臨江深厚砂卵石地層止水帷幕改良試驗(yàn)研究

楊 峰

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司市政工程公司, 杭州 310030)

伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,工程建設(shè)越來越多,進(jìn)而產(chǎn)生了大量的深基坑工程[1-3]。深基坑在開挖過程中通常采取降水措施,由此會(huì)帶來一定的地表沉降,其可能導(dǎo)致周邊構(gòu)筑物傾斜甚至是倒塌[4-5]。因此,通常會(huì)采用一定的措施來控制降水帶來的一系列影響,布置止水帷幕則是其中一種有效的方法[6-7]。止水帷幕是工程主體外圍止水系列的總稱,主要用來減少或阻止基坑側(cè)壁和基坑底部地下水流入基坑。常用的止水帷幕施工方法有旋噴樁、地連墻、深孔注漿、咬合樁、SMW(soil-mixing wall)工法樁、深層攪拌樁等。對(duì)于砂卵石地層,通常會(huì)采用旋噴樁止水帷幕[8-9]。

然而,本項(xiàng)目隧道基坑止水帷幕高壓旋噴樁施工過程中,需穿越下部深厚砂卵石地層進(jìn)入風(fēng)化巖,以隔斷外部水力聯(lián)系。由于圓礫、卵石層級(jí)配不均勻且顆粒粒徑較大,傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備施工時(shí)不易鉆進(jìn),成樁極為困難;本工程圓礫、卵石層屬?gòu)?qiáng)透水層,注漿過程中,水泥漿液極易流失;圓礫、卵石層顆粒粒徑較大,流體不能進(jìn)行有效切削,水泥漿液與圓礫、卵石不能充分?jǐn)嚢杌旌?難以形成連續(xù)的固結(jié)體,旋噴樁體易破碎,成樁質(zhì)量差,止水效果差;此外,本工程止水帷幕體量大,傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備施工鉆進(jìn)困難、施工效率低,無(wú)法滿足項(xiàng)目施工進(jìn)度需求;對(duì)周邊類似項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn),衢州圓礫、卵石富水地層中傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備施工效果普遍較差,未發(fā)現(xiàn)有較成功的施工案例。

基于上述問題,本文對(duì)臨江深厚砂卵石地層止水帷幕進(jìn)行了改良試驗(yàn)研究。首先采用室內(nèi)試驗(yàn)研究了試驗(yàn)土在不同水泥摻入量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù),確定了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中所需的合理水泥摻入量。其次對(duì)傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備進(jìn)行了改良,并將室內(nèi)試驗(yàn)的研究成果應(yīng)用到了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),形成了一種強(qiáng)力攪拌旋噴樁,以期為今后類似工程的開展提供借鑒。

1 工程概況

九華大道隧道(二期)及紫薇路隧道工程位于衢州市西區(qū)半島綜合體,半島區(qū)塊現(xiàn)階段處于建設(shè)高峰,多個(gè)大型項(xiàng)目同時(shí)在建,工程毗鄰多個(gè)在建項(xiàng)目基坑,周邊環(huán)境復(fù)雜,如圖1所示。文化創(chuàng)業(yè)園項(xiàng)目3處地下車庫(kù)基坑(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū))緊鄰九華大道隧道(二期),九華大道隧道(二期)與創(chuàng)業(yè)園項(xiàng)目地下車庫(kù)基坑毗鄰段基坑開挖深度為15 m,采用“鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水”圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。其中,創(chuàng)業(yè)園項(xiàng)目A區(qū)地下車庫(kù)基坑深度約為4 m,與九華大道隧道(二期)平均凈距為13.5 m、最小凈距為11.79 m,采用放坡開挖;B區(qū)地下車庫(kù)基坑深度約為6.3 m,與九華大道隧道(二期)平均凈距為12 m、最小凈距為4.7 m,采用“鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水”圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式;C區(qū)地下車庫(kù)基坑深度約為6.7 m,與九華大道隧道(二期)平均凈距為21 m、最小凈距為12.9 m,采用“鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水”圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)場(chǎng)地土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土的物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 現(xiàn)場(chǎng)示意圖

