高壓旋噴樁施工技術(shù)在泵站深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

柯友華

(安徽省宣城市宣州區(qū)養(yǎng)賢鄉(xiāng)人民政府水利站,安徽 宣城 242000)

0 引 言

基坑開(kāi)挖工程不僅要保證地基持力層的合理設(shè)計(jì),同時(shí)還要確保周圍建筑環(huán)境的安全,因此對(duì)泵站做好基坑支護(hù)是至關(guān)重要的[1]。 高壓旋噴樁是一種常用的基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu),主要采用水泥漿與±體混合形成水泥±,對(duì)地基起到加固作用,具有較好的防水及擋±作用。 而且,高壓旋噴樁幾乎能夠?qū)λ小蕾|(zhì)進(jìn)行施工,并適用于狹小場(chǎng)地的工程施工[2-3]。 但單一的高壓旋噴樁對(duì)地基的加固與防滲能力不足,隨著基坑深度逐漸加深,其難以抵擋水±壓力[4]。

高壓擺噴灌漿技術(shù)由于施工速度較快且成本較低,目前廣泛應(yīng)用于基坑工程的防滲施工中[5]。 因此,本文引入高壓擺噴灌漿技術(shù)進(jìn)行防滲帷幕設(shè)計(jì),并與高壓旋噴樁共同應(yīng)用于深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建中,以期在泵站深基坑的穩(wěn)定性維護(hù)中取得良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

宣城市仁義排澇泵站進(jìn)行基坑開(kāi)挖后,將形成一個(gè)高1～5m 的人工邊坡。 基坑邊坡的±質(zhì)以灰色粉質(zhì)黏±為主,±體的自穩(wěn)定性能較差,容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。 同時(shí),泵站附近的建筑物距離防洪大堤較近,若邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,將對(duì)防洪大堤的結(jié)構(gòu)造成破壞。 因此,需要根據(jù)泵站的實(shí)際情況,選取合理的基坑開(kāi)挖坡比,并設(shè)計(jì)可行的基坑邊坡支護(hù)方案。

該泵站地基屬于軟±地基,承載力低,孔隙比大,具有中等壓縮性,容易發(fā)生沉陷變形,應(yīng)對(duì)該地基進(jìn)行加固處理。 該基坑位于堤身箱涵段,最大開(kāi)挖深度11.8m。 由于基坑周邊的管理房已被拆除,場(chǎng)地環(huán)境較寬,主要采用自然放坡式開(kāi)挖,開(kāi)挖邊坡比1：2,同時(shí)設(shè)置寬2m 的平臺(tái)。 泵站結(jié)構(gòu)與開(kāi)挖坡底的距離約2m,便于施工中的材料周轉(zhuǎn)、砼澆筑等。 在泵站結(jié)構(gòu)的5m 范圍處,設(shè)有高壓擺噴樁防滲墻,且泵站周邊設(shè)一圈輕型井點(diǎn)降水,井點(diǎn)管長(zhǎng)約7m,間距1.2m。 開(kāi)挖過(guò)程中,設(shè)置明排水溝和集水坑進(jìn)行施工的進(jìn)水與排水,每隔20～40m 設(shè)置一個(gè)寬約0.7m 的集水坑,坑深隨開(kāi)挖深度的加深而加深,且始終保持低于挖±面0.7～1.0m。

根據(jù)仁義站深基坑場(chǎng)地的±層勘探所提供的±層信息,可將該工程的±層次分為6 層。 其中,第一層為人工填±,主要為褐黃色的粉質(zhì)黏±,軟硬分布不均,堤頂厚度約7m,堤內(nèi)厚度0.5～1.8m。 第二層為黃褐色粉質(zhì)黏±,厚度2～3m,且壓縮性居中,力學(xué)強(qiáng)度高。 第三層為灰色粉質(zhì)黏±,厚度6.3～8.2m,壓縮性高,力學(xué)強(qiáng)度低。 第四層為粉細(xì)砂,厚度3～4. 6m,力學(xué)強(qiáng)度高。 第五層為卵礫石層,顏色為褐黃色,厚度約9m,礫石粒徑0.3～2.0cm,含量55%左右。 卵石主要包含石英砂巖與砂巖等,粒徑2～5cm,含量約為35%。 第六層為強(qiáng)風(fēng)化帶泥質(zhì)粉砂巖,顏色為紫紅色,屬于極軟巖,以鈣泥質(zhì)膠結(jié)為主。 各±層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各土層的物理力學(xué)指標(biāo)表

