粗砂礫石地層中高壓旋噴樁隔水帷幕施工技術(shù)

張紅濤

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的進(jìn)程，推進(jìn)了城市地下空間的開發(fā)，基坑工程需穿越更深、更復(fù)雜的地層，這對深基坑工程的隔水帷幕施工技術(shù)提出了更高的要求［1-3］。隔水和降水是深基坑工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，隔水帷幕能夠最大限度地阻斷基坑內(nèi)外水層的交流，防止地下水滲漏［4-6］，因此建立隔水帷幕是解決基坑降水困難時(shí)的重要途徑。

目前，常見的隔水帷幕有水泥土深層攪拌樁、高壓旋噴樁、咬合樁、鋼板樁、地下連續(xù)墻等［7-10］。其中，深層攪拌樁多適用于較淺的軟弱地基層，當(dāng)隔水帷幕穿越質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒粗大的滲透性良好的粗砂礫石地層時(shí)，由于地下水徑流強(qiáng)烈，成孔后不穩(wěn)定，極易塌孔，采用水泥土深層攪拌樁隔水帷幕施工技術(shù)難以滿足設(shè)計(jì)要求，止水效果得不到保證。高壓噴射注漿技術(shù)因其在成樁時(shí)對周圍土體的加固作用，可適用于滲透系數(shù)良好、徑流補(bǔ)給明顯的砂礫石地層。

本文針對太原萬達(dá)廣場A 2區(qū)商住樓工程項(xiàng)目基坑隔水帷幕工程中深層攪拌樁無法有效使用的技術(shù)難題，通過對地層相關(guān)技術(shù)資料的分析研究，提出了在粗砂礫石地層采用高壓旋噴樁隔水帷幕施工技術(shù)的方案，并成功實(shí)施了這一工程，總結(jié)了該技術(shù)的施工工藝、技術(shù)要求和質(zhì)量保證措施，證明了其應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

太原萬達(dá)廣場項(xiàng)目位于山西省太原市老城區(qū)的核心區(qū)域，緊鄰內(nèi)城水系的“龍眼”龍?zhí)豆珗@東側(cè)，雄踞太原古城西北角。該項(xiàng)目北為北大街，西鄰新建路，東緊鄰解放北路，南至旱西門街。規(guī)劃總用地面積44.22萬m2，總建筑面積148.30萬m2，其中A 2區(qū)擬建建筑物為6棟地上32層、地下2層住宅樓群。

太原萬達(dá)廣場A 2區(qū)A-5、7、8、9號商住樓項(xiàng)目基坑開挖深度為5.90～7.50 m，計(jì)劃施工內(nèi)容有降水井施工、土釘墻施工、高壓旋噴樁及深層攪拌樁隔水帷幕施工。其中降水設(shè)計(jì)為開挖344口?600 mm、井深12 m的大口井作為降水井；基坑支護(hù)分10個(gè)剖面進(jìn)行土釘墻施工，施工面積達(dá)6499 m2；3排深層攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑500 mm，樁頂埋深-2.50 m，樁孔深12 m，樁中心距350 mm，水泥型號P.S.A 32.5，單排旋噴樁設(shè)計(jì)樁徑600 mm，其余設(shè)計(jì)參數(shù)與深層攪拌樁一致。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

本工程場地范圍內(nèi)地層發(fā)育情況自上而下為：①層填土；②層工程地質(zhì)條件復(fù)雜，各區(qū)域地層巖性不同，呈粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、細(xì)砂及粗礫砂交互分布，頂界面標(biāo)高777.17～784.80 m，底界面標(biāo)高772.13～779.60 m，層厚0.6～10.2 m；③層粉土，該層厚度穩(wěn)定，可視為地層標(biāo)志層，隔水帷幕可止于此層。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

本工程所在場地共有3層地下水。場地內(nèi)首層地下水為孔隙潛水，主要靠大氣降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給；二層以下地下水為承壓水，主要靠側(cè)向徑流補(bǔ)給。穩(wěn)定水位在自然地面下2.10～3.70 m。

2 隔水帷幕設(shè)計(jì)

本工程原設(shè)計(jì)采用3排水泥土深層攪拌樁隔水帷幕隔水，帷幕內(nèi)部布設(shè)降水疏干井。施工中發(fā)現(xiàn)在9號樓西北側(cè)、8號樓東南側(cè)及7號樓東南側(cè)部位，深層攪拌樁帷幕施工不能滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過對A 2區(qū)地勘資料進(jìn)行歸納、整理和研究后發(fā)現(xiàn)，③層粉土可視為地層標(biāo)志層（該層厚度穩(wěn)定，隔水帷幕設(shè)計(jì)也止于此層），在此層之上（剝?nèi)ヌ钔立賹樱┑貙訋r性平面分布具以下明顯特征（見圖1）：在8、9號樓連線方向（北東—南西）發(fā)育一條斜穿A 2區(qū)中間部位、寬100～110 m、一般厚度5～7 m最大厚度10 m的②層粗礫砂古河道沉積帶。由該地區(qū)水文地質(zhì)條件可知，地下水流向粗礫砂層古河道沉積帶處（流動方向如圖中箭頭所示），地層滲透系數(shù)為6×10-3cm/s，地下水有較大的流速和流量，造成地下水徑流強(qiáng)烈；同時(shí)該地層主要為粗砂礫層，由于深層攪拌法適用于土層，對于密實(shí)度稍高的砂礫層不適用，導(dǎo)致深層攪拌樁無法施工?；诖饲闆r，在該部位改用高壓旋噴樁隔水帷幕施工方案。

