沿海地區(qū)高壓旋噴樁止水施工技術(shù)

方忠新 龔 輝 張 瑩 張建軍

中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司 湖北襄陽(yáng) 441100

高壓旋噴注漿法始創(chuàng)于日本，它是在化學(xué)注漿法的基礎(chǔ)上，采用高壓水射流切割技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。高壓噴射注漿，就是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層預(yù)定的深度后，以20M～40MPa 的壓力把漿液或水從噴嘴中噴射出來(lái)，形成噴射流沖擊破壞土層。當(dāng)能量大、速度和脈動(dòng)狀的射流動(dòng)壓大于土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土顆粒便從土層中剝落下來(lái)；一部分細(xì)顆粒隨漿液或水冒出地面，其余土粒在射流的沖擊力、離心力和重力等力的作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小，有規(guī)律地重新排列；漿液凝固后，便在土層中形成一個(gè)固結(jié)體。由多個(gè)高壓噴射注漿固結(jié)形成一個(gè)整體，可作為既有建筑和新建建筑的地基加固、防滲處理之用，也可作為基礎(chǔ)防滲之用，還可作為施工中的臨時(shí)措施（如深基坑側(cè)壁擋土或擋水），也同樣適用于石油、化工、冶金、電力等行業(yè)中涉及沿海地區(qū)受潮汐影響的地下高水位開(kāi)挖施工作業(yè)環(huán)境。

這種施工方法可以使被加固區(qū)域形成一個(gè)整體，提高地基的抗剪強(qiáng)度，改善土體的變形性質(zhì)，從而保證了原有建筑物基礎(chǔ)下土體的穩(wěn)定性，亦保證了基礎(chǔ)的穩(wěn)定。筆者以某煉化一體化項(xiàng)目一期工程地下管網(wǎng)深基坑開(kāi)挖為例，闡述沿海地區(qū)高壓旋噴樁止水施工技術(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程地點(diǎn)

中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司承建的某石化煉化一體化項(xiàng)目一期工程——煤焦制氣氣化項(xiàng)目、凈化項(xiàng)目及空分空壓項(xiàng)目地下管網(wǎng)工程位于海島上。項(xiàng)目于2017 年8 月開(kāi)工，2019 年11 月交工。

1.2 項(xiàng)目場(chǎng)地情況

該工程在填海區(qū)域范圍內(nèi)，根據(jù)巖土工程勘察技術(shù)報(bào)告書，施工范圍內(nèi)地基土土層特性如下：

（1）回填土（Q4ml）：主要為開(kāi)山區(qū)碎石、塊石，一般粒徑200～600mm，最大粒徑約2000mm。該層的厚度根據(jù)堆載前直接鉆探鉆孔的高程數(shù)據(jù)結(jié)合堆載前后場(chǎng)地的高程計(jì)算而來(lái)。

（2）吹填土（Q4ml）：該層普遍分布。此層堆載時(shí)被擠壓和開(kāi)山碎石已混為一層。

（3）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（Q4m）：灰色，流塑，其層理或鱗片狀構(gòu)造，中間夾少量粉砂，含少量貝殼碎屑，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，搖振無(wú)反應(yīng)，高壓縮性。該層在場(chǎng)地普遍分布。

（4）地下水類型：根據(jù)地下水賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，本工程場(chǎng)地地下水為孔隙潛水。孔隙潛水賦存于場(chǎng)地淺部的粘性土、粉砂及素填土中，主要受大氣降水補(bǔ)給及海水潮汐影響，地下穩(wěn)定水位標(biāo)高為+1.7m。具體如圖1 所示（以原始地面高程4.8m 為±0.000），土層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)土石方情況及水位示意圖

表1 土層參數(shù)表

因原始地面標(biāo)高為+4.8m，海水系統(tǒng)管道（DN2600）中心標(biāo)高為+1.5m，管支架高200mm，承臺(tái)高500mm，墊層100mm，故承臺(tái)墊層底標(biāo)高為- 0.6m。在不漲潮的情況下水深2.3m 左右。

1.3 實(shí)物工程量

本工程主要針對(duì)DN2600 海水管道，管道規(guī)格為：Φ2642×22.2mm，材質(zhì)為Q235B，長(zhǎng)度約1350m。

1.4 施工方案的確定

傳統(tǒng)的大開(kāi)挖強(qiáng)排或鋼板樁止水的方法，要么放坡系數(shù)大，周邊需要卸載土方，存在坍塌和傾斜的風(fēng)險(xiǎn)；要么滲漏多，止水效果較差。而采用高壓旋噴樁止水相當(dāng)于在管道周邊設(shè)置一道混凝土墻，止水效果好，既可消除深基坑坍塌的安全隱患，又可縮短工期。根據(jù)島上實(shí)際情況及其他兄弟單位地下部分施工情況，本工程選用高壓旋噴樁止水，注漿管選用二重管旋噴法。