仁義泵站的水文地質(zhì)條件一般,各巖±層的滲透性情況為：第一層至第三層均為微透水性;第四層的粉細(xì)砂具有中等透水性;第五層的卵礫石層具有強(qiáng)透水性;第六層為弱透水性。 通過(guò)鉆探工程了解到,該區(qū)域的地表基本上是第四系松散沉積層,地下水的類型為孔隙承壓水以及孔隙潛水。 其中,孔隙承壓水位于砂礫石層中,其補(bǔ)給方式為遠(yuǎn)程補(bǔ)給;孔隙潛水存在于±體上部的黏性±中,其主要補(bǔ)給方式為大氣降水,因而容易受到季節(jié)氣候影響。

2 基于高壓旋噴樁技術(shù)的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 高壓旋噴樁的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

由于宣城市仁義排澇泵站基坑邊坡±質(zhì)以灰色粉質(zhì)黏±為主,其自穩(wěn)定性能較差,容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。 同時(shí),泵站附近的建筑物距離防洪大堤較近,一旦邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,將對(duì)防洪大堤的結(jié)構(gòu)造成破壞,因此需要進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)。 仁義站的高壓旋噴樁工程主要采用二重管法進(jìn)行施工[6-7]。 其中,仁義泵站的深基坑工程主要采用圓形支護(hù)結(jié)構(gòu),所選用的高壓旋噴樁樁徑φ600mm,樁長(zhǎng)5m,樁間距800mm,一共布設(shè)136 根。 硅酸鹽水泥級(jí)別P. O. 42. 5 級(jí),水泥含量25%,水灰比0.8[8]。 具體施工流程見(jiàn)圖1。

圖1 二重管法高壓旋噴樁施工流程

在二重管法高壓旋噴樁施工中,需要注意幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 在鉆機(jī)就位后,需要保證鉆機(jī)的平整度以及導(dǎo)向桿的垂直度。 其中,鉆機(jī)的水平對(duì)中偏差不大于50mm,導(dǎo)向桿的垂直度偏差不大于0.5%[9]。 在攪拌制漿過(guò)程中,需要先對(duì)采購(gòu)的水泥進(jìn)行抽樣檢查,以確保制備的漿液能夠應(yīng)用于高噴提升中。 漿液配比一般為1 ∶1～1 ∶1.5,其比例可根據(jù)實(shí)際施工情況做適當(dāng)調(diào)整。 在制備漿液時(shí),需要采用連續(xù)均勻的方式進(jìn)行攪拌,若采用普通攪拌機(jī),其攪拌時(shí)間應(yīng)不低于3min。 若采用高速攪拌機(jī),其攪拌時(shí)間大于30s 即可。 同時(shí),在注漿前1h 應(yīng)確保水泥漿制作完成,且制備好的漿液的有效使用時(shí)間為4h。 此外,倒出漿液時(shí),需要采用篩網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾,以防高壓噴管堵塞[10-11]。

在進(jìn)行高壓噴漿之前,需要檢查注漿泵管,確保其滿足注漿壓力要求,同時(shí)檢查高壓設(shè)備及管路系統(tǒng)的密封性。 然后需要插入旋噴管進(jìn)行試噴,以確保后續(xù)噴漿作業(yè)的正常進(jìn)行。 在對(duì)樁底進(jìn)行噴漿作業(yè)時(shí),需要按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行原位噴射。達(dá)到預(yù)定的噴注量時(shí),應(yīng)按照5～12cm/min 的速度進(jìn)行提升噴射。 高壓噴漿過(guò)程必須保證連續(xù)不斷,且向上提升速度必須保證均勻,才能保證樁體的質(zhì)量。 同時(shí),在噴漿過(guò)程中必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力表的變化情況,一旦出現(xiàn)異常情況,立即作出調(diào)整。 若在噴注過(guò)程中出現(xiàn)故障,需立即停止旋噴并進(jìn)行調(diào)整。 當(dāng)排查故障并恢復(fù)注漿后,需重新噴注中斷的孔段,且塔接長(zhǎng)度應(yīng)大于0.5m。 此外,若出現(xiàn)冒漿量大于15%的現(xiàn)象時(shí),需要在漿液中加入速凝劑并調(diào)整旋噴參數(shù)[12]。

2.2 高壓擺噴防滲墻方案設(shè)計(jì)

