高压旋喷加灌注桩在卵砾石地层基坑支护工程中的应用

2015-12-16胡胜华刘宝斌

西部探矿工程 2015年2期

关键词：砾石喷浆水泥浆

胡胜华，谭靖，刘宝斌

（1.湖北鄂西地质基础工程有限公司，湖北宜昌443100；2.武汉地质调查中心，湖北武汉430205）

高压旋喷加灌注桩在卵砾石地层基坑支护工程中的应用

胡胜华*1，谭靖2，刘宝斌1

（1.湖北鄂西地质基础工程有限公司，湖北宜昌443100；2.武汉地质调查中心，湖北武汉430205）

结合宜昌当阳东城明珠小区基坑支护工程实践，叙述了高压旋喷加灌注桩技术，在卵砾石地层基坑支护工程中形成防渗帷幕的应用，阐明了高压旋喷桩的加固成桩机理、工艺流程、技术参数、主要工序的施工质量控制方法、效果分析以及高压旋喷桩的优点和应用前景等。

高压旋喷；灌注桩；基坑支护；防渗帷幕；加固机理；施工技术

1 工程概况

湖北当阳市东城小区基坑支护工程为一层地下室基坑（主楼高17层），建筑物设计室内±0.00相当于黄海高程63.10m，基坑面积约13869.5m2，设计坑底标高57.60m，坑顶高程约60.7～62.0m，坑深3.1～4.9m，基坑工程重要性等级为二级。本基坑支护防渗帷幕采用高压旋喷加灌注桩（6～7层既有建筑物附近）辅以土钉锚喷护坡（面），由湖北鄂西地质基础工程有限公司承担工程施工。

2 地质情况

2.1 工程地质

场区北、东紧临当阳市主要水源渠道——百里长渠，周围建筑物密集，多为4～7层，既有建筑物与支护结构最近约5m。确保邻近既有建筑物安全和基坑止水帷幕的止水效果是重点和难点。场区地势较平，属一级阶地地貌单元，地层成因类型为：上部第四系覆盖层为冲、洪积成因，下卧基岩为泥岩，属海相碎屑沉积成因。该建筑场地内的地基土自上而下为①杂填土、②卵砾石、③泥岩。

（1）杂填土：场区均有分布，杂色，以粘性土、粉土为主，含量70%以上，夹少量碎石、砖渣，堆积时间超过5年，密实度较差。本层厚为1.00～3.50m。

（2）卵砾石：杂色，松散，卵石含量40%，粒径20～60mm，圆砾含量25%，粒径5～20mm，主要成分为石英石岩、燧石等，充填粉细砂。本层厚度为6.7～12.0m。

（3）泥岩：灰白色，岩芯呈短柱状、长柱状，岩石极软，岩体较破碎—较完整，RQD65%～80%，岩体基本质量等级Ⅴ级。该层为良好的持力层。

2.2 水文地质

场区地下水赋存于卵砾石层中的孔隙潜水，受大气环境影响不大，其补给源主要为附近河水，水位与河水同步。根据场地地层的岩土性质，第①层杂填土为弱透水层,第②层卵砾石为强透水层，第③层泥岩为微透水层，属相对隔水层。

3 高压旋喷加固成桩机理

高压旋喷注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进地层的预定位置后，以高压设备使浆液或水（空气）成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒（卵砾石）强制搅拌混合，浆液凝固后，形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的[1]。

三管法旋喷是一种水、气喷射、浆液灌注搅拌混合的方法，即用3层喷射管使高压水和空气同时横向喷射并切割土体，借助空气上升力把被破碎的部分土体排出地表，与此同时，喷浆嘴将低压水泥浆喷射注入到被切割、搅拌的地基中，随着钻杆（喷嘴）作旋转和提升运动，使水泥浆与土体（卵砾石）混合、凝固，达到加固目的，形成较大的固结体，加固直径可达800～2000mm。喷射注浆法的加固半径和很多因素有关，其中包括喷射压力、提升速度、被加固土体的抗剪强度、喷嘴直径和浆液稠度等[2]。高压喷射流在切割破碎土体过程中，在边缘的剩余压力对土层还有一定的压密效果，固结体相互咬合，桩端进入基岩，形成止水帷幕。