圖1 填土①層與粉土③層之間地層巖性分布Fig.1 Lithologic distribution between backfill①layer and silt③layer

高壓旋噴樁總體設(shè)計(jì)樁數(shù)為2055根，總工程量為26493 m，樁位布置如圖2所示（虛線框?yàn)樾龂姌恫课唬?，各部位具體設(shè)計(jì)工程量如表1所示。本工程施工采用雙套管錨桿鉆機(jī)引孔，單管高壓噴射工藝。特點(diǎn)是：鉆機(jī)引孔與高壓旋噴分2步進(jìn)行，能確保滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 高壓旋噴樁隔水帷幕樁位總體布置Fig.2 Gener al layout of high pressur e jet gr outing piles for the water cut-off curtain

表1 高壓旋噴樁設(shè)計(jì)工程量Table 1 Designed quantity of high pressure jet grouting piles

3 高壓旋噴樁隔水帷幕施工技術(shù)

3.1 施工技術(shù)要求

根據(jù)高壓噴射注漿法的主要特點(diǎn)，從施工設(shè)備、注漿材料和質(zhì)量檢查與控制3個(gè)方面對高壓旋噴樁的施工技術(shù)提出了新的要求。

（1）施工設(shè)備：主要包括鉆機(jī)和高壓發(fā)生設(shè)備2部分［11-13］。依據(jù)需要采用單管、二重管或三重管不同的噴射方式進(jìn)行旋噴作業(yè)時(shí)所使用的機(jī)具類型和數(shù)量不同。高壓噴射注漿工藝要求所用鉆機(jī)除具備一般鉆機(jī)的功能外，還要有帶動注漿管以10～20 r/min慢速提升功能。不具備以上2種功能的鉆機(jī)，必須改制或另配備旋噴機(jī)和鉆機(jī)結(jié)合使用。高壓發(fā)生設(shè)備主要有高壓泵、泥漿泵、空壓機(jī)、注漿管、高壓膠管、液體流量計(jì)、風(fēng)量計(jì)等。本工程中高壓旋噴樁引孔所用的是雙套管錨桿鉆機(jī)，滿足施工對鉆機(jī)的要求，并搭配單管噴射法進(jìn)行施工作業(yè)，如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)現(xiàn)場施工Fig.3 Drilling rig at wor k

（2）注漿材料：高壓噴射注漿材料分主材與外加劑。主材為水泥，常用水泥有普通硅酸鹽水泥、高早強(qiáng)水泥、低熱水泥和抗硫酸鹽水泥等，對于無特殊要求的工程，一般選用32.5級及以上的普通硅酸鹽水泥。主材、外加劑使用前都需要進(jìn)行專門的檢測。

（3）質(zhì)量檢查與控制：質(zhì)量檢查的內(nèi)容包括固結(jié)體的整體性和均勻性、有效直徑、垂直度、強(qiáng)度等。檢驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量為施工注漿孔數(shù)的2%～5%，對于不足20孔的工程，至少應(yīng)檢驗(yàn)2個(gè)點(diǎn)，不合格者應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)噴。主要通過開挖檢查、鉆孔取心、靜載荷試驗(yàn)、小應(yīng)變動力測試等方法進(jìn)行檢查與控制［14-16］。

3.2 旋噴樁施工設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)勘查報(bào)告地層特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求用單管高壓旋噴樁進(jìn)行隔水帷幕施工，設(shè)計(jì)具體參數(shù)如下：

（1）旋噴注漿選用顆粒細(xì)、穩(wěn)定性好的32.5級礦渣硅酸鹽水泥。

（2）水泥漿液的水灰比越小，高壓噴射注漿體相互結(jié)合越好。在施工中因注漿設(shè)備的原因，水灰比太小時(shí)，噴射不暢，易堵塞噴嘴及加快高壓泵柱塞的老化，故水灰比一般選0.6～1.5之間，因本場區(qū)潛水較為豐富，取水灰比0.6為宜。

（3）設(shè)計(jì)旋噴樁尺寸及布置參數(shù)：樁徑600 mm，樁深12～15 m，樁底進(jìn)入相對隔水層1 m，樁間距300 mm，相互咬合300 mm。