支護(hù)高壓旋噴樁施工完成后,利用基坑降排水系統(tǒng)進(jìn)行排水,以保證施工場(chǎng)地為無(wú)水干地,因此需要在基坑周圍設(shè)置高壓旋噴防滲帷幕。研究采用高壓擺噴技術(shù)進(jìn)行防滲處理,該技術(shù)主要通過(guò)修砌防滲墻以防止地下水滲入基坑±體中,能有效降低水力坡降,且能防止基坑出現(xiàn)滲透變形的現(xiàn)象。 由于純水泥漿容易出現(xiàn)沉淀析水現(xiàn)象,且穩(wěn)定性較差,研究選用水泥黏±漿作為防滲墻的注漿材料。 其中,黏±能夠形成“彈性體”,以使防滲墻的彈性模量更接近于地基的彈性模量,從而有效改善墻體的應(yīng)力狀態(tài),并能有效延緩防滲墻體的開(kāi)裂。 同時(shí),黏±中存在大量的礦物成分,具有很好的抗酸性與抗腐蝕性,因此采用黏±筑造的防滲墻體具有良好的抗酸性與抗腐蝕性。

此外,在進(jìn)行孔槽施工時(shí),需要加入適量的膨潤(rùn)±,不僅能夠起到換漿過(guò)程中的清孔作用,還能起到冷卻及固定墻體的作用,從而有效阻止塌孔現(xiàn)象的發(fā)生。 另外,黏±與膨潤(rùn)±的合理添加還能對(duì)水泥的分層離析起到改善作用,從而有效提升漿體的防滲性。 通常情況下,添加的黏±含量不宜過(guò)多,否則會(huì)降低墻體的抗壓強(qiáng)度,黏±的添加量一般為5%～15%,膨潤(rùn)±的添加量一般為2%～10%。 研究采用的注漿材料中,黏±含量為漿體的10%,膨潤(rùn)±添加量為6%[13]。

在基坑工程中,采用有限元模擬軟件,能夠?qū)ι罨庸こ痰膶?shí)際施工情況進(jìn)行有效模擬,從而能夠?qū)右约盎又ёo(hù)結(jié)構(gòu)的沉降、位移等變化進(jìn)行分析。 該深基坑工程的有限元分析軟件選取的是GTS NX[14]。 該軟件主要用于解決巖±與隧道工程中一系列有關(guān)巖±的問(wèn)題,包括巖±施工工況、穩(wěn)定滲流等。 采用該有限元軟件構(gòu)建的基坑工程整體網(wǎng)格劃分與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 基坑的整體網(wǎng)格劃分與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系

由圖2 可知,仁義泵站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈主要采用高壓旋噴樁形成環(huán)形墻體以及支護(hù)結(jié)構(gòu);外圈的高壓旋噴樁與內(nèi)圈的復(fù)合樁體結(jié)構(gòu)以及混凝±結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐共同組成環(huán)形導(dǎo)流裝置。在進(jìn)行基坑開(kāi)挖前,需要先挖好高壓旋噴樁內(nèi)圈與外圈的導(dǎo)流渠,當(dāng)開(kāi)挖至老舊箱涵的位置時(shí),基坑內(nèi)的水會(huì)自動(dòng)流入導(dǎo)流渠,從而保證施工作業(yè)的干燥性。 完成基坑開(kāi)挖后,需插入拉森鋼板樁后并破壞老舊箱涵,從而防止導(dǎo)流渠中的水流入基坑內(nèi)部[15]。

3 高壓旋噴樁的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)性能分析

為驗(yàn)證高壓旋噴樁與高壓擺噴防滲墻相結(jié)合的基坑支護(hù)體系的穩(wěn)定性及可靠性,針對(duì)樁頂沉降監(jiān)測(cè)、樁頂位移監(jiān)測(cè)、周圍建筑物沉降監(jiān)測(cè)、基坑周圍的地表沉降監(jiān)測(cè)以及深層水平位移監(jiān)測(cè),設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 同時(shí),采用工程模擬模型選出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比。 其中,基坑周圍的地表沉降監(jiān)測(cè)是基坑工程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵內(nèi)容,因會(huì)對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生不良影響,因此需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。 工程采用的基坑開(kāi)挖工況包括4 個(gè)工況。 其中,工況一主要是將基坑內(nèi)部的±體開(kāi)挖至老舊箱涵的±體頂部;工況二是對(duì)老舊箱涵周圍的±體進(jìn)行開(kāi)挖;工況三是破壞老舊箱涵,并對(duì)腰梁以及拉森鋼板樁進(jìn)行施工;工況四則是開(kāi)挖基坑內(nèi)部的±體達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的深度。 不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

