三重管高壓旋噴樁止水帷幕在深基坑中的應用

田昊豐 陳嘉威

0 引言

高壓旋噴注漿技術(shù)由日本在1960 年發(fā)明，相繼發(fā)展出單重管、雙重管和三重管法高壓旋噴技術(shù)。其中，三重管法是在高壓水、較高壓的水泥漿液與壓縮空氣共同作用下，使水泥漿液與殘留的原土體攪拌混合形成的具有一定強度的水泥土柱。通過與護坡樁的緊密搭接，形成一段連續(xù)的止水“墻”，隔斷基坑外地下水涌入坑內(nèi)，從而減小外部地下水對坑內(nèi)水頭的影響，保證施工的安全性與可行性?；诖?，本文以粘性土層為研究對象，采用三重管高壓旋噴樁止水帷幕在某深基坑中進行應用，并對研究結(jié)果進行了討論。

1 三重管高壓旋噴樁止水帷幕在深基坑中應用的技術(shù)要點

1.1 定位測量

三管高壓旋轉(zhuǎn)噴樁止水帷幕以測量樁位和參考點軸的相關數(shù)據(jù)為基礎，在鉆孔內(nèi)噴灑泥漿，通過漿液與土體的混合整體實現(xiàn)切割和加固。在樁位和參考點軸的測量過程中，首先施工現(xiàn)場周邊設施的點、方向線是需要重要控制的地方，要進行永久控制。然后在施工圖的基礎上結(jié)合以上控制點建立測控網(wǎng)。測控網(wǎng)的建立要求是距離施工現(xiàn)場要有一定的安全距離，確保不會受到施工過程的影響。測控網(wǎng)建設完成后，需要對每個樁點的具體位置進行確定，通常使用的儀器是平口儀和水平儀。

1.2 鉆孔施工

完成測線和放置工作后，可以根據(jù)確定的孔位直接開始鉆孔，施工時必須將鉆機緩慢移動到確定的施工位置。需要專門的人員來執(zhí)行此操作，以確保準確性、鉆機的停放位置和移動順序。鉆機停放后，使用水平儀等專業(yè)工具校準停放位置和角度等，確保樁位正確，鉆桿與地面垂直。鉆機安裝好后，必須使用工程鉆機的導向孔，每個工程對導向孔的直徑和最終孔深都有明確的要求，必須嚴格按照設計要求進行施工。最終孔深必須低于設計深度的500 mm。還有，在鉆導孔時，要注意鉆孔時盡量用清水，例如在鉆孔過程中，應用清水打孔，而且制漿的主要原料是優(yōu)質(zhì)膨潤土。鉆孔應始終保持垂直，垂直偏差應控制在規(guī)定范圍內(nèi)，這樣才能有效避免塌孔現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 制備水泥漿液

高壓旋噴樁施工中，爆破漿的水泥材料通常為普通硅酸鹽水泥，具體的系列和性能要求應根據(jù)實際施工條件確定，在施工過程中，必須保證設計的灌漿水灰比。在制備水泥漿液時應對水泥、石灰等材料進行控制，具體水灰比還要根據(jù)礦山實際建設情況確定。一次性加入足量的水、水泥等材料后，直接用高速攪拌機攪拌即可，整個制漿過程必須保持連續(xù)。其中總的攪拌時間一般在5min 左右，攪拌時間一般在1min 以上。在制漿過程中，在混漿臺上應該有專人負責混漿操作，因為此工作具有較強的技術(shù)性，需要對整個工作流程熟悉，同時能夠規(guī)范化地操作每個步驟，負責人還需要對給漿機的濃度、密度、溫度、時間等進行檢測并記錄。

1.4 高壓旋噴灌漿施工

高壓旋噴施工前（平面圖如圖1 所示），施工單位必須進行地面試驗，確保鉆孔符合要求，鉆機就位并與鉆孔對齊，以確保高壓系統(tǒng)的完整性。確保一切準備工作無誤后，可將噴嘴放入鉆孔中，當噴嘴尖端達到規(guī)定深度時，即可攪拌水泥漿，可進漿、進氣、進水。當壓力參數(shù)和流量參數(shù)滿足要求，孔口回漿時，可按預定提升速度進行噴射注漿，施工時高噴射注漿必須保持全孔連續(xù)作業(yè)，注漿長度應調(diào)整到0.3m 左右，否則因拆除注水管而造成長時間停頓，可能會出現(xiàn)施工問題。此外，在高噴射注漿過程中，經(jīng)常出現(xiàn)壓力驟降、急速增加、孔口反注漿集中、反注異?；驘o反注漿等情況。裝卸注射管時，需要將注射管密封好，提高裝卸速度，避免出現(xiàn)噴嘴等問題。

