深埋豎井高富水層高壓旋噴止水帷幕施工技術(shù)

王梓任 喬桂鑫 張路明

(北京金河水務建設集團有限公司，北京 102206)

富水砂層地質(zhì)條件下，深埋井壁施工前，需要進行止水施工。但受豎井周邊地下管廊錨索影響，常用的止水帷幕施工無法實施。為避讓錨索干擾，采用高壓旋噴樁止水帷幕施工方法，將樁體旋噴套接插入相對不透水層中，形成連續(xù)封閉的止水帷幕。查閱相關(guān)文獻[1-4]，在富水砂層深埋豎井中，受到地層和深度影響，高壓旋噴樁鉆孔垂直度和孔斜率易超標，使其無法形成連續(xù)完整的止水帷幕，導致深埋豎井施工時出現(xiàn)滲漏。故從富水細砂地層特性、旋噴樁施工原理分析滲漏原因，通過設計與施工技術(shù)措施，確保在富水砂層深埋條件下高壓旋噴止水帷幕的防滲效果。

1 工程概況

南水北調(diào)配套工程大興支線工程施工第十三標段，緊鄰北京大興機場。修建目的是為北京新機場水廠提供雙水源通道，增加一條南水北調(diào)中線水進京通道。工程主要內(nèi)容為機械頂管施工，頂進線路長2.2km，沿線布置9座約20m深、結(jié)構(gòu)尺寸12.4m×14.4m的矩形施工豎井。豎井采用倒掛井壁法施工，地表以下1m為C30鋼筋混凝土鎖口圈梁。井身采用鋼筋網(wǎng)+縱向連接筋(φ22@500mm)+格柵鋼架支撐(間距500mm)+縱向連接筋(φ22@500mm)+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土支護(C25)，井底采用400mm厚的C30W6F150鋼筋混凝土封底。根據(jù)水文地質(zhì)鉆探，豎井開挖范圍土質(zhì)以細砂為主，地下水位9.6m，地下水儲量豐富，形成了富水砂層的施工條件。

2 富水對工程施工的影響

富水砂層極易出現(xiàn)濕崩解現(xiàn)象，這主要是由于粉細砂土被水飽和后，顆粒間的有效接觸面減小，導致整體結(jié)構(gòu)性喪失；砂土在開挖卸荷后，往往沿軟弱的結(jié)構(gòu)面滑動，表現(xiàn)為整體剪切滑動破壞[5]。富水細砂地層對倒掛井壁法施工豎井的影響主要有以下幾點：施工安全風險增加；井壁穩(wěn)定性下降；施工周期延長；后續(xù)維護難度較大。富水細砂地層的含水量較高，施工時可能導致涌水涌砂、地層塌方、井壁失穩(wěn)等安全問題。由于井壁噴射混凝土防滲效果差，施工豎井的穩(wěn)定性可能降低，需要采取加固措施。涌水常見，需要增加井壁支護、加強排水等措施，導致施工周期和成本增加。豎井漏水、沉降問題突出，日常維護難度較大，需要采取科學的管理措施進行妥善處理。

3 止水帷幕設計

為確保富水砂層豎井施工安全，提高防滲效果，在豎井施工前，在外圍及井底打設高壓旋噴樁，使其形成封閉的止水帷幕。為適應富水砂層的地質(zhì)特征，豎井側(cè)壁樁深度采用22～25m，豎井底部封底樁深度采用3～4m，以抵御富水砂層滲透壓力。豎井側(cè)壁旋噴樁直徑大于600mm，樁中心間距300mm；豎井底部旋噴樁直徑大于600mm，樁中心間距450mm(見圖1)。漿液為水泥漿，水灰比為0.6～1.5，采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5級或以上。鉆桿垂直度偏差不應超過0.5%，鉆孔偏斜率不應超過1%。滲透系數(shù)K≤5×10-6cm/s，抗壓強度R28≥2.5MPa。

圖1 高壓旋噴止水帷幕布置(單位：mm)

4 試樁參數(shù)與結(jié)果

4.1 試樁參數(shù)

針對富水砂層，通過試樁確定水、氣、漿的壓力、流量，鉆機旋轉(zhuǎn)速度、鉆機提升速度。檢驗試驗樁的滲透系數(shù)、抗壓強度、鉆孔偏斜率、樁身完整性等其他各項指標是否滿足工程要求，為后續(xù)大面積開展施工提供合理可靠的參數(shù)(見表1)。

