粉砂地質(zhì)條件下頂管基坑圍護結(jié)構(gòu)高壓旋噴樁工藝性試驗分析

韓 忠，徐 鑫，楊漢鳳（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707）

海門市位于江蘇省東南部，東瀕黃海，南倚長江，是由長江泥沙沉積而成的陸地，境內(nèi)河網(wǎng)密布，水系豐沛。海門黑臭水體治理工程主要涉及日新河、宏偉河、通沙河 3 條劣 V 類內(nèi)圩河道，服務(wù)河道總長度約 4 400 m，服務(wù)居民生活范圍總面積約為 370 萬 m2。通過本次治理，短期內(nèi)水質(zhì)達到 IV 類水質(zhì)，遠期達到 III 類水質(zhì)。該工程中截污管道管徑φ2 400 mm，頂管施工的基坑深度為 9.8 ～ 12.2 m，設(shè)計主要采用“灌注樁支護+高壓旋噴止水帷幕”施工工藝。在試驗井中，基坑開挖后發(fā)現(xiàn)有局部滲漏水現(xiàn)象，經(jīng)取芯檢測，存在旋噴樁 7 m 左右以下不成樁問題。現(xiàn)場對旋噴樁施工工藝進行多次工藝性試驗，根據(jù)試驗情況調(diào)整施工工藝及施工參數(shù)，最終工程效果滿足了設(shè)計要求。

1 工程基本情況

海門黑臭水體治理工程中截污管道施工部分在現(xiàn)狀道路下，道路狹窄，交叉路口交通繁忙。設(shè)計總管采用頂管施工，頂管基坑開挖深度 9.8 ～ 12.2 m，基坑采用鉆孔灌注樁加旋噴樁圍護方案。日新路 2 號基坑圍護樁位圖如圖 1所示。

圖1 日新路 RXH 2 號基坑圍護樁位圖

1.1 地質(zhì)條件

本項目止水帷幕深度 16 m 左右，第 1 層雜填土基本挖除，最深達到第 5 層。1 層雜填土，場區(qū)普遍分布，平均厚度 1.50 m；2 層粉質(zhì)黏土夾粉土，場區(qū)普遍分布，平均厚度 1.99 m；3 層粉土夾粉砂，場區(qū)普遍分布，平均厚度 3.89 m；4 層粉砂夾粉土，場區(qū)普遍分布，平均厚度 12.04 m；5層粉土夾粉砂，場區(qū)普遍分布，平均厚度 3.58 m；6-A 層粉砂夾粉土，主要分布在日新路、宏偉路南側(cè)，平均厚度 3.49 m；6 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂，場區(qū)普遍分布，該層未穿透。日新路 RXH 2 號基坑地層描述如表 1 所示。

表1 日新路 RXH 2 號基坑地層描述

1.2 水文條件

根據(jù)勘察結(jié)果及區(qū)域性水文資料，勘察深度范圍內(nèi)地下水類型為孔隙潛水，賦存于第四系全新統(tǒng)沖積層中，主要含水層為粉砂性土。潛水主要受大氣降水垂直補給及地表水體側(cè)向補給，地表水體與地下水呈互補關(guān)系。場地地形平坦，徑流緩慢?？碧狡陂g，現(xiàn)場測量測定地下水穩(wěn)定水位平均1.77 m（標(biāo)高）。水位受降水影響，季節(jié)性變化明顯，年地下水變化幅度 1.0 m 左右。本地區(qū)水文地質(zhì)資料顯示，近幾年最高水位 2.5 m 左右，歷史最高水位 2.8 m。抗浮水位可取歷史最好水位 2.8 m，但不低于室外設(shè)計地面標(biāo)高下 0.5 m。地下水水網(wǎng)貫通，淺層地，基槽開挖較深時，地下水會對基礎(chǔ)施工產(chǎn)生不利影響。

2 旋噴樁施工工藝

旋噴法又稱高壓噴射注漿法，利用鉆機將帶有噴嘴的注漿管鉆至土層的預(yù)定位置或先鉆孔后將注漿管放至預(yù)定位置，以高壓使?jié){液或水從噴嘴中射出，邊旋轉(zhuǎn)邊噴射的漿液，使土體與漿液攪拌混合形成固結(jié)體。旋噴注漿具有強化地基和防漏的作用，因此在基坑工程中常被用來作止水帷幕[1-2]。