2 高壓旋噴樁的工藝原理

2.1 工藝原理

高壓噴射注漿法是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)土層的預(yù)定位置后，用高壓設(shè)備使?jié){液成為20M～40MPa 的高壓射流從噴嘴中噴射出來(lái)，沖切、擾動(dòng)、破壞土體；同時(shí)，鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合；漿液凝固后，在土中形成一個(gè)圓柱狀固結(jié)體（即旋噴樁），以達(dá)到加固地基或止水防滲的目的。圖2 為旋噴法示意圖。

圖2 旋噴法示意圖

噴射注漿法的加固半徑與許多因素有關(guān)，包括噴射壓力、提升速度、被加固土的抗剪強(qiáng)度、噴嘴直徑和漿液稠度。加固范圍與噴射壓力、噴嘴直徑成正比，與提升速度、土的抗剪強(qiáng)度和漿液稠度成反比。加固體強(qiáng)度與單位加固體中的水泥摻入量和土質(zhì)有關(guān)。

2.2 成樁機(jī)理

高壓噴射注漿的成樁機(jī)理具有以下四種作用：

（1）高壓噴射流切割破壞土體作用。噴射流動(dòng)壓以脈沖形式?jīng)_擊破壞土體，使土體出現(xiàn)空穴，產(chǎn)生裂隙擴(kuò)張。

（2）混合攪拌作用。鉆桿在旋轉(zhuǎn)提升過(guò)程中，在射流后部形成空隙，在噴射壓力下，迫使土粒向著與噴嘴移動(dòng)方向相反的方向（即阻力小的方向）移動(dòng)，與漿液攪拌混合形成新的結(jié)構(gòu)。

（3）充填、滲透固結(jié)作用。高壓水泥漿迅速充填沖開(kāi)的溝槽和土粒的空隙，析水固結(jié)，還可滲入砂層一定厚度而形成固結(jié)體。

（4）壓密作用。高壓噴射流在切割破碎土層過(guò)程中，在破碎部位邊緣還有剩余壓力，并對(duì)土層可產(chǎn)生一定壓密作用，使旋噴樁體邊緣部分的抗壓強(qiáng)度高于中心部分，如圖3 所示。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

高壓旋噴樁施工工藝流程如圖4 所示。

圖4 高壓旋噴樁施工工藝流程圖

3.1 施工前準(zhǔn)備工作

（1）在設(shè)計(jì)文件提供的各種技術(shù)資料的基礎(chǔ)上作補(bǔ)充工程地質(zhì)勘探，進(jìn)一步了解擬施工地點(diǎn)地基土的性質(zhì)、埋藏條件。

（2）準(zhǔn)備充足的水泥加固料和水。水泥的品種、規(guī)格、出廠時(shí)間要經(jīng)試驗(yàn)室檢驗(yàn)符合國(guó)家規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，并有質(zhì)量合格證。嚴(yán)禁使用過(guò)期、受潮、結(jié)板、變質(zhì)的加固料。一般水泥為Po42.5 普通硅酸鹽水泥。水要干凈，酸堿度適中，pH 值在5～10 之間。

（3）根據(jù)補(bǔ)充勘探資料，在選擇的試驗(yàn)工點(diǎn)加固范圍內(nèi)的各代表性地層用薄壁取土器采取必需數(shù)量的原狀土送試驗(yàn)室，土樣在進(jìn)行試驗(yàn)之前應(yīng)妥善保存，使土樣的物理和化學(xué)性能盡可能保持不變。

（4）室內(nèi)配合比試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的噴漿量或現(xiàn)場(chǎng)土樣情況，按不同含水量設(shè)計(jì)并調(diào)整幾種配合比，通過(guò)在室內(nèi)將現(xiàn)場(chǎng)采取的土樣進(jìn)行風(fēng)（烘）干、碾碎，過(guò)2～5mm 篩的粉狀土樣，并按設(shè)計(jì)噴漿量、水灰比攪拌、養(yǎng)護(hù)、力學(xué)試驗(yàn)確定施工噴漿量、水灰比。一般水灰比可取1.0～1.5。為改善水泥土的性能，如防沉淀性能和提高強(qiáng)度，可適當(dāng)摻入木質(zhì)素磺硫鈣、石膏、三乙醇胺、氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈉、陶土和堿等外摻劑。若試驗(yàn)之前土樣的含水量發(fā)生了變化，應(yīng)調(diào)整為天然含水量。

