浅谈双重管高压旋喷桩内插钢管法在深基坑围护结构施工中的应用

王启辉

【摘要】通过双重管高压旋喷桩内插钢管围护结构施工的工程实例，介绍了双重管高压旋喷桩施工方法、机械设备选型、施工工艺、施工技术参数的确定及施工质量控制等方法，验证了双重管高压旋喷桩内插钢管法在深基坑围护结构施工中的良好效果。

【关键词】双重管；高压旋喷桩；内插钢管；深基坑；围护结构；施工

引言：随着城市建设的发展，地铁施工已成为其中的重要板块，在城市建构筑物、地下管线高度密集、交通干道繁忙的前提下，对于城市地铁的施工要求越来越高。在常用的地铁深基坑围护结构施工方法中，地下连续墙、灌注桩、钢板桩等施工方法采用的大型施工机械设备对施工场地的平面和空间有较高的要求；一但地铁深基坑受到城市建构筑物平面和空间限制时，大型施工机械设备就发挥不出其优势，而采用双重管高压旋喷桩内插钢管的施工方法既灵活，又能保证基坑施工的安全和质量。本文介绍了高压旋喷桩内插钢管围护结构在广州市轨道交通三号线天河客运站Ⅲ号通道深基坑中的应用，作为受场地条件及建（构）物净空限制，且地质复杂的深基坑工程，为以后本地区类似工程的施工提供了一些参考经验。

1、工程简介

1.1工程概况

广州市轨道交通三号线天河客运站Ⅲ号通道位于三号线天河客运站中部东侧，下穿华南路E匝道桥，横穿广汕公路，伸至广汕公路与长兴路路口停车场。地面为主要交通干道，交通十分繁忙，车流量极大。三号线天河客运站Ⅲ号通道总长度117.9m，为地下一层框架结构，采用明挖顺作法施工。其中，Ⅲ号通道下穿华南快速路E匝道桥桥下部分长4.6m，桥下净空在1.98～2.34m之间，基坑边距E匝道桥0#桥台锥坡底3.65m，距1#桥墩7.6m，墩、台基础均为钻孔灌注桩。通道结构顶板埋深约3.7m，结构宽6米，高4.9m，结构厚度为0.5m，桥下基坑平面布置图如下：

Ⅲ号通道平面示意图

1.2工程地质

本工程结构顶板位于<4-1>冲积-洪积土层，底板位于<5H-1>花岗岩残积土层，其余部分（侧墙）位于<3-2>冲积、洪积砂层。花岗岩残积土为砂质粘性土及砾质粘性土，土质的均匀性较差，砂层密实度较差，富水性较强，稳定性差，尤其在地下水作用下极易坍落，具体地质情况及地层物理力学参数如下：

Ⅲ号通道地质剖面图

地层物理力学参数表

岩土名称 岩土分层 天然密度 天然含水量 孔隙比 剪切试验 渗透系数

天然快剪 固结快剪

粘聚力 内摩擦角 粘聚力 内摩擦角

ρ w e c φ c φ k

（g/cm3） （%） （kpa） （°） （kpa） （°） （m/d）

人工填土层 <1> 1.890 —— —— —— —— —— —— 0.500

冲积～洪积砂层 <3-2> 1.900 —— —— —— 30.000 —— —— 10.000

冲积～洪积土层 <4-1> 1.930 25.700 0.762 21.200 19.900 25.800 22.700 0.020

河湖相沉积土层 <4-2> 1.730 50.400 1.352 7.100 6.000 8.200 6.500 0.005

可塑状花岗岩残积土层 <5-1> 1.840 27.100 0.853 20.500 23.500 27.000 25.000 1.500

硬塑～坚硬花岗岩残积土层 <5-2> 1.870 24.400 0.800 26.400 25.600 29.000 27.500 1.500

1.3水文地质

本工程地下水水位埋藏变化较大，初见水位埋深为1.1～3.1m，标高为20.44～22.84m。稳定水位埋深1.2～3.1m，标高为20.77～22.54m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年5～10月大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降。

