杭州地鐵基坑高壓旋噴加固關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究

王 偉，周靜增

（1. 浙江省軌道交通運營管理集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310020；2. 杭州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理中心，浙江杭州 310006）

1 引言

杭州地鐵車站基坑所處地層主要屬于深厚軟黏土地層，在基坑開挖范圍內(nèi)及坑底以下分布有較厚的淤泥質(zhì)軟弱土層，地處繁華鬧市區(qū)的基坑周邊環(huán)境復(fù)雜多樣，由于軟弱土層具有含水量高、可塑性強(qiáng)、承載力低等特點，基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求高，控制難度大。采用高壓旋噴樁[1-4]對坑內(nèi)土體進(jìn)行加固處理，增強(qiáng)被動區(qū)軟弱土體抵抗變形能力，確保周邊環(huán)境的安全。

陳寶軍[5]以西安地鐵3號線下穿鄭西高鐵施工為例，詳細(xì)介紹了高壓旋噴加固技術(shù)在地鐵深基坑施工中保護(hù)既有高鐵橋墩安全的成功應(yīng)用；張成[6]結(jié)合大宇水泥有限公司專用線的地基處理，對二重管旋噴法加固淤泥質(zhì)黏土的參數(shù)設(shè)計、施工方法進(jìn)行了研究；牛虹[7]對比分析單管、雙重管、三重管施工工法，就高壓旋噴原理、噴射方式、適用范圍、參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了綜合闡述和研究，提出了常用施工參數(shù)；毛紅梅[8]結(jié)合近江站（原富春路站）實際施工情況，分析研究了高壓旋噴樁在杭州地層的施工參數(shù)及適用性；秦愛芳等[9]通過對上海軟土基坑被動區(qū)加固的實踐研究，分析旋噴加固對墻體位移、土體沉降的貢獻(xiàn)及效果；俞佳城[10]針對蕭甬線建設(shè)采用旋噴樁在杭州蕭山淤泥質(zhì)黏土層加固的工程實踐，從施工工藝、施工技術(shù)參數(shù)及質(zhì)量檢測3方面探討高壓旋噴樁的質(zhì)量控制；蔣宿平等[11]針對三重管旋噴樁在不同工程施工時采用的技術(shù)參數(shù)和效果進(jìn)行了研究。

本文依托杭州地鐵車站基坑工程，收集整理加固施工相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)[12]，量化分析水泥土加固體關(guān)鍵指標(biāo)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨地層含水量、齡期2個關(guān)鍵影響因素的變化規(guī)律，結(jié)合實際施工經(jīng)驗總結(jié)得出適合杭州軟弱地層高壓旋噴加固的設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，供類似工程借鑒參考。

2 工程概況

杭州地鐵1號線是浙江省和杭州市的第1條建成運營的地鐵線路，一期工程于2012年11月24日開通運營。線路貫穿城市中心區(qū)，南連錢塘江南的蕭山區(qū)和濱江區(qū)，北接余杭區(qū)臨平鎮(zhèn)，東通下沙技術(shù)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，從構(gòu)筑“大都市”的戰(zhàn)略角度，將主城區(qū)與下沙副城、臨平副城、江南副城連通。一期工程線路全長約48 km，共設(shè)31座車站，其中地下站28座，高架站3座。

杭州地區(qū)地質(zhì)是由錢塘江（河口相）的河道變遷與近年代的沖刷、杭州灣海灘（海相）的沖積與沉積作用、湖沼與溺谷三者交替相互作用形成的，情況復(fù)雜多變。工程范圍內(nèi)的地貌單元根據(jù)成因類型及沉積物特征屬于錢塘江沖海積平原和濱海相沉積平原，分布有深厚濱海相淤泥質(zhì)軟土。軟弱土層主要為④1和④2淤泥質(zhì)黏土、⑥1飽和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含水量高，呈流塑狀，具有高壓縮性、高靈敏度，物理力學(xué)性質(zhì)較差，局部地層有機(jī)質(zhì)含量高，分布有透鏡體狀的淺層沼氣。