（5）試樁試驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定的施工噴漿量、水灰比制備水泥漿液，在試驗(yàn)工點(diǎn)打設(shè)數(shù)根試樁，并根據(jù)試樁結(jié)果，調(diào)整加固料的噴漿量，確定攪拌機(jī)提升速度、攪拌軸回轉(zhuǎn)速度、噴入壓力和停漿面等施工工藝參數(shù)。

（6）推土機(jī)、挖掘機(jī)配合自卸汽車清除地表0.3m厚的種植土、雜物，并將原地面按設(shè)計(jì)要求整平，填出路拱。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，施工臨時(shí)排、截水設(shè)施，并在施工范圍以外開(kāi)挖廢泥漿池，以及施工孔位至泥漿池間的排漿溝。

（7）按設(shè)計(jì)要求完成施工放樣，用木樁定出樁位，用白石灰做出明顯標(biāo)識(shí)。

3.2 測(cè)量定位

依據(jù)控制樁和設(shè)計(jì)圖，準(zhǔn)確定位旋噴樁的孔位。

3.3 鉆機(jī)就位

鉆機(jī)就位后，對(duì)樁機(jī)進(jìn)行調(diào)平、對(duì)中，調(diào)整樁機(jī)的垂直度，保證鉆桿應(yīng)與樁位一致，偏差應(yīng)在10mm 以內(nèi)，鉆孔垂直度誤差小于1.5%；鉆孔前應(yīng)調(diào)試空壓機(jī)、泥漿泵，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常；校驗(yàn)鉆桿長(zhǎng)度，保證孔底標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)深度，如圖5 所示。

圖5 測(cè)量定位、管溝開(kāi)挖、鉆機(jī)就位

3.4 制備水泥漿

樁機(jī)移位后，即開(kāi)始按設(shè)計(jì)確定的配合比拌制水泥漿。首先將水加入桶中，再將水泥和外加劑倒入，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)攪拌10～20min；而后擰開(kāi)攪拌桶底部閥門，放入一道篩網(wǎng)（孔徑為0.8mm），過(guò)濾后流入漿液池；然后通過(guò)泥漿泵抽進(jìn)第二道過(guò)濾網(wǎng)（孔徑為0.8mm），第二次過(guò)濾后流入漿液桶中，備用。

3.5 插管

當(dāng)采用旋噴注漿管進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，鉆孔和插管兩道工序可合二為一。當(dāng)?shù)谝浑A段貫入土中時(shí)，可借助噴射管本身的噴射和震動(dòng)貫入。其過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)鉆機(jī)，同時(shí)開(kāi)啟高壓泥漿泵低壓輸送水泥漿液，使鉆桿沿導(dǎo)向架振動(dòng)、射流成孔下沉，直到樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高，觀察工作電流不得大于額定值。

參數(shù)控制：執(zhí)行JGJ 79- 2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定。具體工程參數(shù)控制見(jiàn)表2。

表2 工程參數(shù)控制表

3.6 提升噴漿管、攪拌

噴漿管下沉到設(shè)計(jì)深度后，停止鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)不停，使高壓泥漿泵壓力增到施工設(shè)計(jì)值（20M～40MPa）；坐底噴漿30s 后，邊噴漿，邊旋轉(zhuǎn)，同時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和試樁確定的提升速度提升鉆桿；在達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，接通空壓管，開(kāi)動(dòng)泥漿泵、空壓機(jī)和鉆機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并用儀表控制壓力、流量和風(fēng)量，分別達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)開(kāi)始提升，繼續(xù)旋噴和提升，直至達(dá)到預(yù)期的加固高度后停止。

3.7 樁頭部分處理

當(dāng)旋噴管提升接近樁頂時(shí)，應(yīng)從樁頂以下1.0m 開(kāi)始慢速提升旋噴，旋噴數(shù)秒，再向上慢速提升0.5m，直至樁頂停漿面。

3.8 清洗

向漿液罐中注入適量清水，開(kāi)啟高壓泵，清洗全部管路中殘存的水泥漿，直至基本干凈，并將粘附在噴漿管頭上的土清洗干凈。

3.9 移位

移動(dòng)樁機(jī)進(jìn)行下一根樁的施工。

3.10 補(bǔ)漿

噴射注漿作業(yè)完成后，由于漿液的析水作用，一般均有不同程度的收縮，使固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴。因此，要及時(shí)用水灰比為1.0 的水泥漿補(bǔ)灌。

3.11 土方開(kāi)挖

高壓旋噴樁施工結(jié)束后，進(jìn)行基坑開(kāi)挖。開(kāi)挖前，要定位放線，辦理動(dòng)土作業(yè)票，并了解地下障礙物（如電纜、原有管道等）的分布情況，以免施工時(shí)遭到破壞。采用機(jī)械開(kāi)挖時(shí)的注意事項(xiàng)：

