潛噴注漿樁在復(fù)雜地層截水帷幕中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曹 巍,白永明，羅 曦，呂 軍,張非凡,張 勛

（1.北京榮創(chuàng)巖土工程股份有限公司，北京100085；2.北京中鐵十二局集團(tuán)有限公司，北京 100085）

0 引 言

地下空間技術(shù)不斷發(fā)展，基坑工程日益加深，地下水控制問(wèn)題已經(jīng)成為制約其質(zhì)量與安全的決定性因素。傳統(tǒng)降水方案對(duì)地下水資源造成極大的浪費(fèi)，且因水位下降引發(fā)的地面沉降等次生災(zāi)害，影響和破壞是深遠(yuǎn)的。隨著各地區(qū)地下水控制政策的出臺(tái)，截水帷幕的地下水控制方法興起并在基坑工程中廣泛應(yīng)用。大量的工程實(shí)踐證明，截水帷幕是一種可行又不浪費(fèi)和污染地下水資源的優(yōu)選方法。常見(jiàn)的截水帷幕可分為墻式和樁式，分別以地下連續(xù)墻和高壓旋噴樁為典型代表。前者整體截水效果好，但施工難度大、造價(jià)高；后者多采用高壓旋噴樁技術(shù)，與鉆孔灌注樁咬合搭接形成的“截水+支護(hù)”聯(lián)合體，相對(duì)經(jīng)濟(jì)和高效。

深層攪拌樁（水泥土墻）截水效果尚可，但一般適用于軟土地層，在巨厚砂層、卵礫石等復(fù)雜地層無(wú)法施工；高壓注漿目前作為防滲堵漏手段較為常見(jiàn)，但在截水帷幕中應(yīng)用較少。

傳統(tǒng)的高壓旋噴樁工法應(yīng)用較廣的有單管法、雙管法及三重管法，此類(lèi)工法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和工藝都比較簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、使用范圍較廣；不足之處是其在復(fù)雜地層中成孔困難，需采用其他設(shè)備引孔后再進(jìn)行旋噴注漿，施工效率低，成孔垂直度偏差較大，引孔后孔壁易坍塌，且有注漿盲區(qū)，從而導(dǎo)致截水效果較差[1]。

潛孔沖擊高壓噴射注漿樁技術(shù)是將潛孔沖擊工藝與高壓噴射工藝進(jìn)行有機(jī)組合，可在深厚砂層、卵礫石層、碎石層、拋石層等地層中順利成孔并一次性噴射高壓漿液，可解決在復(fù)雜地層中施工截水帷幕的難題。該工藝成樁質(zhì)量好、施工效率高、截水效果好、節(jié)能環(huán)保、造價(jià)較低[2]。

1 技術(shù)原理及工藝流程

1.1 技術(shù)原理

潛孔沖擊高壓噴射注漿樁技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)DJP）是利用潛孔錘高頻振動(dòng)作用和高壓水、氣動(dòng)能共同沖擊破壞土體，然后通過(guò)鉆桿帶動(dòng)噴射口旋轉(zhuǎn)、提升，將高壓噴射的水泥漿液與土體充分混合形成水泥土固結(jié)體的技術(shù)。由該工法形成的水泥土樁體稱(chēng)為潛孔沖擊高壓噴射注漿樁[3]（簡(jiǎn)稱(chēng)潛噴注漿樁），見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 DJP成孔示意圖Fig.1 DJP hole drilling

圖2 DJP噴漿示意圖Fig.2 DJP jet grouting

潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝的原理是多種機(jī)理共同作用。首先沖擊鉆頭沖擊下沉過(guò)程中沖擊器頭部噴出大量高壓空氣，在地層深處頻繁產(chǎn)生氣爆，同時(shí)鉆頭產(chǎn)生高頻振動(dòng)沖擊。氣爆作用可以有效的破壞土體結(jié)構(gòu)，加大旋噴樁的旋擴(kuò)直徑，從而加大旋噴樁的截水范圍；高頻振動(dòng)可以將土體和水分結(jié)合并液化，形成流塑狀態(tài)，高壓水泥漿注入后，高頻振動(dòng)起到振搗作用，使水泥漿和流塑狀態(tài)土體結(jié)合更均勻，形成良好的水泥土截水結(jié)構(gòu)；沖擊器上部高壓水射流可進(jìn)一步切割土體，保證土體與水泥漿充分的結(jié)合。高壓水、高壓氣、高頻振動(dòng)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)機(jī)理，使周?chē)馏w迅速軟化，處于一種流塑狀態(tài)，在高壓泵轉(zhuǎn)化為噴射高壓水泥漿后，這種流塑狀態(tài)的土和水泥漿充分混合，形成直徑較大、水泥土均勻的截水帷幕樁[4]。