旋噴法可分為單管、二重管、三重管等方法。由于單管法采用單層噴射管，僅噴射水泥漿，成樁樁徑較小，故用于地基加固，目前在工程上應(yīng)用較少。二重管法與三重管法應(yīng)用則較為普遍，兩者特點及技術(shù)經(jīng)濟分析對比如表 2 所示。

表2 二重管法與三重管法的工藝比較

高壓旋噴樁施工工藝流程如圖 2 所示。

圖2 高壓旋噴樁施工工藝流程

在本項目中，分別采用了二重管旋噴樁與三重管旋噴樁進行了工藝性試驗。綜合技術(shù)、質(zhì)量、安全和經(jīng)濟分析，最終采用三重管旋噴樁施工工藝作為基坑的止水帷幕。

3 高壓旋噴樁施工工藝性試驗

3.1 試驗場地選擇

旋噴樁固結(jié)體的整體性和均勻性以及固結(jié)體的有效直徑、強度、垂直度是旋噴樁質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是影響旋噴樁防滲性能的關(guān)鍵因素。由于不同的地質(zhì)條件、不同的施工工藝對其質(zhì)量影響較大，而地下施工又無法通過直接觀察驗證，因此需要通過工藝性試驗，即試樁以確定旋噴樁設(shè)計方案的可行性，并以試驗結(jié)果作為設(shè)計、施工的基本依據(jù)。試驗場地的選擇一般應(yīng)考慮以下幾方面的條件。

（1）選取的試驗場地應(yīng)可充分反映實際施工的地質(zhì)條件。

（2）試驗應(yīng)考慮施工條件、機械設(shè)備及人員交通的影響。

（3）試驗可結(jié)合試樁工程的利用，作為工程的一部分，但對試驗工程的利用應(yīng)做好與前后道工序施工的銜接。

綜合考慮上述幾個條件，本工程選取了 RXH 7 號頂管井基坑為試坑，圍護結(jié)構(gòu)中旋噴樁止水帷幕作為試樁。

3.2 兩重管旋噴樁采用 25% 水泥摻量時的試驗情況

2019 年 5 月 28 日，日新路 RXH 7 號坑灌注樁施工完成 28 d 后開始兩重管高壓旋噴樁施工。采用雙排止水樁形式，管徑Φ600 mm，搭接長度 ≥ 200 mm，漿液比重 0.7～ 1.0，水泥摻量 ≥ 25%，提升速度 10 ～ 15 cm/min，鉆桿轉(zhuǎn)速 35 r/min，漿液壓力 ≥ 20 MPa，氣流壓力 ≥ 0.7 MPa。2019 年 6 月 30 日，由于對旋噴樁止水效果估計不足，現(xiàn)場采用了直接進行開挖驗證的方式驗證基坑的止水效果。當(dāng) RXH 7 號坑開挖至 5 m 左右發(fā)現(xiàn)基坑北面出現(xiàn)涌水涌沙現(xiàn)象，其他三面止水效果良好；開挖至 7 m 左右，基坑四面多處出現(xiàn)大面積涌水涌沙。為確?；蛹爸苓吔ㄖ锏陌踩?，及時對基坑進行了回填。

3.3 兩重管旋噴樁采用 35% 水泥摻量時的試驗情況

2019 年 8 月，分別布置在日新路 RXH 2 號坑及宏偉路HWH 28 號坑采用兩重管工藝試樁提高水泥摻量至 35%，漿液比重 ≥ 1.0，提升速度 10 cm/min，鉆桿轉(zhuǎn)速 35 r/min，漿液壓力 ≥ 20 MPa，氣流壓力 ≥ 0.7 MPa。重新進行了地勘，更換了施工機械和隊伍，嚴格施工規(guī)程規(guī)范的要求。根據(jù)施工過程中的情況隨時調(diào)整旋噴壓力和提升速度，在深度較大處加大壓力且放慢提升速度，同步控制漿液的質(zhì)量。成樁 7 d 后通過取芯驗證止水帷幕成樁質(zhì)量。