4 支护工程设计

（1）采用旋喷套接的封闭式高喷墙作为基坑支护止水帷幕。高压旋喷桩设计直径800mm，底部进入泥岩1.0m，相邻两桩中心间距700mm，相互咬合100mm，采用三管法施工，需先用工程地质钻机施打110～130mm的先导孔。在G—H段采用3排高压旋喷桩加固，即坑内侧一排进入基岩，相邻两排桩深5m，形成宽度2m的加固区，在D—E段（4层既有建筑物附近），采用2排进入泥岩的高压旋喷桩加固，两排桩相互咬合100mm。

（2）灌注桩布置在既有建筑物附近B—C段，桩直径600mm，底部进入泥岩1.0m，相邻两桩中心间距1200mm，桩外侧用高压旋喷桩止水。支护结构与既有建筑物之间采用花管注浆，注浆花管用Ø48mm钢管制作，长5m，间距1000mm，注入M20水泥砂浆。灌注桩顶用冠梁连接，冠梁宽700mm，高600mm，C30混凝土，其顶面高程比自然地面稍低。

（3）桩前余土顶部平齐既有建筑物基础，顶宽3m，坡比1∶1，采用土钉挂网喷砂浆护坡（面）。土钉花管外径Ø48mm，长1.0m，间距1000mm×1000mm，布设眼孔，打（振）入坡面，注M20水泥砂浆，坡面挂16#铁丝网，网孔尺寸100mm×100mm，喷射M20水泥砂浆，厚度50mm。喷射砂浆护面层预留泄水孔，Ø50mmPVC泄水管，长300mm，间距1500mm×1500mm，梅花布置。

（4）在坡顶四周设置截水沟，坑底四周设置排水盲沟和集水井，用潜水泵将坑底的水排出坑外。

5 主要施工工艺及控制措施

5.1 高压旋喷施工工艺

（1）高压旋喷施工工艺流程如下：准备工作—引孔钻机就位—钻进成孔—制浆—过滤—插管—试喷—加压喷射、成桩—废浆处理—拔管、设备清洗—移位。

（2）高压旋喷施工要点：

①主要设备选择如表1所示。

表1 主要设备选择表

②按规划红线和建筑物设计轴线、基坑支护设计图等测放支护结构轴线、钻孔位置，用工程地质钻机施工引孔，引孔直径Ø110mm～Ø130mm，深度以进入持力层（泥岩）1.0m控制。原则上采用清水钻进，若出现垮孔，采用优质膨润土作为制浆的主要材料，施工时，分别建立钻进泥浆系统与高压旋喷水泥浆系统，防止串浆、混浆。

③水泥浆液制备：选用32.5的复合硅酸盐水泥，浆液水灰比（1∶1）～（1∶1.5），搅拌水泥浆时，先往搅拌桶中加水，然后加水泥，每次搅拌时间不少于2min，搅拌好的水泥浆过滤后放入集料箱中，集料箱要有低速搅拌机不断搅拌，保持水泥浆液良好的可喷性。

④试喷：下喷射管前，要在地面进行试喷，检查高压设备和管道系统以及各项技术参数，设备的压力和排量必须满足设计要求。各部位密封圈必须良好，各管道和喷嘴内不得有杂物，并做高压水射水试验。在下放旋喷管时，为防止喷嘴堵塞，可边下放喷浆管边喷射低压水，直到孔底。

⑤高压旋喷浆液作业：将注浆管下放到设计深度后，启动高压水射流泵、注浆泵和空压机，即可供浆、供风、供水开喷。待各压力参数和流量参数均达到要求，且孔口已返出水泥浆时，在孔底停浆约0.5min，即可按设计要求的速度徐徐提升钻杆，进行高压旋喷作业。借喷射旋转提升的协调作用，将水泥浆和原土中的粗颗粒、砂砾石等物质旋转成一体，固结后成桩。注浆管分段提升时的搭接长度不得小于100mm。在喷射浆液过程中，施工人员必须认真检查记录水泥浆的水灰比和流量、高压泵压力、钻杆提升速度和回转速度等施工参数，出现压力突降或聚增、孔口回浆量和回浆浓度异常、甚至不返浆等情况时，查明原因后及时处理。

⑥喷射结束立即清洗设备、管道、喷嘴等，不得有水泥等残留物。

（3）高压旋喷施工参数控制：一般情况下，水压21～28MPa，气压0.7～0.9MPa，浆压1.3～1.5MPa，罐压0.4～0.5 MPa，搅拌速度14～23r/min，提升速度0.08～0.15m/min，特殊情况下（漏浆等）提升速度降到0.05m/min，返浆正常后再恢复提升速度。