圖1 高壓旋噴樁施工平面圖

1.5 鉆機移位施工

噴灑完畢后，施工人員應立即清空鉆桿，并用清水清洗泥漿泵、鉆桿和泥漿管。確保設備干凈后，即可移動設備完成樁基施工。

2 工程概況及地質(zhì)、水文情況

2.1 工程概況

北京市延慶區(qū)某基坑工程，基坑占地面積24 000m，基坑深9.75m，項目北側(cè)鄰近知榮路，其余三側(cè)均為規(guī)劃道路。設計采用樁錨支護形式，結(jié)合三重管高壓旋噴樁形成止水帷幕。本工程基坑重要性安全等級為二級。

2.2 工程地質(zhì)及水文情況

根據(jù)本工程勘察報告，影響本工程施工的地層由上至下如下表1 所示。

表1 影響工程施工的地層

第一層地下水類型為潛水，穩(wěn)定水位埋深為6.80～9.00m，第二層地下水類型為承壓水，水頭距地面的距離為12.00～12.80m。

2.3 設計方案

為保證基坑內(nèi)干作業(yè)環(huán)境，設計確定了護坡樁樁間采用三重管高壓旋噴樁止水帷幕。要求旋噴樁與護坡樁咬合緊密，且旋噴樁樁體整體性完好。其中，護坡樁直徑為0.8m，樁間距1.4m，樁長14.75m；高壓旋噴樁樁徑1m，樁長5.25m，樁底進入坑底1.5m，與護坡樁咬合0.2m。高壓旋噴樁水泥漿液的水灰比為0.9～1.1，水泥標號P.S.A32.5，水泥摻量不小于土的天然質(zhì)量的25%，孔位偏差小于50mm，垂直度偏差小于1/200。

3 三重管高壓旋噴樁施工技術(shù)方案

3.1 工藝原理

地下連續(xù)墻接縫外側(cè)止水帷幕采用三重雙高壓旋噴樁，高壓水泥漿流分別通過噴射器的上下噴嘴噴射。上部的高壓水射流首先切割和粉碎土壤，然后水泥漿通過鉆桿底部的噴嘴，水平高速噴射到周圍區(qū)域，起到提高破壞能力的作用。鉆桿在勻速旋轉(zhuǎn)的同時，以低速緩慢提升，以提高其破壞土體的能力。土體與水泥漿充分混合后膠結(jié)硬化后，在基礎上形成直徑比較均勻、強度恒定的樁體，具有較好的加固和防水效果。

3.2 工藝流程

三重管法旋噴工藝技術(shù)是將高壓水、水泥漿與壓縮空氣攪拌混合噴射的方法，其工藝流程如下：測量放線、旋噴鉆機就位、開孔檢查、鉆進成孔、啟動泵送壓縮空氣、高壓水及水泥漿液、提鉆噴射注漿、逐步拆卸鉆桿并清洗、移至下一孔位、回灌。

3.3 工藝技術(shù)

3.3.1 場地平整

正式進場施工前，進行管線調(diào)查后，清除施工場地障礙物，然后整平、夯實；同時合理布置施工機械、輸送管路和電力線路位置，確保施工場地“三通一平”。

3.3.2 樁位放樣

施工前用全站儀測定旋噴樁施工的控制點，保證樁孔中心位移偏差小于2cm。

3.3.3 修建泥漿拌制及處理系統(tǒng)

旋噴樁施工過程中將會產(chǎn)生10～20%的反漿量，將廢漿液引入沉淀池中，沉淀后的清水根據(jù)場地條件可進行無公害排放。沉淀的泥土則在開挖基坑時一并運走。沉淀和排污統(tǒng)一納入全廠污水處理系統(tǒng)。

