高壓旋噴樁在基坑防護中的應用研究

李 帆，邱學山，潘逸卉，孫 丹

(1.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017)

0 引言

在基坑工程中最常見的基坑防護結構主要有：土釘墻支護、水泥土重力式圍護墻、鋼板樁支護、灌注排樁支護、地下連續(xù)墻等。高壓旋噴樁在基坑工程中也僅常見于與上述基坑支護結構的配合使用。高壓旋噴樁是以高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體，具有成本低、固結體強度高、可靠性高、施工速度快、施工噪聲低等優(yōu)點。高壓旋噴樁廣泛應用于地基加固處理、基坑止水帷幕、邊坡?lián)跬翂驌跛?、基坑底部加固、水庫大壩及堤防防滲、構筑物地下截滲等。

1 工程概況

1.1 工程位置

泰興市位于江蘇省中部、長江下游北岸，東接如皋，西瀕長江，南界靖江，北臨姜堰，東北與海安接壤，西北與泰州毗連，屬泰州行政轄區(qū)；東西最大直線距離為44.55 km，南北最大直線距離為43.5 km。泰興市屬長江三角洲沖積平原，總面積1 175.59 km2，水域230.3 km2(含江域面積42.88 km2，占18.6%)。泰興市境內(nèi)具有豐富的物產(chǎn)資源和礦產(chǎn)資源，是江蘇省重要的糧食和油料產(chǎn)區(qū)；素有“銀杏之鄉(xiāng)”“建筑之鄉(xiāng)”“教育之鄉(xiāng)”之稱，多次被評為“中國明星縣(市)”“中國綜合競爭力百強(市)”。

1.2 工程任務

本工程的主要任務為：通過三陽中溝閘站的實施，進一步完善泰興市城市防洪體系，使河道引、排水出路通暢，滿足周邊農(nóng)田的引水灌溉及防洪、排澇要求,保護沿岸村莊、工廠企業(yè)及農(nóng)田，改善水涵養(yǎng)、水環(huán)境，營造環(huán)境優(yōu)美的水生態(tài)人文景觀。

1.3 工程規(guī)模

根據(jù)《泰興市城市水環(huán)境治理規(guī)劃(2012—2020)》，本工程實施后，與其他防洪排澇工程配套，使得泰興市主城區(qū)的防洪能力達到50年一遇標準，排澇能力達到20年一遇標準；本工程等別為Ⅳ等，主要水工建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。

泰興市三陽中溝閘站位于三陽中溝與如泰運河的交匯口處，主要用于城區(qū)汛期的防洪、排澇和非汛期內(nèi)河的換水、補水，設計總抽排流量為6.0 m3/s，配備兩臺潛水軸流泵?，F(xiàn)狀三陽中溝河道兩側駁岸均為漿砌石結構，站址東側為規(guī)劃濟川藥廠用地，西側為濟川藥廠廠區(qū)；緊鄰現(xiàn)狀西側駁岸后布置有藥廠生產(chǎn)管線，藥廠進出道路布置在現(xiàn)狀坡頂。施工過程中須對藥廠管線、道路及廠房進行保護，確保企業(yè)生產(chǎn)正常。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告：擬建場地地震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值0.05 g。

經(jīng)勘察查明，在本次勘察深度范圍(控制性孔65 m)內(nèi)的地基土屬Q(mào)4的沉積層，主要由表土、粉砂夾粉土及粉質(zhì)黏土等組成，各土層間的強度、壓縮變形差異性較大。根據(jù)沉積時代、成因類型及其土性可劃分3個工程地質(zhì)層。擬建場地內(nèi)各層地基土組成、物理性質(zhì)、工程性能評述及分布情況如下。

(1)表土：土質(zhì)不均，結構松散，上部以厚0.3～4.6 m的雜填土為主，雜色，夾碎磚、砼塊類建筑垃圾；下部為素填土，灰褐色～灰黃色，以粉土、粉質(zhì)黏土為主，局部地段為淤泥質(zhì)土，夾植物根莖。該層土堆積年限大于5 年，工程地質(zhì)性質(zhì)差。場區(qū)內(nèi)該層土普遍分布。

(2)粉砂夾粉土：灰黃色～淺灰色，飽和，中密為主，局部稍密，主要礦物成分為石英、長石、云母等，渾圓狀，磨圓性好，顆粒級配不良，具水平微層理。該層土局部夾少許厚度小于0.8 m的粉土、細砂及粉質(zhì)黏土，粉砂與粉土、細砂及粉質(zhì)黏土的厚度比例約為10∶3∶2∶1。工程地質(zhì)性質(zhì)較好。場區(qū)內(nèi)該層土局部缺失。

(3)粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑～可塑，含云母、貝殼碎屑、大量有機質(zhì)及腐殖物。局部夾厚度小于0.9 m的粉土及粉砂，粉質(zhì)黏土與粉土及粉砂的厚度比例約10∶2∶1。無搖震反應，稍有光澤，中等強度，中等韌性，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。場區(qū)內(nèi)該層土局部缺失。