5.2 灌注排桩施工

选用CZ-5型冲击钻机成孔、导管法灌注水下混凝土，严格按设计图纸和规范组织施工，混凝土灌注完7d后才能进行附近的高压旋喷施工。

5.3 锚钉喷浆护坡施工

（1）按照设计要求，分段开挖工作面，修整边坡，打（振）入注浆花管，埋设喷射砂浆厚度控制标志。

（2）土钉注M20水泥砂浆，采用42.5的硅酸盐水泥，绑扎16#铁丝网，垫好保护层垫块。

（3）喷射M20水泥砂浆，厚度50mm。喷射作业要紧随开挖工作面，同一分段内喷射应自下而上进行。喷射时，喷嘴与受喷面要保持垂直，距离为0.6～1.0m。喷射砂浆终凝2h后，喷水养护[3]。

（4）设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。

5.4 基坑监测

为保证基坑支护的平稳安全，除精心设计、精心组织、精心施工外，在基坑开挖过程中，对基坑边坡土体、边坡支护结构及周边环境和建筑物等进行有针对性的监测，同时通过监测信息反馈，指导施工、改进施工工艺、合理安排施工进度，充分体现动态和信息化施工。

（1）在高喷桩顶、冠梁顶，每20m设置一个变形监测点，邻近建筑物的外角各设置一个监测点，监测内容为水平位移和垂直位移。

（2）坡顶周边5m范围内及坡面上的土体裂缝。

（3）水位观测。

（4）基坑变形容许值：基坑顶部土体、支护结构水平位移（最大值）监控报警值为25mm，地面沉降、建筑沉降（最大值）监控报警值为20mm，变化速率≤2mm/d。

5.5 施工控制措施

5.5.1 先导孔施工

先导孔需穿过卵砾石层并进入基岩不少于1m，要确保先导孔的孔位误差小于50mm、孔深误差小于100mm、垂直度偏差小于1%，孔壁稳定，高压旋喷管能够顺利下到孔底。

5.5.2 水泥浆拌制

每桶拌制用水泥4包（200kg），按1.0～1.5水灰比计算用水量，并在桶上做好标记，每桶搅拌前，先按标记往桶内加入适量的水，然后加入32.5水泥，边加边搅，搅拌时间不少于2min，直至搅拌成符合要求的水泥浆备用。

5.5.3 水泥浆过滤

搅拌好的水泥浆，放入邻近的储浆箱，储浆箱上方覆盖16目纱网过滤，防止未充分搅散的水泥颗粒和杂物进入，堵塞喷浆孔及管道。

5.5.4 高压设备和管路系统

高压喷浆设备和管路连接可靠，压力与排量满足设计要求，各部位密封性能良好，各管道和喷嘴内不得有杂物，并做喷水试验，合格后方可喷射浆液，保证注浆量和压力的可靠性及施工安全。

5.5.5 旋喷注浆

将注浆管下置至设计深度后，启动高压水射流泵、注浆泵和空压机进行旋喷作业，在桩底停浆约0.5min后按确定的速度徐徐提升钻杆，借喷射旋喷的作用，将水泥浆和原地层中的粗颗粒、砾石等旋转成一体，固化后成桩。在注浆过程中，要认真检查水泥浆的水灰比和流量、高压泵压力、钻杆的提升速度及回转速度等施工参数，并及时做好现场施工记录。

5.5.6 注浆异常情况处理

（1）三管法注浆过程中孔口不冒浆或孔内严重漏浆，采取以下措施处理：孔口少量返浆时，降低喷浆管提升速度，孔口不返浆时，立即停止提升；加大浆液浓度，或掺入少量速凝剂；降低喷射压力、流量，进行原位灌浆，待返浆正常后，再缓慢提升机具。

（2）孔口大量冒浆，可能是喷浆管密封不良或接头处损伤，或者喷嘴尺寸过大，防治措施一是检查喷浆管各接头，确保接头密封完好；二是根据土体密实度选择合适的喷嘴[2]。

5.5.7 效果分析

（1）基坑支护施工完毕，随着抽水、开挖，监测支护结构、附近地面、既有建筑物的变形等，基坑支护结构的水平变形6～18mm，周围地面垂直变形3～12mm，均未超过预警值，帷幕面没有明显集中渗水点，说明该基坑支护是稳定的，高压旋喷止水帷幕达到设计目的。

（2）随着地下室施工进度，分段开挖桩前土，加强监测，及时回填。桩前土的坡面喷护，减少基坑内支撑，节约投资，方便施工。