入施工。

3.2 適用范圍

高壓噴射注漿有強化地基和防漏的作用，可卓有成效的用于既有建筑和新建建筑的地基處理、地下工程及堤壩的截水、基坑封底、被動區(qū)加固、基坑側(cè)壁防止漏水或減小基坑位移等。實踐表明，本法對淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑或軟塑粘性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土具有良好的處理效果。

旋噴樁直徑的確定是一個復(fù)雜的問題，尤其是深部的直徑，無法用準(zhǔn)確的方法確定。因此，除了淺層可以用開挖的方法確定之外，只能用半經(jīng)驗的方法加以判斷、確定。根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 79－2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》條文說明“7.4旋噴樁復(fù)合地基”中7.4.2條文內(nèi)容，結(jié)合本工程的施工經(jīng)驗，其設(shè)計直徑可參考表3選用。

表3 旋噴樁的設(shè)計直徑 (m)

4 操作要點

制漿時應(yīng)按設(shè)計要求控制水灰比并確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

通過現(xiàn)場試驗調(diào)整確定，施工時采用的該最優(yōu)工藝參數(shù)見表4。

1）帷幕樁施工中控制有效噴射直徑的兩個參數(shù)是：流量和額定排出壓力。在施工前必須根據(jù)試驗或經(jīng)驗選定合適的額定排出壓力和相應(yīng)的額定流量，本工程水泵選用3DK型超高壓水泵，水泥漿泵選用XPB-90D-1型高壓注漿泵。

2）根據(jù)介質(zhì)（水泥漿選用不同的水灰比）和額定排出壓力不同，選定合適的噴嘴直徑和數(shù)量，計算噴嘴流量應(yīng)與額定流量相當(dāng)。

表4 施工工藝參數(shù)

3）選定合理的提升速度和水泥漿水灰比，確保對土體切割效果和樁體強度。施工中旋轉(zhuǎn)速度一般為固定的，可以不調(diào)整，因此，選定合理的噴口直徑、數(shù)量與額定排出壓力、提鉆速度，并驗算系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)要相匹配，才能到達預(yù)期的噴射直徑、設(shè)計水泥用量和樁體強度。

噴嘴可噴射的流量

式中 A1、A2— 分別為高壓泵出漿管截面積和噴嘴口截面積(mm2)；

P1—高壓泵額定排出壓力(MPa)；

Q—噴嘴可噴射的噴射流量(L/min)。

4）旋噴前要檢查高壓設(shè)備和管路系統(tǒng)，其壓力和流量表必須滿足設(shè)計要求。下管前必須檢查注漿管路是否暢通，接頭密封是否良好。

5）垂直施工時，鉆孔的傾斜度不得大于1%。

6）噴射時，要做好壓力、流量的量測工作，并按要求逐項記錄。鉆桿的旋轉(zhuǎn)和提升必須連續(xù)不中斷。

7）拆卸鉆桿繼續(xù)噴射時，保持鉆桿有0.1m的搭接長度，不得使噴射固結(jié)體脫節(jié)。

8）深層旋噴時，先噴漿后旋轉(zhuǎn)和提升，以防注漿管扭斷。

9）施工時，加強前臺與后場供漿配合密切，后場停止供應(yīng)時，應(yīng)及時通知前臺，防止斷樁和缺漿。再次供漿時，攪拌機需下到停漿點0.5m以下，待恢復(fù)供漿時再提升。如停止時間超過3h，需將輸漿卸下進行清洗。

10）噴射注漿孔與高壓泵距離不能過長，防止高壓軟管過長，沿程壓力損失增大，造成實際噴射壓力降低。

11）如遇標(biāo)貫數(shù)較大的粘性土層與砂層交界處容易出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，在界面上下2～3倍樁徑范圍內(nèi)宜復(fù)噴，確保樁徑。