由潛孔沖擊高壓噴射注漿體樁相互咬合或與支護(hù)樁相互咬合，形成的具有阻止地下水從側(cè)向或底面進(jìn)入基坑的連續(xù)阻水體，稱(chēng)為潛孔沖擊高壓噴射注漿體樁截水[3]。

1.2 施工工藝流程及工藝參數(shù)

DJP工法施工工藝流程如圖3所示，DJP水泥土樁施工工藝參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 DJP水泥土樁施工工藝參數(shù)Table 1 Construction parameters of DJP cement soil pile

圖3 DJP工法施工工藝流程圖Fig.3 Flow chart of DJP construction process

2 工程應(yīng)用案例

2.1 拋填石復(fù)雜地層截水帷幕應(yīng)用案例

（1）工程概況

大連恒力維多利亞公館項(xiàng)目，位于大連市東港商務(wù)區(qū)，包括4棟超高層建筑及其裙樓，總占地面積約為71 400 m2，地上為公寓68層，裙樓4層，地下3層停車(chē)場(chǎng)，總建筑面積332 425 m2。距離海邊僅800 m，基坑最大開(kāi)挖深度13.60 m。

該場(chǎng)地為新近填海區(qū)，開(kāi)挖范圍內(nèi)：①素填土回填時(shí)間1年以上，主要由粉土及碎石組成，碎石成分多為石英巖、板巖，含量40%左右，粒徑15～50 cm，大者可達(dá)100～150 cm，呈棱角狀，均勻性差，可壓縮性強(qiáng)；⑦中風(fēng)化板巖巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。地下水位標(biāo)高為1.10～5.20 m ，因地下水與海水相連，水位受海水潮汐影響較大。典型地層剖面如圖4所示。

圖4 典型地層剖面圖Fig.4 Typical stratigraphic profile

原設(shè)計(jì)采用素混凝土樁加旋噴樁（三重管工藝）形成聯(lián)合截水體系。因地層障礙物影響，旋噴樁樁位偏差較大，垂直度、樁長(zhǎng)、樁徑等重要參數(shù)均無(wú)法保證，截水效果較差。后雖采用多種補(bǔ)救方式均不能有效降低水位，造成工程停滯近1年，給建設(shè)方帶來(lái)近億元損失。原截水體系如圖5所示。

圖5 原截水體系示意圖Fig.5 Schematic diagram of original water cutoff system

考慮到截水效果，補(bǔ)強(qiáng)帷幕樁設(shè)置于支護(hù)樁與原截水體系素混凝土樁之間最為經(jīng)濟(jì)有效，但由于地層原因，已施工兩種樁的垂直度偏差較大，樁體擴(kuò)徑情況較為嚴(yán)重，成樁及其垂直度、樁徑問(wèn)題成為制約本設(shè)計(jì)的主要瓶頸。結(jié)合潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多次專(zhuān)家論證及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定該項(xiàng)目截水帷幕采用DJP工藝進(jìn)行施工，可以解決施工難題，滿(mǎn)足設(shè)要求。

（2）設(shè)計(jì)方案及施工參數(shù)

a）設(shè)計(jì)方案

DJP工法截水帷幕樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)25.5 m，樁徑不小于700 mm，樁端進(jìn)入中風(fēng)化板巖。見(jiàn)圖6所示。

圖6 截水帷幕樁平面布置圖Fig.6 Layout of water cutoff pile

b）施工參數(shù)詳見(jiàn)表2所示。

表2 施工參數(shù)表Table 2 Construction parameters

c）現(xiàn)場(chǎng)施工效果對(duì)比

原截水體系施工后，截水效果不佳，基坑無(wú)法下挖。如圖7所示。

圖7 原截水體系施工后基坑無(wú)法開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.7 Foundation pit can’t be excavated after using original water cutoff system