各工程地質(zhì)層物理力學指標如表1所示。

表1 各工程地質(zhì)層物理力學指標

3 基坑防護方案

3.1 方案比選

3.1.1 設計方案

本工程站址土層分布主要以粉砂夾粉土為主，土體透水性強，施工過程中基坑須采取管井或輕型井點降水措施。考慮到施工降水影響范圍較大，且現(xiàn)狀河道西側藥廠廠房距離河道最近僅15 m，因此，須對基坑西側進行支護的同時增設防滲帷幕，確保施工降水過程中藥廠管線、道路及廠房安全。

采取常規(guī)的水泥土重力式圍護墻、灌注排樁支護、地下連續(xù)墻等支護方案，雖能起到基坑支護及防滲的效果，但工程費用較高?？紤]到本工程投資限制，經(jīng)綜合比選，本次設計采用高壓旋噴樁對現(xiàn)狀堤腳土體進行加固，并形成一道連續(xù)的防滲帷幕，以滿足本工程基坑防護的要求?；臃雷o設計，如圖1和圖2所示。

圖1 基坑防護橫斷面布置(單位：mm)

圖2 高壓旋噴樁平面布置(單位：mm)

3.1.2 主要設計參數(shù)

(1)施工工藝：三管法施工。

(2)漿液：純水泥漿液(漿液密度1.4～1.5 g/cm3)，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，可摻入適量外加劑[1]。

(3)旋噴固結體呈圓柱狀，直徑≥1.0 m，旋噴樁之間最小搭接長度不小于20 cm。

(4)布孔形式：布孔形式為兩排、梅花形，樁距為80 cm，排距為80 cm，最終成墻厚度不小于1.40 m。

(5)壓力參數(shù)：高壓水泥漿的壓力>30 MPa，流量>70 L/min，提升速度0.1～0.2 m/min[1]。

(6)水灰比：暫定0.8(宜為0.8～1.2)。

(7)樁底高程：-15.0 m。

(8)成樁質(zhì)量：現(xiàn)場取芯28天齡期無側限抗壓強度不小于4 000 kPa，抗剪強度不小于400 kPa，滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s[2]。

3.2 結構計算

3.2.1 計算原理

本次基坑結構計算同岸坡穩(wěn)定計算，分別對加固墻后岸坡穩(wěn)定進行分析，計算方法采用瑞典圓弧法[3]計算，主要計算公式如下：

K=

式中：W為土條重量；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力；u為作用于土條底面的孔隙力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中心的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′，φ′為土條底面的有效應力抗剪強度指標；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

3.2.2 計算參數(shù)

岸坡穩(wěn)定計算工況及巖土參數(shù)，如表2和3所示。

表2 岸坡穩(wěn)定計算工況

表3 計算巖土參數(shù)

3.2.3 計算結果

本工程利用高壓旋噴樁對基坑加固，根據(jù)設計每延米旋噴樁成墻厚度不小于1.5 m，樁體抗剪強度按設計要求取400 kPa，則樁體提供的抗滑力為1.5(每延米截面積)×400(樁體抗剪強度)=600 kN。基坑加固前后的岸坡穩(wěn)定抗滑結果如表4所示。

表4 邊坡穩(wěn)定計算成果

根據(jù)表4的計算結果，采用高壓旋噴樁加固后的岸坡整體穩(wěn)定性有顯著的提高，加固后岸坡穩(wěn)定性能滿足設計要求。

3.3 施工注意事項

(1)施工前應進行水泥加固土的室內(nèi)試驗，根據(jù)被加固土的性質(zhì)及設計樁身強度要求，確定每延米水泥用量。

(2)每段作業(yè)點施工前必須先打工藝試驗樁，以檢驗機具性能及施工工藝中的各項技術參數(shù)，其中包括漿液配比、旋噴參數(shù)、鉆進和提升速度等。

(3)設備就位后必須平整，確保施工過程不發(fā)生傾斜和移動，確保機架和鉆桿的垂直度[1]。

(4)制備好的水泥漿不得有離析現(xiàn)象，若停置時間過長，不得使用。

(5)施工過程中應嚴格按照施工參數(shù)和材料用量施工，用漿量和提升速度應采用自動記錄裝置做好施工各項記錄。

(6)高壓泵離噴射注漿孔不宜過遠，以防高壓軟管過長，沿程損失增大，造成實際噴射壓力過低[2]。

(7)鉆孔過程中出現(xiàn)短暫停止或終孔待噴時，孔口應加以保護，若時間過長應采取措施防止塌孔。

(8)高噴灌漿自下而上連續(xù)作業(yè)，若因故中斷后恢復施工時，應對中斷孔段進行復噴。

4 結語

(1)高壓旋噴樁在基坑支護中大多作為輔助防滲措施，作為主體支護結構情況較少。在設計過程中應根據(jù)本工程土層情況選擇合適的樁徑及設計參數(shù)，對于作為主體支護結構樁的排數(shù)應通過邊坡穩(wěn)定軟件反復試算最終確定。

(2)旋噴樁能否達到設計要求，室內(nèi)配合比試驗、現(xiàn)場試樁及施工過程中各參數(shù)的控制都是至關重要的。

(3)高壓旋噴樁施工完成后須對樁身的均勻性、成樁的直徑、樁身不同部位的強度及防滲效果等進行質(zhì)量檢測。

(4)對于部分重要基坑，失事后存在嚴重后果的，設計人員須采用旋噴樁內(nèi)增插型鋼的方案，以增加基坑支護結構的可靠性。