表1 試樁技術(shù)參數(shù)

a.試樁位置及根數(shù)。根據(jù)設計文件的地質(zhì)資料，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，經(jīng)過分析，確定在豎井周邊選取場地進行試樁施工，試樁數(shù)量3根，分別為1號、2號和3號樁。

b.試樁類型。豎井側(cè)壁樁，樁徑600mm，樁間距300mm，樁長25.0m。

c.試樁原材料。水泥為P·O42.5普通硅酸鹽，水泥漿水灰比1.0。

d.試樁機械。根據(jù)設計文件的地質(zhì)資料，經(jīng)過分析，試樁采用地質(zhì)鉆機引孔、高噴臺車注漿施工。

4.2 試樁程序

試樁施工順序為：1號樁→2號樁→3號樁。試樁工藝流程為：施工前準備→測量定位→鉆機就位→鉆孔至設計標高→開始旋噴→不斷提高旋噴高度→旋噴完成→鉆機移位→下一循環(huán)施工。

4.3 試樁結(jié)果

4.3.1 鉆桿垂直度偏差

針對地質(zhì)條件穩(wěn)定、樁長較深的旋噴樁，采用鉆桿及噴射管預拼接方式。將每根鉆桿及噴射管在地面上預先拼接好，并通過起重設備將其整體安裝到鉆機上，再進行鉆進噴射施工。為保證試樁成果，鉆桿垂直度偏差不應超過0.5%。通過對試樁鉆桿垂直度偏差進行測量統(tǒng)計，鉆桿垂直度偏差不滿足設計要求(見圖2、表2)。

表2 鉆桿垂直度偏差測量記錄

圖2 鉆桿垂直度偏差測量示意圖

4.3.2 試驗樁樁體偏移

試樁結(jié)束后在每根樁位上各取3個鉆芯樣本，結(jié)果表明：1號樁的1-1、1-2取芯基本滿足設計深度，1-3取芯不滿足設計深度；2號、3號樁取芯均不滿足設計深度。從圖3、表3可以判斷出，1號樁1-3向1-1方向略有偏移；2號、3號樁有向1號樁明顯偏移趨勢，隨著距離增大，偏移量逐漸增大。鉆芯取樣結(jié)果揭示了樁體偏移受到鉆孔間距、順序和漿液凝結(jié)速率等因素影響。

表3 試樁鉆芯取樣結(jié)果

圖3 試樁鉆芯取樣布置(單位：mm)

通過對設備鉆桿垂直度的測量記錄和試樁后的鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，造成旋噴樁偏斜未咬合現(xiàn)象的主要原因是：樁長較深，設備鉆桿垂直度偏差超過設計要求；試樁逐一施工，施工間隔、距離及樁體凝固時間三者互相影響。

5 高壓旋噴止水帷幕技術(shù)措施

5.1 優(yōu)化設備選型

試樁施工采用的旋噴設備為PH-5D普通型設備，鉆桿尺寸為φ115×10mm，最大扭矩55kN·m，進提鉆力198kN。施工過程中測量鉆桿垂直度偏差不小于0.5%，不符合設計要求。為保證旋噴設備鉆桿垂直度及鉆孔偏斜滿足設計要求，確保旋噴樁形成止水帷幕，選擇鉆桿尺寸為φ150×14mm，最大扭矩90kN·m，進提鉆力320kN，芯樁加固長度0～28m的PH-5D-55深層型旋噴設備。

5.2 改良水泥漿

單液水泥漿液以水泥為主劑，用水配制成漿液，根據(jù)室內(nèi)有關(guān)試驗，隨著水灰比的增大，純水泥漿的黏度、密度、結(jié)石率、抗壓強度等都有很明顯的降低，初凝、終凝時間逐漸延長(見表4)[6]。試樁水灰比為1.0時，初凝時間在14h左右，這意味著其凝結(jié)時間較長。這種情況導致了新施工的旋噴樁對附近已施工的旋噴樁產(chǎn)生影響，進而無法形成連續(xù)封閉的止水帷幕。因此，應對這一問題引起重視，并采取相應的措施來解決。