從取芯芯樣來看，5 m 以上不成樁，5 m 以下局部成樁，第二次試樁依然不能滿足設(shè)計要求。

3.4 三重管旋噴工藝試驗

2019 年 10 月 2 日 ～ 2019 年 10 月 5 日，在宏偉路HWH 28 號坑外，采用三重管高壓旋噴工藝同時試樁 4 根樁，有效樁徑 ≥φ800 mm。4 根樁采取不同的技術(shù)參數(shù)，測定水泥摻量。通過試驗取得最佳的水泥參量及相關(guān)的工藝參數(shù)，如表 3 所示。

表3 1 ～ 4 號試樁技術(shù)參數(shù)表

試樁試驗過程中，嚴格按照既定的施工方案和確定的技術(shù)參數(shù)對作業(yè)人員進行施工前交底，對工序質(zhì)量進行施工中監(jiān)控，對試驗情況進行施工后分析。監(jiān)理人員進行了全過程旁站、記錄和測量。通過試驗，測得的具體水泥參數(shù)如表 4所示。

表4 1～4 號試樁水泥用量統(tǒng)計表

2019 年 10 月 12 日，試樁 7 d 后，對試樁進行取芯，試驗結(jié)果如下。

（1）1 號樁。4.5 ～ 9.0 m 區(qū)段成樁較差，9.5 ～ 10.0 m 成樁良好，10.0 m 以下斷斷續(xù)續(xù)成樁，很難起到止水效果。水泥用量為 12.80 t，驗算出水泥摻量為 55%。

（2）2 號樁。4.0 ～ 6.0 m 成樁很差，9.0 ～ 10.5 m 局部成樁質(zhì)量不好，止水效果較差。該樁有效長度 15 m，直徑為Ф800 mm，水泥用量 5.70 t，驗算出水泥摻量為 35%。

（3）3 號試樁。3.0 ～ 3.5 m，成樁較差，3.5 m 以下成樁良好，可以達到止水效果。該樁有效長度 15 m，直徑為Ф800 mm，水泥用量 9.75 t，驗算出水泥摻量為 48%。

（4）4 號樁。加水玻璃 [0.833∶1∶0.05（水玻璃）]，6.0 m ～ 7.5 m 成樁較差，其他部位成樁良好。該樁有效長度 15 m，直徑為Ф800 mm，水泥用量 6.00 t，驗算出水泥摻量為 37 %。水玻璃用量可根據(jù)用量配比計算。

根據(jù)試樁成果可知，1 號、2 號成樁效果差，3 號、4 號成樁效果較好。

4 原因分析

旋噴樁質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為漿液質(zhì)量差、樁體搭接不到位、樁體強度不滿足要求。分析其原因可知，主要有地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、施工設(shè)備選擇、施工工藝、施工過程管理等方面。對質(zhì)量問題進行具體歸納，如表 5 所示。

表5 高壓旋噴樁常見質(zhì)量問題分析

結(jié)合本工程的情況進行分析可知，主要有以下幾方面的原因。

（1） 地質(zhì)和環(huán)境因素。海門市常年地下水較高，水網(wǎng)貫通，日新路 RXH 7 號坑?xùn)|面為日新河，河床深度 3.5 m 左右。2 ～ 5 層主要為粉土夾粉砂和粉質(zhì)黏土夾粉土及粉砂夾粉土。在試樁時 5 m 以下，由于壓力的增加，水壓、氣壓切割沙土困難。一是漿液不能均勻進入粉土粉沙層，二是影響切割半徑，影響成樁質(zhì)量和搭接長度。豐富的地下水疊加粉土粉沙，較易形成流沙，致使基坑開挖失敗。施工中河面有翻漿現(xiàn)象，也說明了漿液流失嚴重，影響樁體成型（后來河道清淤，發(fā)現(xiàn)河床底散布約 30 cm 的漿塊，面積 60 m2左右），下部為漿液、氣流壓力切割土體不徹底，漿液不能與土體均勻拌和。