5 高壓旋噴工藝常見問題及預(yù)防措施

主要影響旋噴樁質(zhì)量的問題有：固結(jié)體強度不勻、縮頸、冒漿過少。

1）固結(jié)體強度不勻、縮頸的問題 產(chǎn)生原因：①噴射方法與機具沒有根據(jù)地質(zhì)條件進行選擇；②噴漿設(shè)備出現(xiàn)故障（管路堵塞、串漏、卡鉆；③拔管速度、旋轉(zhuǎn)速度及注漿量沒能配合時，造成樁身直徑大小不均，漿液有多有少；④噴射的漿液與切削的土粒強制拌和不充分、不均勻，直接影響加固效果；⑤穿過較硬的粘性土，產(chǎn)生縮頸。預(yù)防措施：①根據(jù)設(shè)計要求和地質(zhì)條件，選用不同的噴漿方法和機具；②噴漿前，先進行壓水壓漿壓氣試驗，一切正常后方可配漿，準(zhǔn)備噴射，保證連續(xù)進行。配漿時必須用篩過濾；③根據(jù)固結(jié)體的形狀及樁身勻質(zhì)性，調(diào)整噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度、提升速度、噴射壓力和噴漿量；④對易出現(xiàn)縮頸部位進行定位旋轉(zhuǎn)噴射或復(fù)噴的辦法；⑤控制漿液的水灰比及稠度；⑥嚴格要求噴嘴的加工精度、位置、形狀、直徑等，保證噴漿效。

2）冒漿過少的問題 產(chǎn)生原因：①注漿壓力過小，噴射能力不足；②水灰比過高，為達到設(shè)計水泥摻量，導(dǎo)致噴漿量過大；③旋噴樁深處、管壁外廢漿排出通道受阻或氣壓不足導(dǎo)致“氣舉”作用弱等原因，致使壓力增大、流量反降。預(yù)防措施：①施工中必須經(jīng)常觀察壓力表變化；②適當(dāng)降低水灰比，必要時摻入減水劑等外加劑；③如旋噴樁施工深度較深時，應(yīng)將水壓、氣壓、噴水量及排氣量均適當(dāng)提高。如有必要應(yīng)對旋噴鉆桿進行改造，在套管中間增設(shè)排漿管。

6 施工體會

雙高壓三重管工藝原理主要由高壓水作用為主，高壓漿液二次噴射為輔。高壓水的作用是至關(guān)重要的。高壓水工作原理是將水加壓輸送通過噴嘴噴出大流量高速度的水柱，切割、軟化土體。由此可知，噴嘴噴射水流的流量越大且速度越高，其對土體的切割破壞作用越強。有的施工隊針對冒漿量過大的現(xiàn)象片面地采取縮小噴嘴孔徑來提高噴射壓力、加快提升和旋轉(zhuǎn)速度的方法。這樣做是不合理的，表面上水壓上去了，甚至達到45MPa，但流量大幅降低了，最終將影響成樁直徑。返漿量宜在10%～20%左右。如遇冒漿量過多時，應(yīng)控制水泥漿液配合比，利用側(cè)口式噴頭，適當(dāng)減小出漿口孔徑并提高噴射能力，使?jié){液量與實際需要量相當(dāng)，減少冒漿。

制定施工工藝方案和工藝參數(shù)時，首要關(guān)注的應(yīng)是土層的標(biāo)貫數(shù)，其次關(guān)注的是土的巖性。因為土層的貫入度體現(xiàn)的是土的硬度，也反映出土體結(jié)構(gòu)被破壞的難易程度，這樣才能有針對性地選擇合適的施工工法和工藝參數(shù)。而關(guān)注土質(zhì)巖性可以根據(jù)土質(zhì)是砂性或粘性微調(diào)工藝參數(shù)，若遇粘性土應(yīng)適當(dāng)調(diào)低提鉆速度，提高水壓、漿壓；若遇砂性土可采取適當(dāng)提高氣壓。故在施工前須向機長進行詳細交底，引孔應(yīng)仔細記錄土質(zhì)情況，施工中應(yīng)根據(jù)引孔記錄適時根據(jù)不同土質(zhì)對施工參數(shù)進行微調(diào)。做到科學(xué)施工，精細管理。

噴嘴口徑、數(shù)量和提鉆速度須與所選高壓泵性能匹配，否則不能充分發(fā)揮機具性能，也達不到預(yù)期的處理效果。