3 杭州地區(qū)高壓旋噴加固設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)總結(jié)

基坑開挖后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形情況隨著挖深而不斷變化。大量工程實測資料[13-16]表明，在開挖面附近及坑底位置，由于軟土側(cè)向約束作用微弱，透水性差、高靈敏度的軟土被擠壓，相應(yīng)位置的變形也較大。在考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系經(jīng)濟(jì)性的同時，為保證施工過程中基坑本身和周圍環(huán)境的安全，對基坑被動區(qū)軟弱土體進(jìn)行加固處理是一種行之有效的技術(shù)處理措施，它能使坑底土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)得到明顯提高，起到減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、水平位移、地面沉降及坑底隆起的作用，并能防止被動區(qū)土體破壞及流土現(xiàn)象的發(fā)生。

常用的土體加固方法有坑內(nèi)降水、水泥攪拌樁、高壓噴射注漿、壓力注漿和化學(xué)加固等，其中較為常用的是水泥攪拌樁，因其較為經(jīng)濟(jì)且攪拌均勻、完整性好使得加固質(zhì)量易于控制，但水泥攪拌法對坑底以上土體進(jìn)行空攪或注水?dāng)嚢?，對開挖范圍內(nèi)上層土體擾動較大，一般地鐵基坑坑內(nèi)加固多采用高壓噴射注漿法。

高壓噴射注漿法是以旋轉(zhuǎn)的高壓噴嘴將水泥漿液噴入土層與土體混合，漿液與土以半置換或全置換凝固形成連續(xù)搭接的水泥加固體，具有施工占地少、振動小、噪聲較低等特點。依據(jù)漿液噴射移動方向，一般分為旋噴、定噴和擺噴3種形式。根據(jù)機(jī)具設(shè)備條件，高壓旋噴樁有單管法、二重管法和三重管法，后2種方法在杭州地鐵基坑工程加固中都有成功的應(yīng)用。二重管成樁直徑為800 mm左右，三重管有效直徑可達(dá)到1 000～1 200 mm，三重管成樁施工的均勻性、完整性比二重管效果好，但三重管法施做時因高壓水流切割土體泛漿量較大，對上部土體的擾動較大，杭州地鐵坑內(nèi)加固大多采用二重管法。

地鐵狹長型基坑內(nèi)被動區(qū)加固的布置形式主要為滿堂加固、裙邊加抽條、裙邊加固、抽條加固，以裙邊加抽條方式居多，裙邊和抽條的寬度約為3 m，加固深度為坑底以下約3 m。

結(jié)合基坑坑內(nèi)加固實施的實際情況，根據(jù)鉆孔取芯檢測結(jié)果，在滿足設(shè)計要求28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，綜合分析水泥土強(qiáng)度的變化規(guī)律和主要影響因素，總結(jié)出適合杭州地鐵基坑工程淤泥質(zhì)軟弱土層的二重管高壓旋噴加固設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)建議值：

（1）水灰比：1 : 1。個別車站在用灰比例較大時存在堵管的情況，具體施工可結(jié)合所處地層和現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)整。

（2）漿液壓力：25～28 MPa。個別基坑為了擴(kuò)大樁徑而加大壓力，但泛漿量較大。具體施工可根據(jù)泛漿量和現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)整。

（3）空氣壓力：0.7 MPa。

（4）提升速度：10～20 cm/min。個別基坑旋噴加固的提升速度達(dá)到25 cm/min及以上，導(dǎo)致加固體噴漿不到位，加固質(zhì)量檢測不合格，芯樣有不連續(xù)或局部夾泥的情況，綜合考慮后建議上限值不超過 20 cm/min。

（5）轉(zhuǎn)速：15～20 轉(zhuǎn)/min。

（6）水泥摻量：20%～25%。該范圍值基本能滿足無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.0 MPa的設(shè)計要求，考慮泛漿等損失，建議施工時取大值。