選取項(xiàng)目典型地質(zhì)區(qū)段作為試驗(yàn)段,采用傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備進(jìn)行施工,對(duì)傳統(tǒng)高壓旋噴樁成樁效率、成樁質(zhì)量合格率進(jìn)行摸底,如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)段傳統(tǒng)高壓旋噴樁施工

試驗(yàn)段傳統(tǒng)設(shè)備施工止水帷幕期間,對(duì)其成樁效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)顯示傳統(tǒng)設(shè)備成樁平均效率為2.5 h/根(平均樁長(zhǎng)為20 m,且需要換桿施工,不能一次成型)。工期估算:本工程高壓旋噴止水樁合計(jì)11 179根,傳統(tǒng)設(shè)備成樁平均效率為2.5 h/根(平均樁長(zhǎng)為20 m),現(xiàn)場(chǎng)配置10臺(tái)高壓旋噴設(shè)備,安排2班人員進(jìn)行全天作業(yè)(效率折算后按0.8計(jì)算),總需天數(shù):11 179根/(24×0.8/2.5)/10臺(tái)=146 d>計(jì)劃工期90 d。根本無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)工期需求。

事后對(duì)試驗(yàn)段傳統(tǒng)設(shè)備施工止水帷幕進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè),如圖3和圖4所示。共計(jì)取芯檢測(cè)30組,水泥加固體松散15組、未取到水泥加固體6組,合格率僅為30%。

圖3 咬合點(diǎn)取芯芯樣

圖4 中心點(diǎn)取芯芯樣

這說明采用傳統(tǒng)高壓旋噴設(shè)備施工,對(duì)于本工程特殊深厚富水圓礫、卵石地層,止水帷幕施工質(zhì)量和效率均不滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

針對(duì)傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備在圓礫、卵石層特殊地層時(shí),采用旋挖鉆進(jìn)行預(yù)成孔,對(duì)止水帷幕孔位區(qū)域圓礫、卵石層進(jìn)行取土置換。預(yù)成孔完成后采用場(chǎng)內(nèi)優(yōu)質(zhì)黏土回填密實(shí),孔位回填完成后,傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備就位進(jìn)行止水帷幕樁體施工。通過此方法改進(jìn),取芯驗(yàn)證質(zhì)量均合格,如圖5所示。缺點(diǎn)是每根處于卵石圓礫層高壓旋噴樁施工時(shí)間進(jìn)一步加長(zhǎng),平均每根成樁效率為3.5 h/根。工期估算:本工程高壓旋噴止水樁合計(jì)11 179根,本文方法成樁平均效率為3.5 h/根(平均樁長(zhǎng)為20 m),現(xiàn)場(chǎng)配置10臺(tái)高壓旋噴設(shè)備,2臺(tái)旋挖鉆引孔,安排2班人員進(jìn)行全天作業(yè)(效率折算后按0.8計(jì)算),總需天數(shù):11 179根/(24×0.8/3.5)/10臺(tái)=204 d>計(jì)劃工期90 d。

圖5 中心點(diǎn)取芯芯樣

這說明此方法施工效率進(jìn)一步降低,更滿足不了總工期需求。且采用旋挖機(jī)配套施工,額外增加施工成本,不利于施工效率和施工成本控制。

綜上所述,針對(duì)本工程特殊卵石圓礫富水地層,采用傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備進(jìn)行施工,止水效果、施工效率低下,不滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求,因此迫切需要對(duì)臨江深厚砂卵石地層止水帷幕進(jìn)行改良試驗(yàn),在保證止水帷幕施工質(zhì)量前提條件下,實(shí)現(xiàn)工序組織的合理運(yùn)行,提高施工效率,縮短施工周期。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

制備水泥土試塊的土樣采用衢州現(xiàn)場(chǎng)土,土物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。具體配比如表2所示。本試驗(yàn)一共選擇5種水泥摻入量,分別為6%、11%、16%、21%和26%,如圖6所示。