2、施工方法的确定

天河客运站Ⅲ号通道下穿华南快速路E匝道桥下净空在1.98～2.34m之间，基坑边距E匝道桥0#桥台锥坡底3.65m，距1#桥墩7.6m，场地内地下管线较为复杂，若采用地下连续墙、灌注桩及钢板桩等常规施工方法，成槽机、冲击钻机、旋挖钻机及打桩机等施工设备因受场地小和华南快速路E匝道桥下净空不足而无法展开施工。又由于本工程工期较紧，经过与业主、设计等相关单位协商沟通，结合以往的施工经验，经计算分析，采用双重管高压旋喷桩内插钢管法施工是可行的，具体的施工方法为：E匝道桥外基坑围护结构采用φ800钻孔灌注桩加混凝土支撑组合形式的方法进行施工，E匝道桥下基坑围护采用4排φ800双重管高压旋喷桩内插φ89（t=4.5mm）钢管围护加Ⅰ45a工字钢支撑组合形式的方法进行施工。为保证旋喷机有工作空间，在基坑围护结构施工前，先将下穿桥下通道范围内的地面向下降2m，采用土钉锚固边坡，再进行围护结构施工。

3、机械设备选型

由于天河客运站Ⅲ号通道下穿华南快速路E匝道桥桥下通道围护结构采用双重管高压旋喷桩内插钢管的施工方法，在地面标高降低2m后，結合在广州地铁以往的施工经验和设备情况调查，本工程采用的施工设备情况如下表：

主要施工设备表

序号 设备名称 规格型号 单位 备注

1 地质钻机 GY-1A 1台

2 旋喷钻机 GX-1 1台

3 旋喷高压泵 XPB-90D 1台

4 高压清水泵 3XB 1台

5 水泥浆搅拌器 ― 1台

6 高压胶管 JB.B 35m

7 空压机 W-3.5/5-J型 1台

4、施工工艺

双重管高压旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程，将预先配制好的浆液通过注浆输送管与空压机风管输出的压缩空气在喷嘴处混合，从喷嘴中高速喷射出来，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而使地基达到加固。

4.1 施工工艺流程

（1）双重管高压旋喷桩施工工艺流程：施工准备→测量定位→钻机就位→钻孔、插管（制备水泥浆）→喷射注浆→成桩→桩机移位。

（2）无缝钢管施工工艺流程：钻孔定位→钻机就位→钻孔及跟管→清孔→注浆→二次注浆→养护。

4.2施工控制要点

（1）测量定位：根据施工平面布置图，采用全站仪测出双重管高压旋喷桩及无缝钢管钻孔中心位置和标高。

（2）钻机就位：将钻机安置在现场精确测设的孔位上，使钻头对准孔位中心。钻机安装定位应准确、水平、稳固。钻机就位后作水平校正，使其钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置，钻杆垂直度应<1%。就位后，进行低压（0.5Mpa）射水试验，检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。

（3）钻孔、插管：采用双重管旋喷桩注浆管进行钻孔作业时，钻孔和插管两道工序可以合二为一。开钻前，根据设计桩长选用钻杆，并逐一丈量钻杆，计算钻具总长，钻具总长减去设计桩长即为机上余尺，利用机上余尺控制成孔深度，确保达到设计要求，钻孔位置与设计孔位偏差不得大于50mm。桩机移位时，即开始按试验最终确定的水灰比制备水泥浆。

（4）喷射注浆：注浆过程应严格执行试验最终确定的施工技术参数，控制好注浆压力和提升速度，并做好施工记录。

（5）桩机移位：施工完成后，应冲洗干净注浆管等机具设备，再将钻机等设机具备移至新孔位。

（6）双重管高压旋喷桩的强度达到设计后，采用地质钻机在每根高压旋喷桩中心取芯成孔，终孔、清孔合格后下φ89的无缝钢管，采取试验确定的水灰比进行钢管内注浆。

5、桩位布置与施工技术参数的确定

（1）桩位布置

天河客运站Ⅲ通道底板位于<5H-1>花岗岩残积土层中，为砂质粘性土及砾石粘性土，土质的均匀性较差，砂层密实度较差，富水性较强，稳定性差，尤其在地下水作用下极易坍落，为满足基坑开挖变形控制要求，结合以往的施工经验，下穿华南快速路E匝道桥下段通道基坑围护结结构桩位布置为：基坑底采用φ500mm单重管旋喷桩加固，基坑围护结构采用4排φ800mm双重管高压旋喷桩内插φ89（t=4.5mm）钢管围护，具体的桩位平面布置如下：