在不同的基坑開(kāi)挖工況下,不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樁頂沉降與位移變化見(jiàn)圖3。 從圖3 可以看出,采用工程模擬計(jì)算與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂沉降與位移變化量均不大,其變化值均低于報(bào)警值,且位移變化速率較低。 由圖3(a)可知,隨著開(kāi)挖進(jìn)度的增加,樁頂?shù)奈灰凭兴嵘?其中,樁頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)W2 隨時(shí)間的位移變化量最大,工程模擬的變化值為3.37mm,工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的變化值為5.39mm。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)W4 的位移變化量最小,其工程模擬變化量為1.09mm,工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的變化值為1.88mm。 由圖3(b)可知,樁頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q4 的變化量最大,其工程模擬的變化值為1.86mm,工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的變化值為2. 57mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q2 的變化量最小,其工程模擬的變化值僅為1.21mm,工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的變化值僅為1.72mm。研究表明,高壓旋噴樁與高壓擺噴防滲墻相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠很好削減±地變性造成的不良影響。 同時(shí),兼具環(huán)形導(dǎo)流的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效提升基坑的穩(wěn)定性。

圖3 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樁頂沉降與位移變化對(duì)比結(jié)果

在不同基坑開(kāi)挖工況下,采用工程模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)的地表沉降以及建筑沉降的變化結(jié)果見(jiàn)圖4。 由圖4 可知,隨著基坑開(kāi)挖的逐步加深,地表沉降均隨之加深。 由圖4(a)可以看出,各個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值均小于25mm,且沉降速率較低。 其中,地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB4 的沉降值最高,其模擬沉降值1.94mm,監(jiān)測(cè)沉降值2.75mm。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB2 的沉降量最小,其模擬沉降值0.38mm,監(jiān)測(cè)沉降值0.83mm。 由圖4(b)可知,基坑周圍建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值均小于報(bào)警值10mm。 其中,建筑沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC4 的沉降量最大,其模擬沉降值1. 89mm,監(jiān)測(cè)沉降值2.68mm;監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC3 的沉降量最小,其模擬沉降值1.17mm,監(jiān)測(cè)沉降值1.76mm,表明高壓旋噴樁體支護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。

圖4 工程監(jiān)測(cè)與模擬的地表沉降以及建筑沉降的變化對(duì)比結(jié)果

不同深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化結(jié)果見(jiàn)圖5。 由圖5 可知,深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化量最大的位置均位于基坑深度的1/2 處,遠(yuǎn)小于報(bào)警值,而位移變化最小的位置位于基坑底部,主要原因在于基坑深度的1/2 位置的基坑側(cè)壓力最大。 同時(shí)可知,工程監(jiān)測(cè)得到的位移變化量比模擬的變化量更大,其原因在于實(shí)際工程中的側(cè)壓力不僅包含側(cè)向的±壓力,還有一部分水壓力,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的位移數(shù)值更高。

圖5 不同深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)與模擬位移變化結(jié)果對(duì)比

由圖5(a)可知,ZQT01 監(jiān)測(cè)點(diǎn)深層位移值在深度-5.9m 時(shí)最高,其工程監(jiān)測(cè)值5.88mm,工程模擬值3.62mm;在深度為-11.8m 時(shí)深層位移值最低,其工程監(jiān)測(cè)值1. 53mm,工程模擬值1.24mm。 由圖5(b)可知,ZQT02 監(jiān)測(cè)點(diǎn)深層位移值在深度-6.1m 時(shí)最高,其工程監(jiān)測(cè)值5.46mm,工程模擬值3.72mm;在深度-12.0m 時(shí)深層位移值最低,其程監(jiān)測(cè)值1.45mm,工程模擬值1.13mm。

4 結(jié) 論

為確?；蛹爸苓叚h(huán)境的安全性,本文提出了高壓旋噴樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與高壓擺噴防滲帷幕,以實(shí)現(xiàn)對(duì)深基坑的穩(wěn)定作用。 結(jié)果顯示,采用工程模擬計(jì)算與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂沉降與位移變化量均低于報(bào)警值,且監(jiān)測(cè)的最小位移變化值為1.88mm,最小沉降變化值僅為1.72mm。 同時(shí),基坑周圍建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值均小于報(bào)警值10mm,最小監(jiān)測(cè)沉降量為1.76mm。 此外,深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化量最大的位置均位于基坑深度的1/2 處,且均低于報(bào)警值,表明該支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠起到穩(wěn)定基坑的作用。