（7）樁徑間距：φ800 mm@600 mm。二重管高壓旋噴樁的樁徑間距取值能滿足基坑坑內(nèi)加固和止水帷幕的要求；如果工程對止水帷幕有更高要求，建議將樁間距減小到400～500 mm。

（8）適用土層：④、⑥、⑧層淤泥質(zhì)地層；杭州軟弱地層以④1、④2、⑥1、⑥2、⑧1層淤泥質(zhì)地層為主，坑底以下加固地層范圍主要是④、⑥層。

4 加固強(qiáng)度關(guān)鍵指標(biāo)敏感度分析

4.1 旋噴加固設(shè)計施工的客觀影響因素

（1）基坑圍護(hù)設(shè)計計算中常用的土體物理力學(xué)指標(biāo)為凝聚力C、內(nèi)摩擦角φ、基床比例系數(shù)m值，旋噴加固體因現(xiàn)場缺乏詳細(xì)土工實驗數(shù)據(jù)而有所缺失，一般設(shè)計取值以28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值作為加固體強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（2）JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[17]要求旋噴加固在大面積施工前必須先進(jìn)行試樁，確定技術(shù)參數(shù)后再進(jìn)行施工?？紤]到試樁后需要28天的等強(qiáng)時間，結(jié)合杭州地鐵2號線建設(shè)一路站3 次試樁分別在7 天、14天時取芯試樣不能成型的實際情況，施工單位在工期壓力下很少做試樁，一般做法都是根據(jù)地層情況先擬定經(jīng)驗參數(shù)，施工28天后取芯檢測予以驗證，根據(jù)檢測情況調(diào)整參數(shù)或局部補充注漿。

（3）加固體取芯檢測一般在基坑開挖之前進(jìn)行，由于各個車站加固體施工完成到基坑開挖之間的工期受各種因素影響長短不一，取芯檢測沒有嚴(yán)格按28天的要求進(jìn)行，一般都是在基坑開挖之前檢測強(qiáng)度滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)即可。

（4）影響水泥土加固強(qiáng)度的主要因素有齡期、土層含水量、水泥摻量、水泥標(biāo)號、土層有機(jī)質(zhì)含量、外摻劑等，單獨某一個基坑很難做到系統(tǒng)性試驗驗證，收集的加固體檢測數(shù)據(jù)在不同基坑之間因地層條件、齡期等因素可比性較差。

本文結(jié)合實際施工情況，主要就土層含水量、齡期2個關(guān)鍵指標(biāo)對加固體強(qiáng)度的敏感度進(jìn)行分析，以期找出相對變化規(guī)律。

4.2 強(qiáng)度隨土層含水量的敏感度分析

湘湖站所處地層主要為④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1淤泥夾淤泥質(zhì)黏土、⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，軟弱土層深厚、含水量高、富含有機(jī)質(zhì)。湘湖站北二基坑和南二基坑實施的旋噴加固分別為基坑外周圈高壓旋噴止水帷幕和坑底軟弱土體旋噴加固，北二基坑加固體強(qiáng)度與土層含水量、齡期的變化曲線分別如圖1、圖2所示。湘湖站南二基坑加固體強(qiáng)度與土層含水量、齡期的變化曲線分別如圖3、圖4所示。

圖2 北二基坑加固體強(qiáng)度隨齡期變化曲線

圖3 南二基坑加固體強(qiáng)度隨土層含水量變化曲線

從圖1～圖4關(guān)系曲線圖可以看出，加固體的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長而增長，隨土層含水量的增加而減小，不同齡期的變化趨勢基本相同；湘湖站北二基坑止水帷幕加固在水泥摻量為30%的情況下，當(dāng)土體含水量在30%～50%范圍內(nèi)每降低10%時，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約33%；湘湖站南二基坑內(nèi)旋噴加固同樣在水泥摻量相同的情況下，當(dāng)土體含水量在40%～50%范圍內(nèi)時，含水量每降低10%，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約38%。