3.3.4 鉆機就位，引孔鉆進

引孔鉆機就位后，對鉆機進行調(diào)平、對中，調(diào)整樁基的垂直度，保證鉆桿應與樁位一致，偏差應在10mm 以內(nèi)，鉆孔垂直度誤差小于0.3%；鉆孔前應調(diào)試空壓機、泥漿泵，使設備運轉(zhuǎn)正常；校驗鉆桿長度，并用紅油漆在鉆塔旁標注深淺線，保證孔底標高滿足設計深度。鉆孔過程中要詳細記錄鉆桿節(jié)數(shù)、保證鉆孔深度的準確。

3.3.5 旋噴機就位

將高壓旋噴機移至已鉆好的孔位處，并校正旋噴機的垂直度，檢查高壓設備和管路系統(tǒng)，確保水壓≥38MPa，空氣壓力≥0.4MPa，注漿壓力≥0.8MPa，噴嘴內(nèi)不得有任何雜物，注漿管接頭密封圈良好。

3.3.6 旋噴提升

將三重管鉆具下放到孔底后，依次開動壓風機、泥漿泵、高壓水泵，旋噴機開始旋轉(zhuǎn)，在各泵壓力達到規(guī)定值并在孔口反出水泥漿后，開始提升鉆具，提升速度控制在10～15cm/min，并確保注漿泵流量不小于75L/min。水灰比為0.9～1.1，水泥標號P.S.A32.5，水泥摻量不小于土的天然質(zhì)量的25%。

3.3.7 鉆機移位

旋噴提升到設計標高以上1.0～1.5m 時停止旋噴，提升鉆頭出孔口，清洗注漿泵、輸送管道及鉆桿，然后將鉆機移位。

3.4 工藝要點

（1）水泥漿隨配隨用，制備好的漿液不得離析，泵送必須連續(xù)。

（2）當水泥漿液到達出漿口后，應噴漿攪拌30s，在水泥漿與樁端土充分攪拌后，再開始提升攪拌頭。

（3）鉆機預攪下沉時不宜沖水，當遇到硬土層下沉太慢時，方可適量沖水，但應考慮沖水對樁身強度的影響。

（4）施工時如因故停漿，應將鉆頭下沉至停漿點以下0.5m處，待恢復供漿時再噴漿噴射提升。若停機超過3h，宜先拆卸輸漿管路，并妥加清洗。

（5）正式噴漿后應連續(xù)作業(yè)，在樁底部0.5～1m 范圍內(nèi)適當降低鉆桿提升速度，增加鉆桿旋噴時間。在柱頂部提升鉆桿噴漿至設計頂標高1.0～1.5m，以防止樁頂泥漿回落，達不到設計樁頂標高。

（6）旋噴樁采用隔一打一，防止相鄰樁體冒漿或漿體泄露。冒漿或漿體泄露容易導致樁體凹穴、串孔等現(xiàn)象，嚴重影響止水效果，可采用多次回灌漿液至不再下沉。

4 三重管高壓旋噴樁施工質(zhì)控措施

4.1 質(zhì)保措施

（1）施工中鉆頭提升過快、旋射壓力過小是常見的問題，因此需要對注漿壓力和提升速度進行嚴格控制。制作試驗樁是雙高壓旋噴樁施工前應該做的，做完試驗樁的28 天后，對試驗樁芯材進行取樣測量，測量結(jié)果滿足1.5MPa 的設計值才能繼續(xù)進行施工。樁位的定位和設置對施工的影響很大，因此必須設置專業(yè)人員負責，同時為保證施工中孔位的準確，應在施工前對空位進行多次重復測量，且誤差不得超過50mm。過程控制是保證雙高壓旋噴樁施工質(zhì)量的重要措施，雙高壓旋噴樁設計給出的水灰比是經(jīng)過專家審核的最符合施工的參數(shù)，必須按照設計值嚴格執(zhí)行，對噴射混凝土、攪拌提升速度、下沉等進行嚴格控制。在反復攪拌的過程中，提升速度、旋轉(zhuǎn)射流壓力等技術(shù)參數(shù)直接影響攪拌效果，因此需要設置專業(yè)負責人員對關鍵參數(shù)進行抽檢，保證每孔均有記錄。