采用DJP技術(shù)施工的截水帷幕樁，截水效果較好，基坑開(kāi)挖至坑底后達(dá)到了基坑內(nèi)干槽作業(yè)的目的。如圖8所示。

圖8 DJP截水帷幕樁施工后開(kāi)挖至基底現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.8 Excavated to the basement after DJP water cutoff was constructed

d）檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)檢驗(yàn)，水泥土樁樁身滲透系數(shù)為 2.26×10?8cm/s，滲透性低，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)截水要求。

2.2 泥卵入灰?guī)r復(fù)雜地層樁間截水帷幕應(yīng)用案例

（1）工程概況

濟(jì)南地鐵R3號(hào)線(xiàn)孟家莊站項(xiàng)目位于山東省濟(jì)南市錦屏家園小區(qū)以西，為地下雙層島式車(chē)站。車(chē)站底板埋深約17.69 m，頂板覆土約2.63～3.93 m，采用明挖法施工。本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐體系。截水結(jié)構(gòu)采用樁間旋噴樁截水+坑內(nèi)排水的方案。

本工程基坑范圍內(nèi)的土體主要為素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、碎石土，局部為全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖及中風(fēng)化灰?guī)r。車(chē)站鉆探深度范圍內(nèi)揭露地下水為上層滯水，無(wú)穩(wěn)定地下水位，雨水下滲補(bǔ)給，下部巖石層相對(duì)隔水；局部地區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，且彼此連通，導(dǎo)水性強(qiáng)。典型地層剖面圖如圖9所示。

圖9 典型地層剖面圖Fig.9 Typical stratigraphic profile

擬建項(xiàng)目地層差異性較大，帷幕樁樁身大部分位于碎石及強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化巖層中，且受地下水影響。傳統(tǒng)旋噴工藝（多重管）無(wú)法直接成孔，即使采用引孔后再?lài)姖{，由于其噴漿壓力低（≤25 MPa）、成樁機(jī)理簡(jiǎn)單，在該復(fù)雜地質(zhì)情況下成樁直徑也無(wú)法保障，對(duì)樁周風(fēng)化巖層孔隙無(wú)法起到滲透加固的作用。此外，項(xiàng)目最大施工樁長(zhǎng)約30.0 m，引孔鉆進(jìn)過(guò)程鉆桿偏斜較大，垂直度無(wú)法保證，影響帷幕樁體咬合。經(jīng)過(guò)技術(shù)比對(duì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定本工程的截水帷幕采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝。

（2）設(shè)計(jì)方案及施工參數(shù)

a）設(shè)計(jì)方案

為防止施工降水對(duì)錦屏家園小區(qū)產(chǎn)生沉降等不良影響，設(shè)計(jì)在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及降水井外側(cè)采用截水帷幕，截水帷幕形式為落底式截水帷幕，以有效切斷基坑內(nèi)外的地下水聯(lián)系，截水帷幕采用單排潛噴注漿樁。根據(jù)地勘報(bào)告，基坑底中風(fēng)化石灰?guī)r為隔水層，標(biāo)準(zhǔn)段截水采用Ф800@1 300旋噴樁，盾構(gòu)井段采用 Ф800@1 200旋噴樁，旋噴樁樁長(zhǎng)16.0～30.0 m，樁底與圍護(hù)樁樁底同標(biāo)高（要求進(jìn)入不透水層不小于1 m），截水帷幕高出施工期間抗浮水位1 m。

b）施工參數(shù)詳見(jiàn)表3所示。

表3 施工參數(shù)表Table 3 Construction parameters

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工效果

施工完成后進(jìn)行了基槽的開(kāi)挖，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)開(kāi)挖3根旋噴樁檢測(cè)成樁質(zhì)量。經(jīng)對(duì)帷幕樁進(jìn)行剝露檢查，顯示旋噴樁與護(hù)坡樁咬合緊密，有效搭接防止了外側(cè)水的進(jìn)入。開(kāi)挖后樁徑均≥1 000 mm，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)，樁身強(qiáng)度為3 MPa，符合設(shè)計(jì)要求；抗?jié)B強(qiáng)度滿(mǎn)足水泥土樁樁身滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s的設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)成樁效果檢測(cè)情況如圖10所示。

圖10 DJP工法成樁效果開(kāi)挖檢測(cè)Fig.10 Excavation inspection of pile by using DJP construction method

本項(xiàng)目采用DJP工法施工截水帷幕，基坑開(kāi)挖至槽底，側(cè)壁無(wú)滲漏，截水效果良好，DJP工法在泥卵礫石及強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化巖層等復(fù)雜地層條件下施工截水帷幕的優(yōu)勢(shì)以及較高的施工質(zhì)量得到體現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)土方開(kāi)挖后樁間咬合情況如圖 11所示（紅色圖框內(nèi)為潛噴注漿樁）。