圖1 北二基坑加固體強(qiáng)度隨土層含水量變化曲線

圖4 南二基坑加固體強(qiáng)度隨齡期變化曲線

上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基處理技術(shù)規(guī)范》（DG/T J08-40-2010）（以下簡稱“上海規(guī)范”）中給出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，土層含水量在50%～85%范圍內(nèi)，含水量每降低10%時，水泥土強(qiáng)度可提高30%。湘湖站北二基坑、南二基坑的水泥土強(qiáng)度與土層含水量的經(jīng)驗關(guān)系比上海規(guī)范的經(jīng)驗數(shù)據(jù)略高，初步分析其原因和旋噴樁水泥摻量高達(dá)30%有關(guān)。

4.3 強(qiáng)度隨齡期的敏感度分析

4.3.1 30～60天強(qiáng)度隨齡期的敏感度分析

鳳起路站坑內(nèi)加固范圍為坑底以下5 m，水泥摻量為20%，設(shè)計樁徑φ850 mm@600 mm，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計要求不小于1.2 MPa。鳳起路站加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線如圖5所示。

圖5 鳳起路站加固體強(qiáng)度隨齡期變化曲線

由圖5曲線可以看出，加固體強(qiáng)度隨齡期的增長而增大，60天齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較30天的強(qiáng)度增長約 12%，即fcu60=?1.12×fcu30。

上海規(guī)范中給出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為fcu60= （1.15～1.46）×fcu28，浙江大學(xué)龔曉南院士在其著作《復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用（第三版）》（以下簡稱：龔曉南著作）中給出經(jīng)驗關(guān)系為fcu60=（1.25～1.35）×fcu30。相比而言，鳳起路站加固體強(qiáng)度增長幅度與上海規(guī)范的下限值接近，比龔曉南著作的經(jīng)驗值要低。

4.3.2 60～90天強(qiáng)度隨齡期的敏感度分析

湘湖站南二基坑加固體取樣時間分別有68天、99天和105天，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線詳見 圖 4。

近江站旋噴加固深度為坑底以下3 m范圍，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計要求不小于1.2 MPa，坑底地層⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和⑥2粉質(zhì)黏土的含水量分別為39.8%和32.5%。63天強(qiáng)度分別為2.2 MPa、2.6 MPa，91天強(qiáng)度分別為2.7 MPa、2.8 MPa。

從2個基坑的加固體強(qiáng)度數(shù)據(jù)來看，加固體強(qiáng)度在60天后仍隨齡期增長而不斷增大。在60～90天齡期內(nèi)，湘湖站加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約8%，即fcu90= 1.08×fcu60；近江站加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系為fcu91=（ 1.04～1.27）×fcu63。

上海規(guī)范中未直接給出60天和90天齡期的水泥土強(qiáng)度關(guān)系，根據(jù)其和28天強(qiáng)度經(jīng)驗關(guān)系：fcu60=（1.15～1.46）×fcu28和fcu90=（1.43～1.80）×fcu28，可推算出90天和60天齡期水泥土強(qiáng)度關(guān)系為fcu90= 1.23×fcu60。

對比可知，在同一水泥摻量情況下，近江站加固體強(qiáng)度增長關(guān)系上限值與上海規(guī)范比較相近，但湘湖站加固體增長幅度較上海規(guī)范小，分析其強(qiáng)度低的原因和湘湖站地層有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)7%～10%有關(guān)。

4.3.3 90天以上強(qiáng)度隨齡期的敏感度分析

打鐵關(guān)站采用裙邊+抽條加固形式，坑底地層為④3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、含水量45.7%，加固深度為坑底以下4 m，設(shè)計樁徑為φ1 000 mm@700 mm，旋噴樁水泥摻量為20%，28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計要求不小于1.2 MPa。加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線如圖6所示，因部分齡期強(qiáng)度資料缺失，分別繪制47～67天時間段和151～165天時間段內(nèi)的強(qiáng)度變化增長曲線。

