止水帷幕搅喷桩在地铁车站施工中的应用研究

2015-12-26李宏安李梁梁俊峰

铁道建筑 2015年2期

关键词：成桩帷幕钻杆

李宏安，李梁，梁俊峰

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京100037;2.中建交通建设集团有限公司，北京100161)

止水帷幕搅喷桩在地铁车站施工中的应用研究

李宏安1，李梁2，梁俊峰2

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京100037;2.中建交通建设集团有限公司，北京100161)

结合北京地铁14号线东湖渠站采用长螺旋改装搅喷桩的工程实践，通过对比分析搅喷桩与搅拌桩、旋喷桩的施工工艺参数、适用地层特征和设备组成，论证搅喷桩与钻孔灌注桩组成联合止水帷幕，相比搅拌桩与钻孔灌注桩、旋喷桩与钻孔灌注桩组成的联合止水帷幕更具优越性。对该成桩工艺的主要施工要点进行研究，以保证成桩质量和止水效果。通过试桩和开挖后成桩效果检查，发现该施工工艺具有止水效果良好、施工成本较低、环保节能等优点。

长螺旋搅喷桩搅拌桩旋喷桩止水帷幕

深基坑工程通常采用井点降水，一定程度上会造成水资源浪费。在此背景下，北京市建设委员会、北京市水务局联合发布了《北京市建设工程施工降水管理办法》，规定北京市自2008年3月1日起，行政区域内所有新开工的各类工程都限制进行施工降水。因此，在深基坑工程施工中，如何采取更科学、经济、环保的地下水处理方法成了重要的研究课题。止水帷幕法具有经济、安全等优势，同时符合尽量不降水的环保理念，在各种基坑工程中应用越来越广泛。

国内常用于工程实践的止水帷幕方法有搅拌桩［1］、旋喷桩［2-7］和长螺旋改装搅喷桩［8-11］三种成桩工艺。其基本原理都是钻杆边旋转边提升使浆液与崩落下来的土充分搅拌，经过一段时间的凝固后形成固结体，通过咬合在一起的连续桩体，形成一圈竖向止水帷幕。

1 长螺旋改装搅喷桩特点

1.1搅喷桩止水原理

搅喷桩是利用钻机把安装在注浆管底部侧面的特殊喷头设置于桩底设计高程后，将预先配好的浆液用15～20 MPa的高压喷出，形成能量高度集中的液流直接冲击破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升使浆液与崩落下来的土充分搅拌，并经过一定的时间凝固后，在土中形成一定形状的固结体，从而使地基得到加固。再加上后续施工的主体结构围护桩在土中形成一个四周封闭的堵水结构，从而在车站基坑开挖过程中形成起止水作用的帷幕。

1.2 改装型长螺旋钻机与普通长螺旋钻机的区别

改装型长螺旋钻机与普通长螺旋钻机的区别主要有两点:

1)改装型长螺旋钻机其钻杆中心有两路高压输液管线，一路从钻头底部喷射，另一路从钻头侧向喷射。钻机在钻杆提升的过程中沿两路出浆口喷射出高压水泥浆。钻头侧向喷出的浆液切割钻杆两侧土体，使桩周土体与水泥浆充分拌合，同时增大成桩直径。钻头底部喷出的水泥浆主要与沿钻杆掉落的少量土体充分拌合形成固结体。

2)改装型长螺旋钻机由于要在成孔的同时进行水泥浆液的喷射，所以它需具有更大的动力设备。表1对搅拌桩、旋喷桩和长螺旋改装搅喷桩从成桩参数、地层特征、设备组成三方面进行了比较。

1.3 成桩工艺比较

通过多项指标的对比分析，发现长螺旋改装搅喷桩作为止水帷幕更具优势，其作为车站止水帷幕结构成桩效果更佳，止水效果更好。

其施工工艺主要优点包括:

