粗砂砾石地层中高压旋喷桩隔水帷幕施工技术

摘要

太原万达广场A2区商住楼基坑工程部分区域为粗砂砾石地层，基坑隔水帷幕中深层搅拌桩无法有效使用。提出了在粗砂砾石地层采用高压旋喷桩隔水帷幕的施工技术方案，采用双套管锚杆钻机引孔、单管高压喷射工艺进行施工，成功实施了这一工程。经检查，喷射注浆体相互咬合良好，有效桩径内水泥含量均匀无夹块现象，隔水帷幕止水效果良好。

关键词

基坑工程; 隔水帷幕; 高压旋喷桩; 粗砂砾石层

0 引言

随着城市现代化的进程，推进了城市地下空间的开发，基坑工程需穿越更深、更复杂的地层，这对深基坑工程的隔水帷幕施工技术提出了更高的要求^［1-3］。隔水和降水是深基坑工程的重点和难点问题，隔水帷幕能够最大限度地阻断基坑内外水层的交流，防止地下水渗漏^［4-6］，因此建立隔水帷幕是解决基坑降水困难时的重要途径。

目前，常见的隔水帷幕有水泥土深层搅拌桩、高压旋喷桩、咬合桩、钢板桩、地下连续墙等^［7-10］。其中，深层搅拌桩多适用于较浅的软弱地基层，当隔水帷幕穿越质地坚硬、颗粒粗大的渗透性良好的粗砂砾石地层时，由于地下水径流强烈，成孔后不稳定，极易塌孔，采用水泥土深层搅拌桩隔水帷幕施工技术难以满足设计要求，止水效果得不到保证。高压喷射注浆技术因其在成桩时对周围土体的加固作用，可适用于渗透系数良好、径流补给明显的砂砾石地层。

本文针对太原万达广场A2区商住楼工程项目基坑隔水帷幕工程中深层搅拌桩无法有效使用的技术难题，通过对地层相关技术资料的分析研究，提出了在粗砂砾石地层采用高压旋喷桩隔水帷幕施工技术的方案，并成功实施了这一工程，总结了该技术的施工工艺、技术要求和质量保证措施，证明了其应用价值。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

太原万达广场项目位于山西省太原市老城区的核心区域，紧邻内城水系的“龙眼”龙潭公园东侧，雄踞太原古城西北角。该项目北为北大街，西邻新建路，东紧邻解放北路，南至旱西门街。规划总用地面积44.22万m²，总建筑面积148.30万m²，其中A2区拟建建筑物为6栋地上32层、地下2层住宅楼群。

太原万达广场A2区A-5、7、8、9号商住楼项目基坑开挖深度为5.90~7.50 m，计划施工内容有降水井施工、土钉墙施工、高压旋喷桩及深层搅拌桩隔水帷幕施工。其中降水设计为开挖344口Ø600 mm、井深12 m的大口井作为降水井；基坑支护分10个剖面进行土钉墙施工，施工面积达6499 m²；3排深层搅拌桩设计桩径500 mm，桩顶埋深-2.50 m，桩孔深12 m，桩中心距350 mm，水泥型号P.S.A 32.5，单排旋喷桩设计桩径600 mm，其余设计参数与深层搅拌桩一致。

1.2 地质条件

1.2.1 工程地质条件

本工程场地范围内地层发育情况自上而下为：①层填土；②层工程地质条件复杂，各区域地层岩性不同，呈粉质粘土、粉细砂、细砂及粗砾砂交互分布，顶界面标高777.17~784.80 m，底界面标高772.13~779.60 m，层厚0.6~10.2 m；③层粉土，该层厚度稳定，可视为地层标志层，隔水帷幕可止于此层。

1.2.2 水文地质条件

本工程所在场地共有3层地下水。场地内首层地下水为孔隙潜水，主要靠大气降水及侧向径流补给；二层以下地下水为承压水，主要靠侧向径流补给。稳定水位在自然地面下2.10~3.70 m。