表2 試塊配比

圖6 室內(nèi)試驗(yàn)試塊

2.2 試驗(yàn)方法

水泥土試塊養(yǎng)護(hù)完成后在100 kN量程的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),采用位移控制法進(jìn)行加載,加載速率為0.5 mm/min。水泥土試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,試驗(yàn)過程種水泥土試塊應(yīng)力應(yīng)變曲線可由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上的傳感器直接測(cè)得,試驗(yàn)結(jié)果如表3～表5所示,通過試驗(yàn)得到的加載力可以求得試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。采用南55型變水頭滲透試驗(yàn)儀對(duì)28d齡期的水泥土進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

表3 7 d齡期試塊

表4 14 d齡期試塊

表5 28 d齡期試塊

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3～表5可知,同一齡期下,試塊的加載力平均值隨著水泥摻入量的增多而增大。7 d齡期下,當(dāng)水泥摻入量由6%變?yōu)?6%時(shí),加載力平均值由0.89 kN變?yōu)?4.35 kN;14 d齡期下,當(dāng)水泥摻入量由6%變?yōu)?6%時(shí),加載力平均值由1.18 kN變?yōu)?7.64 kN;28 d齡期下,當(dāng)水泥摻入量由6%變?yōu)?6%時(shí),加載力平均值由1.67 kN變?yōu)?2.24 kN。

由圖7可知,水泥摻入量不變的情況下,試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大,并且水泥摻入量越大,其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。7 d齡期下,當(dāng)水泥摻入量由6%變?yōu)?6%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由0.18 MPa變?yōu)?.87 MPa;14 d齡期下,當(dāng)水泥摻入量由6%變?yōu)?6%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由0.24 MPa變?yōu)?.53 MPa;28 d齡期下,當(dāng)水泥摻入量由6%變?yōu)?6%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由0.33 MPa變?yōu)?.45 MPa。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量關(guān)系曲線

此外不同配比試塊強(qiáng)度都會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而增加,水泥摻入量越大,不同齡期試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量越大。

由圖8可知,28 d齡期的水泥土在6%、11%、16%、21%、26%水泥摻入量下的滲透系數(shù)逐漸減小。當(dāng)水泥摻入量達(dá)到11%時(shí),滲透系數(shù)隨水泥摻入量的變化逐漸趨于平緩,為了保證止水帷幕的防水質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)性,可在實(shí)際工程中采用11%的水泥摻入量。

圖8 滲透系數(shù)與水泥摻入量關(guān)系曲線

3 工程應(yīng)用

為“加快進(jìn)度”“節(jié)約成本”“克服砂卵石地層扭矩大的困難”,對(duì)傳統(tǒng)高壓旋噴樁設(shè)備進(jìn)行了改良。

3.1 三軸攪拌樁動(dòng)力頭

單軸攪拌樁動(dòng)力頭功率通常不到100 kW,動(dòng)力頭的功率較小,在深厚富水圓礫、卵石地層成孔效率較低,間接增加了施工成本。故在設(shè)備改造車間改造成了三軸攪拌樁動(dòng)力頭(圖9),匹配的三軸使得其能夠在施工中提供更大的動(dòng)力,動(dòng)力頭功率達(dá)到225 kW,可有效提高其在深厚富水圓礫、卵石地層的成孔效率。

圖9 三軸攪拌樁動(dòng)力頭改裝

3.2 工法樁機(jī)架

常規(guī)高壓旋噴樁施工機(jī)架高度為7～9 m,機(jī)架不穩(wěn)固,施工止水帷幕無(wú)法一次成樁,施工過程中需間接性加長(zhǎng)鉆孔,施工效率低下。

通過比對(duì),采用工法樁機(jī)架(圖10),工法樁機(jī)架高度可達(dá)到25 m,且移位方便,機(jī)架穩(wěn)固,止水帷幕可一次性成樁,無(wú)須加接鉆桿,成樁施工效率高。

圖10 工法樁支架

3.3 合金螺旋葉片桿

普通高壓旋噴鉆桿直徑普遍采用50鉆桿,鉆桿直徑相對(duì)較小,抗扭性能較弱。故在設(shè)備改造車間改造成單軸鉆桿(圖11),直徑采用219鉆桿,且在四周增加了合金螺旋葉片,提升了其抗扭性能,使其能夠克服該地層扭矩大的困難。