（1）基坑開(kāi)挖時(shí)采取分層施工，在開(kāi)挖過(guò)程中掌握好“分層、分步、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”五個(gè)要點(diǎn)，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則。采用自卸汽車運(yùn)輸。

（2）分段開(kāi)挖的基坑四周或溝槽兩端設(shè)截流溝和排水溝，滲水及雨水及時(shí)泵抽排走。雨季備足排水設(shè)備，做好預(yù)警工作，確?；影踩?/p>

（3）開(kāi)挖過(guò)程中，按既定的監(jiān)測(cè)方案對(duì)基坑及周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以反饋信息指導(dǎo)施工。

（4）開(kāi)挖順序：回填土開(kāi)挖（第一次開(kāi)挖）→開(kāi)挖至水位線→旋噴樁施工槽開(kāi)挖→打旋噴樁→止水（填海泥/ 黃土）→截樁→吹填土開(kāi)挖（第二次開(kāi)挖）→排水、截樁→挖至淤泥層→海沙層/ 淤泥開(kāi)挖(第三次開(kāi)挖) →排水，截樁。循環(huán)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如圖6 所示。

圖6 斷面示意圖

旋噴樁彼此搭接咬合，可形成一道有一定厚度的墻體，止水并加固此區(qū)域。

3.12 基坑排水措施

鑒于本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)地下水位較高，采用止水、導(dǎo)水和排水技術(shù)來(lái)保證施工的順利進(jìn)行。

沿基坑上口兩邊設(shè)350mm×350mm 的截水明溝，防止地表水流向基坑。沿坑底的兩側(cè)挖排水溝進(jìn)行基坑內(nèi)導(dǎo)水，排水溝緊貼旋噴樁施工，斷面取300mm×300mm，坡度為0.5%。集水井隔30m 左右設(shè)置一個(gè)，直徑為0.8m，深度隨挖土的加深適當(dāng)設(shè)置。基坑內(nèi)地下水流入集水井內(nèi)，再用水泵抽出坑外，排入施工現(xiàn)場(chǎng)指定位置。

4 結(jié)論

本工程地下管網(wǎng)開(kāi)挖過(guò)程中采用的高壓旋噴樁止水施工技術(shù)，能夠使灰漿與塘渣結(jié)合密實(shí)，強(qiáng)度高，避免了采用鋼板樁方式止水因鋼板樁傾斜，以及轉(zhuǎn)角或樁之間貼合不嚴(yán)密造成的漏水、底部返水及鋼板樁超期等弊端，大大提高了施工效率，縮短了工期，節(jié)約了成本，減少了交叉作業(yè)，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的效益。

4.1 安全效益

傳統(tǒng)的大開(kāi)挖強(qiáng)排或鋼板樁止水放坡系數(shù)大，周邊需要卸載土方，有坍塌和傾斜的風(fēng)險(xiǎn)；而高壓旋噴樁止水施工相當(dāng)于在基坑周邊設(shè)置一道保護(hù)墻，起到了止水和支護(hù)的雙重作用，且消除了深基坑坍塌的安全隱患。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）工期方面：使用鋼板樁工期為3 個(gè)月，必須形成閉環(huán)，待所有的管施工完后才能拆除鋼板樁；而旋噴樁工期為1 個(gè)月，可以分段形成閉環(huán)，在水位以上隔斷還可以拆除，止水效果好，而且可以有效地減少地下水滲入。特別是存在地下、地上交叉作業(yè)的時(shí)候，旋噴樁影響地上施工作業(yè)面的概率會(huì)降低70%。

（2）材料方面：鋼板樁施工周邊需使用大量海沙進(jìn)行堵漏回填；高壓旋噴樁僅需攪拌桶和泥漿池，投入較少。

（3）人工方面：鋼板樁施工時(shí)需配備足夠的堵漏人員；旋噴樁則不需要額外的人員配合，減少了人員的投入。

（4）機(jī)械方面：鋼板樁施工需配備1 臺(tái)挖機(jī)及渣土車進(jìn)行換填海沙堵漏；旋噴樁只需要投入鉆機(jī)、高壓泵，且設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單。

4.3 質(zhì)量效益

高壓旋噴樁作為深基坑支護(hù)中的止水和地基加固，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量好、形狀可控、施工均勻等顯著特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的利用鋼板樁止水相比，不存在貼合度不好造成的滲漏問(wèn)題，減少了因止水困難導(dǎo)致鋼板樁使用周期長(zhǎng)，而且施工完可直接回填不需要拔樁等工序，真正做到質(zhì)量可控、施工科學(xué)，保證了管道及基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。實(shí)踐證明，在沿海地區(qū)高水位塘渣回填區(qū)域采用高壓旋噴樁止水技術(shù)是可行的、科學(xué)的。