2 隔水帷幕设计

本工程原设计采用3排水泥土深层搅拌桩隔水帷幕隔水，帷幕内部布设降水疏干井。施工中发现在9号楼西北侧、8号楼东南侧及7号楼东南侧部位，深层搅拌桩帷幕施工不能满足设计要求。经过对A2区地勘资料进行归纳、整理和研究后发现，③层粉土可视为地层标志层（该层厚度稳定，隔水帷幕设计也止于此层），在此层之上（剥去填土①层）地层岩性平面分布具以下明显特征（见图1）：在8、9号楼连线方向（北东—南西）发育一条斜穿A2区中间部位、宽100~110 m、一般厚度5~7 m最大厚度10 m的②层粗砾砂古河道沉积带。由该地区水文地质条件可知，地下水流向粗砾砂层古河道沉积带处（流动方向如图中箭头所示），地层渗透系数为6×10^-3 cm/s，地下水有较大的流速和流量，造成地下水径流强烈；同时该地层主要为粗砂砾层，由于深层搅拌法适用于土层，对于密实度稍高的砂砾层不适用，导致深层搅拌桩无法施工。基于此情况，在该部位改用高压旋喷桩隔水帷幕施工方案。

图1 填土①层与粉土③层之间地层岩性分布

Fig.1 Lithologic distribution between backfill ① layer and silt ③ layer

高压旋喷桩总体设计桩数为2055根，总工程量为26493 m，桩位布置如图2所示（虚线框为旋喷桩部位），各部位具体设计工程量如表1所示。本工程施工采用双套管锚杆钻机引孔，单管高压喷射工艺。特点是：钻机引孔与高压旋喷分2步进行，能确保满足设计要求。

图2 高压旋喷桩隔水帷幕桩位总体布置

Fig.2 General layout of high pressure jet grouting piles for the water cut‑off curtain

表1 高压旋喷桩设计工程量

Table 1 Designed quantity of high pressure jet grouting piles

部位	长度/ m	桩间距/ m	数量/ 根	桩长/ m	工程量/ m
1-1	22.80	0.30	76	12.00	912.00
2-2	93.25	0.30	311	12.00	3732.00
	56.21	0.30	188	13.00	2444.00
3-3	36.90	0.30	123	12.00	1476.00
3a-3a	29.70	0.30	99	12.00	1188.00
	122.08	0.30	407	13.00	5291.00
	9.90	0.30	33	15.00	495.00
7-7	97.70	0.30	326	12.00	3912.00
	17.40	0.30	58	14.00	812.00
	83.10	0.30	277	15.00	4155.00
8-8	46.98	0.30	157	12.00	1884.00
接头			16个		192.00
合计					26493.00

3 高压旋喷桩隔水帷幕施工技术

3.1 施工技术要求

根据高压喷射注浆法的主要特点，从施工设备、注浆材料和质量检查与控制3个方面对高压旋喷桩的施工技术提出了新的要求。

（1）施工设备：主要包括钻机和高压发生设备2部分^［11-13］。依据需要采用单管、二重管或三重管不同的喷射方式进行旋喷作业时所使用的机具类型和数量不同。高压喷射注浆工艺要求所用钻机除具备一般钻机的功能外，还要有带动注浆管以10~20 r/min慢速提升功能。不具备以上2种功能的钻机，必须改制或另配备旋喷机和钻机结合使用。高压发生设备主要有高压泵、泥浆泵、空压机、注浆管、高压胶管、液体流量计、风量计等。本工程中高压旋喷桩引孔所用的是双套管锚杆钻机，满足施工对钻机的要求，并搭配单管喷射法进行施工作业，如图3所示。

图3 钻机现场施工

Fig.3 Drilling rig at work

（2）注浆材料：高压喷射注浆材料分主材与外加剂。主材为水泥，常用水泥有普通硅酸盐水泥、高早强水泥、低热水泥和抗硫酸盐水泥等，对于无特殊要求的工程，一般选用32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。主材、外加剂使用前都需要进行专门的检测。

（3）质量检查与控制：质量检查的内容包括固结体的整体性和均匀性、有效直径、垂直度、强度等。检验点的数量为施工注浆孔数的2%~5%，对于不足20孔的工程，至少应检验2个点，不合格者应进行补喷。主要通过开挖检查、钻孔取心、静载荷试验、小应变动力测试等方法进行检查与控制^［14-16］。