圖11 截水帷幕施工后開(kāi)挖樁間咬合情況Fig.11 Occlusion between excavation piles after using water cutoff system

2.3 巨厚砂層樁間截水帷幕應(yīng)用案例

（1）工程概況

北京城市副中心C5機(jī)關(guān)配送中心項(xiàng)目，建筑面積約12 000 m2，南側(cè)鄰近綜合管廊，C5工程基坑與綜合管廊基坑合槽開(kāi)挖，C5基坑開(kāi)挖深度為20.2 m，為一級(jí)基坑。本項(xiàng)目基坑北側(cè)為堡辛新村回遷住宅樓6號(hào)、7號(hào)住宅樓，地上20層地下2層，采用天然地基，基底標(biāo)高為14.67 m。北側(cè)支護(hù)邊界距離 6號(hào)住宅樓約 8.0 m，距離 7號(hào)住宅樓約25.0 m，距西北側(cè)磚混樓約30 m?；娱_(kāi)挖上口線(xiàn)距離北側(cè)小區(qū)圍墻最小距離不足1.0 m。

由于該工程北側(cè)緊鄰高層住宅，地層主要為巨厚細(xì)砂-中砂層，地下水含量豐富，分布較為復(fù)雜，該區(qū)域?qū)τ诨娱_(kāi)挖后截水阻砂的要求非常高。傳統(tǒng)工藝在該地層樁間進(jìn)行截水帷幕施工可靠性不高，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定該項(xiàng)目樁間截水帷幕采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝。典型地層剖面圖如圖12所示。

圖12 典型地層剖面圖Fig.12 Typical stratigraphic profile

（2）設(shè)計(jì)方案及施工參數(shù)

a）設(shè)計(jì)方案

基坑采用封底式截水帷幕設(shè)計(jì)，基坑北側(cè)采用支護(hù)樁與旋噴樁聯(lián)合截水帷幕，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)30 m，樁徑1 200 mm，與支護(hù)樁搭接400 mm；西側(cè)采用旋噴樁自咬合截水帷幕，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng) 30 m，樁徑1 000 mm，搭接350 mm，樁端位于⑥2粉質(zhì)黏土隔水層。詳見(jiàn)圖13。

圖13 北側(cè)截水帷幕樁平面布置圖Fig.13 Layout plan of water cutoff piles on north side

b）施工參數(shù)詳見(jiàn)表4所示。

表4 施工參數(shù)表Table 4 Construction parameters

c）現(xiàn)場(chǎng)施工效果

開(kāi)工前進(jìn)行試樁，開(kāi)挖后帷幕樁直徑達(dá)1 300 mm。詳見(jiàn)圖14所示。

圖14 試樁開(kāi)挖效果Fig.14 Pile examination after excavation

本項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜，采用DJP工法施工截水帷幕樁，周邊鄰近建筑物未受帷幕樁施工影響。截水帷幕施工完成后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，挖深20.2 m，經(jīng)過(guò)對(duì)帷幕樁剝露檢查，水泥土樁與支護(hù)樁咬合緊密，有效阻止了外側(cè)地下水的進(jìn)入，基坑側(cè)壁無(wú)滲漏，截水效果良好?；娱_(kāi)挖后樁間咬合情況如圖15所示。

圖15 截水帷幕現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.15 Photograph of water cutoff system

現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)對(duì)帷幕樁進(jìn)行取芯，取芯效果良好，芯體完整連續(xù)，水泥土均勻度高。帷幕截水樁抽芯情況如圖16所示。

圖16 帷幕樁抽芯情況Fig.16 Core examination of water cutoff piles

芯樣檢測(cè)結(jié)果顯示，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.4 MPa，符合樁身水泥土強(qiáng)度不小于0.8 MPa的設(shè)計(jì)要求；水泥土抗?jié)B強(qiáng)度最大值為2.14×10?8cm/s，滿(mǎn)足水泥土樁樁身滲透系數(shù)小于 1×10?7cm/s的設(shè)計(jì)要求。