（4）結(jié)合國家規(guī)范和地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，以及現(xiàn)場施工試驗(yàn)，確定高壓噴射注漿壓力為20 MPa，旋噴速度為10～20 r/min，提升速度為80～250 mm/min。

3.3 施工工藝流程

（1）形成施工平臺，施工平臺誤差控制在150 mm范圍內(nèi)。

（2）測量人員按圖紙放樣定位，孔位偏差±50 mm內(nèi)。

（3）采用套管跟進(jìn)鉆機(jī)引孔。

（4）鉆至設(shè)計(jì)深度后，邊提升邊噴漿至地面一次成樁完畢。

（5）旋噴樁前后兩組樁相互切割，一次成墻完成一個(gè)施工單元。

3.4 質(zhì)量保證措施

為保證高壓噴射注漿法的成樁質(zhì)量，施工時(shí)要做好如下質(zhì)量保證措施：

（1）旋噴施工時(shí)要求采用間隔跳打的方式進(jìn)行。

（2）鉆機(jī)或旋噴機(jī)就位時(shí)機(jī)座放平穩(wěn)，立軸或轉(zhuǎn)盤要與孔位對正，傾角與設(shè)計(jì)誤差≯0.5°。

（3）采用清水鉆進(jìn)引孔，引孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后，下高壓旋噴管至孔底，先噴射1 min漿液后，再按設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和提升速度自下而上噴射注漿。

（4）噴射注漿前要檢查高壓設(shè)備和管路系統(tǒng)。設(shè)備的壓力和排量必須滿足設(shè)計(jì)要求，管路系統(tǒng)的密封圈必須良好，各通道和噴嘴內(nèi)不得有雜物。

（5）噴射注漿過程中，嚴(yán)格控制旋噴壓力、提升速度、旋轉(zhuǎn)速度和噴漿量等技術(shù)指標(biāo)。應(yīng)重點(diǎn)觀察冒漿情況，以及時(shí)了解土層變化情況、噴射注漿的大致效果和噴射參數(shù)是否合理。采用單管噴射注漿時(shí)，根據(jù)地勘報(bào)告可知，該粗砂礫石層滲透系數(shù)為6×10-3cm/s，故冒漿量小于注漿量20%為正?，F(xiàn)象，超過20%或完全不冒漿時(shí)，應(yīng)查明原因并采取相應(yīng)措施。若因地層中有較大空隙引起的不冒漿，可在漿液中摻加適量速凝劑或增大注漿量；如冒漿過大，可減少注漿量或加快提升和回轉(zhuǎn)速度，也可縮小噴嘴直徑，提高噴射壓力。并做好現(xiàn)場記錄。

（6）送漿要均勻。如在噴射注漿過程中鉆頭被堵塞、鉆機(jī)和高壓泵等出現(xiàn)故障而被迫停機(jī)或發(fā)現(xiàn)停噴應(yīng)立即處理；修鉆機(jī)時(shí)，應(yīng)將送漿管等機(jī)具中的余漿用清水沖洗干凈，以免造成下次旋噴時(shí)管路堵塞；再次噴漿時(shí)，重復(fù)搭接長度≮1 m，以防斷樁。

（7）注漿完畢，若發(fā)現(xiàn)樁頂部位脫空較大，可在原孔位采用冒漿回灌或二次注漿等措施處理。

4 高壓旋噴樁隔水施工效果

為保證高壓旋噴樁質(zhì)量，在施工期間和施工結(jié)束后，對8號樓南側(cè)旋噴樁進(jìn)行開挖檢查，開挖后成樁直徑在600～700 mm，與設(shè)計(jì)尺寸吻合，噴射注漿體相互咬合良好，有效樁徑內(nèi)水泥含量均勻無夾塊現(xiàn)象，證明隔水帷幕止水效果良好。

5 結(jié)論

通過對太原萬達(dá)廣場A 2區(qū)商住樓工程項(xiàng)目基坑隔水帷幕施工可得出如下結(jié)論：

（1）隔水帷幕施工穿越滲透系數(shù)良好、徑流補(bǔ)給明顯的粗砂礫石地層時(shí)，深層攪拌樁無法施工，可采用高壓旋噴樁進(jìn)行施工。

（2）粗砂礫石地層對高壓旋噴樁隔水帷幕施工技術(shù)要求較高，為保證樁體質(zhì)量，需要有明確的技術(shù)要求和質(zhì)量保證措施，同時(shí)施工結(jié)束后要對高壓旋噴樁進(jìn)行隔水效果檢查。

（3）工程實(shí)踐證明，高壓旋噴技術(shù)對粒徑大、質(zhì)地堅(jiān)硬、徑流補(bǔ)給明顯的粗砂礫石層中的隔水帷幕施工有較高的應(yīng)用價(jià)值，能夠較好地解決穿越石渣料等大顆粒地層的難題，是一種施工方便、工期短、效果明顯的隔水手段，在水量豐富的大顆粒地層可充分應(yīng)用。