3.2 旋喷桩施工设计参数

根据勘查报告地层特点，设计要求用单管高压旋喷桩进行隔水帷幕施工，设计具体参数如下：

（1）旋喷注浆选用颗粒细、稳定性好的32.5级矿渣硅酸盐水泥。

（2）水泥浆液的水灰比越小，高压喷射注浆体相互结合越好。在施工中因注浆设备的原因，水灰比太小时，喷射不畅，易堵塞喷嘴及加快高压泵柱塞的老化，故水灰比一般选0.6~1.5之间，因本场区潜水较为丰富，取水灰比0.6为宜。

（3）设计旋喷桩尺寸及布置参数：桩径600 mm，桩深12~15 m，桩底进入相对隔水层1 m，桩间距300 mm，相互咬合300 mm。

（4）结合国家规范和地区施工经验，以及现场施工试验，确定高压喷射注浆压力为20 MPa，旋喷速度为10~20 r/min，提升速度为80~250 mm/min。

3.3 施工工艺流程

（1）形成施工平台，施工平台误差控制在150 mm范围内。

（2）测量人员按图纸放样定位，孔位偏差±50 mm内。

（3）采用套管跟进钻机引孔。

（4）钻至设计深度后，边提升边喷浆至地面一次成桩完毕。

（5）旋喷桩前后两组桩相互切割，一次成墙完成一个施工单元。

3.4 质量保证措施

为保证高压喷射注浆法的成桩质量，施工时要做好如下质量保证措施：

（1）旋喷施工时要求采用间隔跳打的方式进行。

（2）钻机或旋喷机就位时机座放平稳，立轴或转盘要与孔位对正，倾角与设计误差≯0.5°。

（3）采用清水钻进引孔，引孔钻进至设计桩底标高后，下高压旋喷管至孔底，先喷射1 min浆液后，再按设计转速和提升速度自下而上喷射注浆。

（4）喷射注浆前要检查高压设备和管路系统。设备的压力和排量必须满足设计要求，管路系统的密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂物。

（5）喷射注浆过程中，严格控制旋喷压力、提升速度、旋转速度和喷浆量等技术指标。应重点观察冒浆情况，以及时了解土层变化情况、喷射注浆的大致效果和喷射参数是否合理。采用单管喷射注浆时，根据地勘报告可知，该粗砂砾石层渗透系数为6×10^-3 cm/s，故冒浆量小于注浆量20%为正常现象，超过20%或完全不冒浆时，应查明原因并采取相应措施。若因地层中有较大空隙引起的不冒浆，可在浆液中掺加适量速凝剂或增大注浆量；如冒浆过大，可减少注浆量或加快提升和回转速度，也可缩小喷嘴直径，提高喷射压力。并做好现场记录。

（6）送浆要均匀。如在喷射注浆过程中钻头被堵塞、钻机和高压泵等出现故障而被迫停机或发现停喷应立即处理；修钻机时，应将送浆管等机具中的余浆用清水冲洗干净，以免造成下次旋喷时管路堵塞；再次喷浆时，重复搭接长度≮1 m，以防断桩。

（7）注浆完毕，若发现桩顶部位脱空较大，可在原孔位采用冒浆回灌或二次注浆等措施处理。

4 高压旋喷桩隔水施工效果

为保证高压旋喷桩质量，在施工期间和施工结束后，对8号楼南侧旋喷桩进行开挖检查，开挖后成桩直径在600~700 mm，与设计尺寸吻合，喷射注浆体相互咬合良好，有效桩径内水泥含量均匀无夹块现象，证明隔水帷幕止水效果良好。

5 结论

通过对太原万达广场A2区商住楼工程项目基坑隔水帷幕施工可得出如下结论：

（1）隔水帷幕施工穿越渗透系数良好、径流补给明显的粗砂砾石地层时，深层搅拌桩无法施工，可采用高压旋喷桩进行施工。

（2）粗砂砾石地层对高压旋喷桩隔水帷幕施工技术要求较高，为保证桩体质量，需要有明确的技术要求和质量保证措施，同时施工结束后要对高压旋喷桩进行隔水效果检查。

（3）工程实践证明，高压旋喷技术对粒径大、质地坚硬、径流补给明显的粗砂砾石层中的隔水帷幕施工有较高的应用价值，能够较好地解决穿越石渣料等大颗粒地层的难题，是一种施工方便、工期短、效果明显的隔水手段，在水量丰富的大颗粒地层可充分应用。