1)成孔直径大，能保证射出的水泥浆液与土体充分拌合，成桩质量好。

2)有效成桩深度能达到30 m，在深基坑止水帷幕工艺中的应用范围更广。

3)钻杆直径大，因此在成桩过程中钻杆的挠度小，桩体垂直度控制难度较小，能控制在0.5%～1.5%。

4)钻机能在粉土、黏性土、砂土、卵砾石、杂填土、强风化岩石中成桩，且成桩效果更好。

表1 北京地区三种常用止水帷幕工艺

2 工程实例

2.1 工程概况

北京地铁14号线东湖渠站采用盖挖逆作法施工，车站位于广顺北大街下，站位南边是利泽西街和利泽中街，北边是望京西路和望京北路，沿广顺北大街走向布置。车站标准段净宽19.5 m，总净长255.0 m，车站覆土约4.4 m，基坑深度约18.0 m。

2.2 止水帷幕施工工艺

基坑采用长螺旋改装喷搅桩与结构围护桩搭接咬合组成联合止水帷幕，既作为车站施工过程中的止水屏障，又作为该车站盖挖逆作施工过程中的支撑体系。搅喷桩与结构围护桩搭接长度不小于250 mm，搅喷桩直径不小于1 000 mm。即使两种桩均有0.5%的垂直度偏差仍然能保证搭接质量。搅喷桩沿基坑边缘展开布置，它与车站结构、围护桩的相对位置关系如图1所示。

图1 搅喷桩与围护桩的水平位置关系(单位:mm)

3 止水帷幕质量控制要点

要保证搅喷桩与φ1 000围护桩组成的联合止水帷幕在车站负一层、负二层结构施工中起到很好的止水作用，必须对搅喷桩施工过程中下列要素进行控制。

1)垂直度。严格控制钻杆垂直度在0.5%以内，保证搅喷桩和φ1 000围护桩的充分咬合。主要控制措施是在钻机成孔之前和成孔过程中用全站仪校核、监控钻杆垂直度。同时在钻杆上焊接垂直度控制垂杆，杆长不小于1 m，杆下端焊接三角铁，三角铁的下尖端需与下面已经焊接在钻杆上的三角铁的上尖端对中。

2)注浆压力。注浆压力控制在15～25 MPa，以保证利用φ800 mm钻杆成孔。通过高压出浆口喷射出的水泥浆切割周边土体，达到最小成桩直径1 000 mm以上。

3)提升速度、旋转速度。提升速度控制在(25± 5)cm/min，旋转速度控制在(10±5)r/min，以保证土和水泥浆液充分拌匀。同时，注浆压力、提升速度共同控制搅喷桩中水泥浆液的掺入量，保证成桩质量。实践经验表明，水泥掺入量约为285 kg/m。

4)桩位偏差。桩位偏差控制在20 mm以内。

5)φ1 000围护桩成桩时间。在施工过程中应先施工搅喷桩，后施工围护桩。且围护桩施工时间应控制在搅喷桩施工完成后15 d以内，否则搅喷桩形成的水泥土固结体达到一定强度后，围护桩成桩垂直度要求难以保证，形成的联合止水帷幕止水效果不佳。

6)浆液比重。浆液水灰比为1∶(0.75～0.95)，浆液比重不小于1.4 g/cm3。

7)水泥浆液中膨润土掺入量。通过调整膨润土掺入量可对成桩后桩体强度增长速度进行调节，掺入量越大，桩体强度增长越慢。

4 成桩效果

搅喷桩与围护桩组成的联合止水帷幕止水工艺在工程实践中运用较少，仅在北京北苑地区某房建项目基坑工程中成功运用。该工艺经济、节能环保、适用于各种施工工艺地铁车站，并被试验性应用于北京地铁14号线的2个盖挖逆作法施工的地铁车站中。为了保证良好的止水效果，东湖渠站对搅喷桩进行了非原位试桩。经过试桩发现φ800 mm的钻杆成桩直径达到1 000～1 200 mm，能保证搅喷桩和围护桩的充分咬合。同时在顶板基坑工程施工时，开挖检验成桩质量，检测效果如图2所示。两边是长螺旋搅喷桩，中间是结构围护桩，不难看出搅喷桩与结构围护桩咬合得很好，完全可以起到止水帷幕的作用。搅喷桩与围护桩联合止水的施工工艺是值得推广的。