（2） 施工過程管理因素。旋噴樁的施工質(zhì)量與過程管理關(guān)系較大。由幾批試樁的質(zhì)量檢測結(jié)果分析可知，同樣采用二重管工藝，在同一區(qū)域，其質(zhì)量仍有差異。施工前期對作業(yè)工人進行的技術(shù)交底和培訓(xùn)，施工過程中對樁體垂直度、鉆桿旋轉(zhuǎn)和提升速度、坑邊環(huán)境監(jiān)測預(yù)控等的管控力度均會影響噴漿均勻性和成樁質(zhì)量。漿管開放與關(guān)閉是否準時，鉆桿提升是否嚴格按照規(guī)定速度且是否為勻速，坑邊存在河流是否導(dǎo)致漿液流失，樁體搭接長度是否滿足要求，避免樁身開叉，監(jiān)理人員在現(xiàn)場是否對各工序施工質(zhì)量進行精細化的過程管控等均對成樁效果、樁身完整性及防滲效果產(chǎn)生直接影響。本工程試驗中，施工人員嚴格按照試驗參數(shù)進行施工，監(jiān)理人員進行全過程旁站監(jiān)控，上述管控關(guān)鍵點都得到了較好的管理。綜合考量試驗全過程，施工過程管理對于樁體質(zhì)量問題的影響較小。

（3）工藝及參數(shù)選擇因素。高壓旋噴樁施工質(zhì)量的好壞不僅受工程類型、噴射地形及地質(zhì)地層條件的影響，更重要的是取決于施工工藝技術(shù)參數(shù)是否得以合理選用。一般情況下，重要工程開工前，根據(jù)工程復(fù)雜程度和地質(zhì)情況，均應(yīng)進行現(xiàn)場工藝性試驗，以取得最佳匹配的符合工程實際情況的施工工藝技術(shù)參數(shù)。本工程所在的海門區(qū)域環(huán)境內(nèi)，地質(zhì)水文條件較為復(fù)雜，經(jīng)過幾次工藝性試驗，判定選擇三重管形式的效果較好，可滿足現(xiàn)場施工需要和成樁質(zhì)量要求，保證樁體防滲效果。二重管形式的試驗在不同地層的成樁效果不同，且整體成樁效果較差，不能滿足現(xiàn)場防滲需求。三重管的技術(shù)參數(shù)確定主要考慮水、氣、漿的壓力及流量，以及噴嘴大小和水量；噴嘴旋轉(zhuǎn)、擺動和提升的速度；漿液配比、相對密度等。

5 工藝參數(shù)選擇及工程效果

根據(jù)試驗情況，現(xiàn)場采用雙高壓三重管工藝，進行本工程的止水帷幕施工樁的搭接長度 ≥ 400 mm，施工過程中加強鉆桿旋轉(zhuǎn)和提升速度監(jiān)控、嚴格控制水灰比、密切關(guān)注冒漿量等關(guān)鍵指標(biāo)的質(zhì)量控制。2020 年 1 月 8 號基坑止水帷幕施工全部完成。工作坑 HWH 14 號、HWH 6 號、RXH 13、RXH 7 及接收坑 RXH 17、HWH 28 等基坑在 2020 年 4月 20 號后開挖。開挖后基坑均無明顯滲漏點，滿足設(shè)計和規(guī)范要求，保證了基坑的安全穩(wěn)定和周邊環(huán)境的安全。

6 結(jié) 語

（1）旋噴樁作為止水帷幕，在地下水豐富、極易透水的粉砂土壤使用時，易出現(xiàn)滲漏等現(xiàn)象。但對于地下水流速過大或已涌水的防水工程，限于工藝、積聚和瞬時速凝材料等方面的原因，應(yīng)慎重使用。

（2）旋噴樁固結(jié)體處于地下，屬于隱蔽工程，樁體質(zhì)量無法直接觀察，必須使用比較切合實際的各種檢查方法檢驗成樁質(zhì)量。主要檢查的項目包含承載力、水利用量、樁身長度、樁身強度及滲透系數(shù)，檢驗的方法包括開挖檢查、室內(nèi)試驗、鉆孔檢查、加固體或圍井鉆孔注（壓）水試驗及靜載試驗等。

（3）加強旋噴樁施工過程監(jiān)控尤為重要。對于質(zhì)量通病問題的處理處置需預(yù)先制定好應(yīng)急預(yù)案并加強對應(yīng)措施落實，如出現(xiàn)冒漿量過大現(xiàn)象，就應(yīng)通過提高噴射壓力、適當(dāng)縮小噴嘴直徑、適當(dāng)加快提升速度等措施進行控制。還應(yīng)做好施工過程安全監(jiān)控和環(huán)境保護工作，如加強人員交底和培訓(xùn)工作，設(shè)備設(shè)施檢修、工序施工的安全防護警示，包括原材料遮蓋防護、作業(yè)區(qū)域降塵降噪、廢棄加固料的處理處置等。