表4 純水泥漿基本性能

為保證高壓旋噴止水帷幕的施工質(zhì)量，通過添加劑改良水泥性能，達到縮短水泥漿初凝時間的目的。根據(jù)工程實際需要，在水泥漿中加入水玻璃或氯化鈣等添加劑來調(diào)整水泥漿的性能，減小施工過程中對已施工樁體的干擾，提高分序施工效率，以滿足工程對水泥漿液的要求。試驗結(jié)果表明：添加3%的水玻璃或氯化鈣，比純水泥漿初凝時間縮短約50%，終凝時間縮短約40%，抗壓強度滿足設計要求(見表5)[7]。

表5 摻加添加劑的水泥漿基本性能

5.3 分序施工

5.3.1 側(cè)壁旋噴樁

為避免出現(xiàn)串孔，側(cè)壁旋噴樁采用三序跳孔施工。先進行1，5，9，…21施工，待旋噴樁初凝后，再進行3，7，11，…19施工，最后進行2，4，6，…20施工(見圖4)。旋噴施工I序孔相鄰間距不小于1200mm；I序與Ⅱ序孔間距不小于600mm；Ⅲ序孔為套接孔，咬合直徑不小于600mm，使其形成旋噴止水帷幕。

圖4 三序跳孔施工(單位：mm)

5.3.2 封底旋噴樁

封底旋噴樁先進行I序孔施工，再進行Ⅱ序孔施工。由于旋噴樁直徑大于600mm，樁中心間距450mm，樁身不大于4m，深度較淺，不存在串孔現(xiàn)象，采取二序跳孔逐排施工即可滿足豎井底部止水帷幕設計要求(見圖5)。對封底樁進行實體檢測，各項指標均滿足設計要求。

圖5 二序跳孔逐排施工(單位：mm)

6 質(zhì)量檢驗

6.1 鉆桿垂直度檢驗

為檢驗技術(shù)措施的有效性，在更換設備后，進行了3組試樁試驗，每組試樁3根，共計9根。在試樁過程中，對鉆桿垂直度偏差進行了記錄，結(jié)果顯示更換設備后鉆桿垂直度滿足設計要求(見表6)。

表6 鉆桿垂直度偏差測量記錄

6.2 樁身實體檢驗

采用鉆芯取樣和注水試驗，判斷樁身垂直度、抗壓強度及滲透系數(shù)是否滿足設計要求。每組試樁選取1根進行實體檢測，利用鉆機鉆孔取芯至設計深度，觀察芯樣的連續(xù)性和完整性，判斷樁身垂直度。再由深至淺隨機抽取3件水位線內(nèi)芯樣進行抗壓強度試驗，判斷樁身質(zhì)量。最后，在水位線內(nèi)鉆孔進行注水試驗，逐漸改變試驗水頭高度，每5m記錄一次流量數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)范計算公式，計算出滲透系數(shù)。通過對9根試樁樁身實體檢驗，其樁身垂直度、抗壓強度及滲透系數(shù)滿足設計要求，技術(shù)措施有效(見表7)。

表7 樁身實體檢測記錄

7 結(jié) 論

通過富水砂層深埋豎井高壓旋噴止水帷幕施工技術(shù)的應用，得出以下結(jié)論：

在深埋富水砂層條件下，受地層和深度影響，旋噴樁垂直度偏差控制較為困難。故從設計方面，采用側(cè)壁和封底旋噴樁聯(lián)合布置，插入相對不透水層，減少旋噴樁咬合不嚴密的情況，提高了止水帷幕效果。在試樁施工時發(fā)現(xiàn)，深埋條件下旋噴樁鉆孔垂直度偏差超標，導致樁體咬合不嚴密，止水帷幕效果差。通過優(yōu)化設備選型，選擇適合地層和深度的機械設備，使鉆孔垂直度偏差在可控范圍，提高了樁體咬合質(zhì)量。

施工采用排打法時，由于鉆孔順序、距離及漿液凝固時間問題，導致鉆機噴漿時出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，造成止水帷幕成型難的問題。通過改良水泥漿性能，縮短水泥漿初凝時間，根據(jù)漿液固結(jié)時間，合理安排分序跳孔施工順序，避免了串孔影響，提高了止水帷幕成型效果及防滲性能。施工技術(shù)措施實施后，通過檢查鉆桿垂直度偏差滿足設計要求。并對樁身進行了實體檢驗，樁身的垂直度、抗壓強度和滲透系數(shù)均滿足設計要求，措施實施有效，為后續(xù)類似條件下的止水帷幕施工提供了經(jīng)驗。