圖11 單軸攪拌樁鉆桿改進(jìn)

3.4 桿件形式

多桿為雙桿或者三桿形式,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),針對(duì)本工程卵石圓礫層地質(zhì)結(jié)構(gòu),采用多桿鉆進(jìn)較為困難,無(wú)法成樁,因此采用單桿形式(圖12)。

圖12 單桿形式

3.5 齒型合金鉆頭

為確保設(shè)備正常鉆進(jìn),鉆桿配備齒型合金鉆頭(圖13),加大巖層面接觸和粉碎能力,為卵石圓礫地層順利鉆進(jìn)打下堅(jiān)持基礎(chǔ)。

圖13 單軸攪拌樁鉆桿組成和鉆頭配置

3.6 高壓旋噴機(jī)后臺(tái)

現(xiàn)場(chǎng)采用注漿壓力更大的高壓旋噴設(shè)備后臺(tái)(圖14),注漿壓力可達(dá)到25 MPa,提高了在卵石圓礫層注漿壓力,實(shí)現(xiàn)了土體的充分切削,滿足鉆進(jìn)后攪噴注漿壓力使用需要。

圖14 高壓旋噴機(jī)后臺(tái)配套

3.7 兼容性調(diào)試

為了使得改造的三軸攪拌樁動(dòng)力頭和改進(jìn)的單樁鉆桿能夠組合使用,在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)旋噴后臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)兼容性調(diào)試(圖15),發(fā)現(xiàn)后臺(tái)注漿系統(tǒng)(旋噴后臺(tái))能夠與改造的三軸攪拌樁動(dòng)力頭和改進(jìn)的單樁鉆桿兼容,提升了注漿壓力,實(shí)現(xiàn)了土體的充分切削。

圖15 旋噴樁后臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試鉆和兼容性調(diào)試

通過深厚富水圓礫、卵石地層止水帷幕施工新法實(shí)施后,本工程通過強(qiáng)有力高功率動(dòng)力頭、優(yōu)化改進(jìn)鉆桿質(zhì)量、使用效果更好的旋噴后臺(tái)。在種種效能疊加情況下,目前平均效率達(dá)到1.35 h/根,總用時(shí):11 179根/(24×0.8/1.35)/10臺(tái)=79 d,小于計(jì)劃工期90 d,超前完成了止水帷幕施工。

同時(shí)對(duì)試驗(yàn)段傳統(tǒng)設(shè)備施工止水帷幕和本方法施工的止水帷幕進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)對(duì)比(圖16),各取芯檢測(cè)30組,試驗(yàn)段傳統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)的合格率為30%,采用改進(jìn)設(shè)備后現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)的合格率為100%,合格率大幅提升。

圖16 高壓旋噴樁取芯

本方法采用一種全新的工藝設(shè)備進(jìn)行施工,形成一種強(qiáng)力攪拌旋噴樁,提高了深厚富水圓礫、卵石地層止水帷幕成樁質(zhì)量合格率,節(jié)約了施工成本,加快了施工進(jìn)度,為今后同類型施工提供了可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

采用傳統(tǒng)高壓旋噴設(shè)備施工,對(duì)于深厚砂卵石地層,止水帷幕施工質(zhì)量和效率均不滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。采用旋挖機(jī)配套施工,額外增加施工成本,不利于施工效率和施工成本控制。因此,需要對(duì)止水帷幕進(jìn)行改良試驗(yàn)。

不同配比試塊強(qiáng)度都會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而增加,水泥摻入量越大,不同齡期試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量越大。當(dāng)水泥摻入量達(dá)到11%時(shí),滲透系數(shù)隨水泥摻入量的變化逐漸趨于平緩。為了保證止水帷幕的防水質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)性,可在實(shí)際工程中采用11%的水泥摻入量。

本文采用一種全新的工藝設(shè)備進(jìn)行施工,形成一種強(qiáng)力攪拌旋噴樁,提高了深厚富水圓礫、卵石地層止水帷幕成樁質(zhì)量合格率,節(jié)約了施工成本,加快了施工進(jìn)度。