基坑围护结构桩位平面示意图

（2）施工技术参数的确定

根据规范，结合在广州市轨道交通线的施工经验，为防止地下水上浮和基底隆起，可利用双重管高压旋喷桩施做围护结构和单重管旋喷桩加固基底是有效、可靠的方法。若要确定合理、经济的施工参数，在双重管高压旋喷桩施工前，先在施工场地外施做3组试验桩，以确定最佳的施工技术参数，经试桩，工艺参数结果如下表：

试验桩施工技术参数对照表

桩号 设计桩径 注浆压力 提升速度 旋转转速 水泥浆液水灰比 水泥用量 注浆流量 空气流量

mm Mpa mm/min r/min kg/m L/min m3/min

试验桩1 800 24 180 12 1.1 350 50 1.2

试验桩2 800 26 150 15 1.2 450 60 1.5

试验桩3 800 28 120 18 1.2 500 70 1.8

对3组试验桩采取浅层开挖检查和静载荷试验相结合的方法进行检测。试验结果说明，复合地基承载力特征值fak≥150Kpa，双重管高压旋喷桩28天无侧限抗压强度qu>3Mpa，均满足设计和规范要求。最终确定的施工技术参数如下：

注浆压力26Mpa，提升速度150mm，旋转转速15r/min，水泥浆液水灰比1.2；

水泥用量450kg/m，注浆流量60L/min，空气流量1.5m3/min，水泥P.O.42.5级。

6、施工质量控制

（1）旋喷桩、无缝钢管等施工材料进场前应进行检验，合格后方可使用。

（2）测量定位准确，钻杆垂直，搭接合规，桩心偏差控制在50mm以内，垂直度偏差小于192mm。

（3）根据试验施工技术参数施工，严控施工流程，确保旋喷桩的质量。特别是在注浆提升过程中应保持钻杆的旋转和提升连续不断，拆卸钻杆继续旋喷时，其搭接长度不小于100mm。

（4）对旋喷桩进行荷载试验，现场取样，确定单桩承载力，检验单轴抗压强度。

（5）无缝钢管两端应加工15cm长的丝扣，在钢管上每隔10cm加工φ10mm的泄浆孔，成梅花型布置。受现场条件影响，每根无缝钢管长度分别为3m和4.5m，为了使相邻两桩在同一垂直面上的接头不超过总管数的50%，3.5m和4.5m管要错开布置。

（6）无缝钢管安装应严格按工程工艺流程进行，安装质量应满足设计和规范要求。

（7）注浆前先冲洗无缝钢管内杂物，再将注浆管插入孔底，采用水灰比1.2水泥浆由下往上顺序注浆，直至水泥浆从无缝钢管顶口流出浓浆为止。

7、施工效果

为确定双重管高压旋喷桩复合地基围护结构的加固效果，选取了3组芯样（直径4cm，高度8cm）采用应变式无侧限压缩仪试验。经试验，双重管高压旋喷桩内插钢管围护结构的无侧限抗压强度最小值为4.07Mpa，大于设计值3Mpa，满足设计要求。基坑开挖后，围护结构墙体无渗漏水，第三方监测单位监测数据显示：基坑四周地面累计沉降量为2.2mm，华南快速路E匝道桥墩台累计沉降量为2.8mm，桥下明挖段基坑围护结构侧向变形值为-17.8mm，均小于报警值 24mm和控制值30mm，说明基坑安全、稳定。

8、结语

①通过对广州市轨道交通三号线天河客运站Ⅲ号通道采用双重管高压旋喷桩内插φ89（t=4.5mm）钢管围护结构加固的工程实例，表明地铁深基坑在受场地平面及城市建（构）筑物净空限制，无法采用刚度、强度较大的围护结构措施情形下，采用双重管高压旋喷桩内插钢管围护结构在地铁深基坑施工中是可行的，其围护结构具有较好的安全性、稳定性和止水性。②该工程实例也表明在地下含水量丰富的砂层、冲-洪积土层、河湖相沉积土层、残积土层以及风化巖层的城市深基坑施工中，采用双重管高压旋喷桩加固地基是一种较好的方法，并且加固效果明显，质量良好。③保证高压旋喷桩加固地基的关键是根据工艺性试验选取合理的设备和施工技术参数。④本文为城市深基坑在受场地面积及建（构）筑物净空限制时，不能采用常规施工方法，而采用双重管高压旋喷桩内插钢管围护的类似工程提供了一些经验参考。

参考文献：

[1]建筑地基处理技术规范（JGJ79-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]龚晓南.地基处理手册（第三版].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]建筑基坑支护技术规程，北京，中国建筑工业出版社，2012.