（2）安裝鉆機時，鉆機的平面度和活動鉆桿的垂直度是影響施工質(zhì)量的最關鍵因素。在鉆井過程中，活動鉆桿的垂直度需要定期檢查，不能出現(xiàn)“一勞永逸”的情況。在檢查中發(fā)現(xiàn)偏差時要立即進行糾正，修正垂直度通常利用深部地質(zhì)鉆機，加強對鉆機進行旋噴的垂直控制，保證樁身的正確定位，增加防水效果。鉆機在工程期間需要對鉆頭、鉆桿和鉆桿接頭等重要部件進行定期檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時修理或更換，避免由于設備問題造成施工質(zhì)量出現(xiàn)問題。鉆機在軟硬土層交界處時應以低速、低鉆壓進行工作。鉆孔時，技術(shù)人員必須記錄鉆孔深度，同時保證注漿管的深度與鉆孔深度具有較高的匹配度。

（3）交叉注漿和反注漿處理措施。如果地層孔隙過大無法反注漿，則增加注漿量，降低提升和旋轉(zhuǎn)速度，增加注漿壓力，更換大口徑噴嘴。若反注量過大，可減少注漿量，提高升程和轉(zhuǎn)速以減少反漿量，并調(diào)整注漿壓力和注漿量，更換小口徑噴嘴。

4.2 樁體質(zhì)檢

樁徑檢測旋噴樁成型成樁后第7 天進行樁徑檢測，檢測時樁體在距樁頂約1m 處剝落，樁身直徑應大于設計值。樁身完整性測試是在形成旋轉(zhuǎn)噴射樁后經(jīng)過28 d 或更長時間后進行，并收集樁芯進行測試。樁身抗?jié)B試驗旋噴樁模制成樁28d 后，即可進行樁身抗?jié)B試驗，可采用穿孔水壓法進行試驗。

5 高壓旋噴樁施工效果

（1）基坑開挖后，在設計成樁區(qū)域內(nèi)完整性、穩(wěn)定性良好，質(zhì)地均勻、密實；個別旋噴樁在設計成樁范圍以上局部區(qū)域出現(xiàn)空洞、泥皮現(xiàn)象，經(jīng)與施工記錄核查，該旋噴樁區(qū)域冒漿后未用水泥漿進行回灌。

（2）旋噴樁施工完成28d 后進行三組鉆芯取樣，檢測抗壓強度，結(jié)果表明芯樣攪拌均勻，試塊無側(cè)限抗壓強度值為1.42～1.68MPa，滿足設計要求。

（3）基坑開挖前，利用疏干井先對坑內(nèi)地下水進行降排，使基坑內(nèi)水位穩(wěn)定在坑底以下0.5～1.0m，開挖至基底后，坑底無積水與突涌現(xiàn)象，基坑側(cè)壁無明顯滲漏水，止水效果明顯。

6 結(jié)論

該基坑支護工程采用三重管高壓旋噴樁與護坡樁結(jié)合形式，經(jīng)基坑開挖后結(jié)果與試驗表明，該基坑止水帷幕設計及施工方案可行，旋噴樁及護坡樁搭接完好，旋噴樁設計范圍內(nèi)整體性與密實度良好，樁體強度滿足設計要求，達到止水效果。通過該深基坑高壓旋噴樁止水帷幕施工實踐，總結(jié)出如下經(jīng)驗：

（1）高壓旋噴樁止水帷幕施工效果取決于科學合理的設計及施工方案，施工過程中應嚴格按照各工藝參數(shù)及要求進行，當出現(xiàn)冒漿、穿孔等特殊情況時，必須進行水泥漿回灌，防止出現(xiàn)空洞及其他質(zhì)量問題。

（2）旋噴樁施工具有施工速度可控、工期短、噪音低、作業(yè)人員少等優(yōu)點，但作業(yè)時反漿、冒漿現(xiàn)象較嚴重，須嚴格把控注漿各壓力參數(shù)，可配備泥漿收集、污水處理裝置，避免污染周邊環(huán)境，確保綠色文明施工。

（3）在粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土等地層中，三重管高壓旋噴樁能夠起到土體加固和止水的作用，通過與護坡樁咬合，形成止水帷幕，且具有一定的完整性、穩(wěn)定性及強度。