2.4 大粒徑密實(shí)卵石層樁間截水帷幕應(yīng)用案例

（1）工程概況

東城區(qū)第一人民醫(yī)院異地遷建項(xiàng)目位于北京市東城區(qū)永外定安里，東臨定安里11號(hào)、13號(hào)住宅樓，南臨北京益華食品廠(chǎng)，西臨規(guī)劃定安里中路，北臨劉家窯路。擬建醫(yī)院由一棟綜合樓組成，地上6～7層，裙樓地上3～4層，建筑高度不超過(guò)40 m，配套設(shè)施地上1～2層，均設(shè)4層地下室，基礎(chǔ)埋深-23.3 m，本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+錨桿體系。

本工程基坑范圍內(nèi)的土體主要為雜填土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、卵石層。初見(jiàn)水位埋深 22.00～22.60 m，絕對(duì)標(biāo)高18.28～18.45 m，穩(wěn)定水位埋深21.00～22.10 m，絕對(duì)標(biāo)高18.95～19.30 m，主要賦存于⑤卵石層中，水量較大。典型地層剖面如圖17所示。

圖17 典型地層剖面圖Fig.17 Typical stratigraphic profile

本工程截水帷幕樁成樁地層為卵石層，一般粒徑2～6 cm，最大粒徑將近50 cm，中粗砂充填，局部為圓礫，該層厚度為10.50～16.80 m。傳統(tǒng)高壓旋噴設(shè)備在該地層中無(wú)法直接成孔，需采用套管跟進(jìn)引孔作業(yè)后，再進(jìn)行管內(nèi)噴漿。引孔施工垂直度偏差較大，套管跟進(jìn)作業(yè)難度較高，且工效低，由于套管內(nèi)噴漿，樁徑無(wú)法保證。針對(duì)該地質(zhì)條件，本工程采用DJP工法，利用潛孔錘在高壓空氣驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的沖擊效能來(lái)進(jìn)行沖擊破碎，同時(shí)，由高壓泵向噴嘴提供高壓水來(lái)進(jìn)行切割土體，達(dá)到鉆進(jìn)作業(yè)目的，成孔后一體化高壓注漿，在確保樁徑和垂直度的情況下完成成樁作業(yè)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工法試驗(yàn)及抽芯取樣檢測(cè)，最終確定該項(xiàng)目的樁間截水帷幕采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝。

（2）設(shè)計(jì)方案及施工參數(shù)

a）設(shè)計(jì)方案

本工程截水結(jié)構(gòu)采用樁間旋噴樁截水（懸掛式截水帷幕）加坑內(nèi)排水的方案。

帷幕樁樁長(zhǎng) 35.5 m，樁徑為 1.2 m，上部20.0 m為空孔部分，下部15.5 m為實(shí)樁部分。

b）施工參數(shù)詳見(jiàn)表5所示。

表5 施工參數(shù)表Table 5 Construction parameters

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工效果

開(kāi)挖至卵石地層，護(hù)坡樁樁間截水帷幕樁暴露清晰，樁徑均勻，尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本項(xiàng)目截水帷幕施工完成后，基坑開(kāi)挖至槽底，側(cè)壁無(wú)滲漏，截水效果良好，DJP工法在富水密實(shí)卵石地層條件下施工截水帷幕的優(yōu)勢(shì)以及較高的施工質(zhì)量得到體現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況見(jiàn)圖 18所示（紅色圖框內(nèi)為潛噴注漿樁）。

圖18 樁間DJP截水帷幕樁開(kāi)挖效果圖Fig.18 Photograph of DJP water cutoff piles

芯樣檢測(cè)結(jié)果顯示，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于8.2 MPa，符合樁身水泥土強(qiáng)度不小于0.8 MPa的設(shè)計(jì)要求；水泥土抗?jié)B強(qiáng)度最大值為2.7×10?8cm/s，滿(mǎn)足水泥土樁樁身滲透系數(shù)小于 1×10?7cm/s的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

工程實(shí)踐表明：DJP工法可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)噴漿一體化，樁身垂直度偏差小、樁體直徑有保證、樁身均勻、截水效果良好。同時(shí)施工效率高、造價(jià)合理、返漿量少、對(duì)周邊環(huán)境的影響小、綠色環(huán)保。潛孔沖擊高壓噴射注漿體樁工藝用作截水帷幕，在拋填石、泥卵入灰?guī)r、巨厚砂、大粒徑密實(shí)卵石等各種復(fù)雜地層中截水帷幕的成功應(yīng)用，證明其廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣應(yīng)用。