由圖6可以看出，加固體抗壓強(qiáng)度從47天到67天增加了12%，從151天到165天增加了28%。

圖6 打鐵關(guān)站加固體強(qiáng)度隨齡期變化曲線

上海規(guī)范指出，水泥土強(qiáng)度齡期超過28天后，強(qiáng)度仍有明顯增長。當(dāng)齡期超過90天后，水泥土強(qiáng)度增長緩慢；180天的水泥土強(qiáng)度約為90天的1.25倍，而180天后水泥土強(qiáng)度增長仍未終止；龔曉南著作給出了水泥摻量15%時，從90天到150天齡期內(nèi)的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長了20%。

從打鐵關(guān)站加固體實測強(qiáng)度來看，150天后的強(qiáng)度增長幅度比90天范圍內(nèi)的增長幅度還要大，明顯和一般的工程經(jīng)驗不太吻合。

4.4 粉砂地層強(qiáng)度指標(biāo)分析

余杭高鐵站北端頭井坑底③8粉砂地層，土層含水量 25%，采用高壓旋噴樁裙邊加固，加固深度為坑底以下3 m范圍，水泥摻量25%，樁徑間距為φ800 mm@600 mm。加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線如圖 7所示。

圖7 余杭高鐵站加固體強(qiáng)度隨齡期變化曲線

由圖7可以看出，粉砂地層的水泥土強(qiáng)度隨齡期的增長較快，在土層含水量為25%情況下，齡期從46天增長到60天時，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了約22%，明顯比軟弱土層的增長幅度大。

4.5 個別異常指標(biāo)分析

西湖文化廣場站坑底地層為⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含水量分別為37.3%和33.1%，加固范圍為坑底以上3 m至坑底以下3 m。水泥摻量為20%，設(shè)計樁徑φ800 mm@600 mm，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求不小于1.2 MPa。加固體37天的抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果為1.9 MPa，60天的抗壓強(qiáng)度平均值為2.1 MPa。

從以上相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，文化廣場站加固體的強(qiáng)度比設(shè)計值和同齡期其他基坑的指標(biāo)數(shù)值高出很多，指標(biāo)表現(xiàn)異常，原因分析如下。

（1）由于芯樣取芯和檢測之間有一定的放置時間，晾曬時間對試樣強(qiáng)度影響較大，導(dǎo)致加固體抗壓強(qiáng)度和實際情況不符。

（2）結(jié)合文化廣場站地層條件，旋噴樁施工提升速度為25～30 cm/min，明顯高于常規(guī)經(jīng)驗值及其他類似地層旋噴樁施工參數(shù)，檢測芯樣也出現(xiàn)部分樁體芯柱不連續(xù)、局部加泥的情況。

（3）檢測結(jié)果中，有多數(shù)齡期短的試樣抗壓強(qiáng)度反而大于齡期長的試樣抗壓強(qiáng)度，顯然是不合理的。

5 結(jié)論及建議

（1）結(jié)合杭州地鐵基坑工程實踐經(jīng)驗，對基坑被動區(qū)軟弱土體進(jìn)行高壓旋噴加固處理，能有效控制基坑變形、減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

（2）適合杭州淤泥質(zhì)軟弱地層的二重管高壓旋噴加固設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)建議值：①水灰比：1 : 1；② 漿液壓力：25～28 MPa；③空氣壓力：0.7 MPa；④提升速度：10～20 cm/min；⑤轉(zhuǎn)速：15～20 轉(zhuǎn)/min；⑥水泥摻量：20%～25%；⑦樁徑間距：φ800 mm@600 mm。

（3）加固體抗壓強(qiáng)度隨土層含水量、齡期2個關(guān)鍵指標(biāo)的相對變化規(guī)律：①在水泥摻量取30%時，軟弱土層含水量在30%～50%范圍內(nèi)每降低10%，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長約33%～38%；②在相同水泥摻量情況下，加固體60天強(qiáng)度較30天時增長約12%，90天強(qiáng)度較60天時增長約5%～8%，90天后強(qiáng)度仍在增長但相對較為緩慢。