基于精准化往复注浆止水的大直径钢管围护桩墙施工工艺

张洁龙 张阿晋

1. 上海建工房产有限公司 上海 200080；2. 上海建工集团工程研究总院 上海 201114

近年来，我国大中型城市核心区建设用地日趋减少，城市居民环保意识逐步加强，工程建设边界条件极度严苛，对传统临时基坑工程建设技术提出了更高要求。如何突破富水软土地区城市核心区基坑围护结构面临的紧邻保护建（构）筑物、施工空间极度狭小、变形控制难度大、环保要求较高及施工工期高度压缩等制约难题，并在此基础上为地下空间预制装配化建设进行探索研究，成为地下工程建设领域的技术热点[1-3]。

因此，为了响应我国地下工程装配化、绿色化建设需求，针对基坑工程传统钢管桩围护结构止水效果差、施工精度低等缺点，在充分发挥钢管桩围护结构各向等强、抗弯刚度大、可回收利用等优点的基础上，探索具备高止水性能、低施工空间需求的新型高效化、装配化及绿色化钢管桩围护结构施工工艺具有非常重要的研究意义和市场价值。

1 钢管桩围护止水方案比选

1.1 钢管桩锁扣止水

传统钢管桩止水主要依靠锁扣接头止水，该方法的主要原理是依托各类锁扣连接接头有效延长地下水的渗流路径，减少钢管桩两侧的水力梯度，进一步减少渗水量。常用钢管桩锁扣形式（图1）主要有：CT型、LT型及CC型等。对于止水性能要求较高的基坑工程，可通过在接头处注入止水材料，如水泥砂浆、膨润土、黏土及聚氨酯等水硬性材料，提高接头止水效果。

图1 钢管桩常用锁扣形式

采用锁扣接头止水的钢管桩，其止水性能主要取决于阴阳锁扣的咬合程度及其密封程度，因此要求锁扣接头具有足够的强度、刚度及一定的密封空间。

由于在实际施工过程中，锁扣接头存在变形的情况，不仅影响了阴阳锁扣的咬合程度，而且大幅提高了注浆止水施工的难度，影响注浆材料在咬合部位的分布，使其止水效果大打折扣。

1.2 钢管桩＋水泥土搅拌桩止水帷幕

钢管桩除采用物理锁扣接头止水外，还可借助水泥土搅拌桩连续止水帷幕来达到管间止水的目的。依据水泥土搅拌桩止水帷幕的分布位置，主要分为2种：一种是水泥土搅拌桩止水帷幕分布在钢管桩外围〔图2（a）〕，这种方式适用于围护结构施工空间较大的基坑工程，钢管桩围护与水泥土搅拌桩止水帷幕可实现同步交叉施工，施工组织难度较低，且止水帷幕工程量较低；另一种是水泥土搅拌桩止水帷幕与钢管桩围护高度搭接施工〔图2（b）〕，即先行施工2排（或3排）水泥土搅拌桩止水帷幕，再在水泥土强度较低时，及时插入钢管桩完成围护施工，这种方式多用于围护结构施工空间受限的基坑工程。

图2 钢管桩+水泥土搅拌桩止水帷幕

钢管桩结合水泥土搅拌桩止水帷幕的止水效果较多地依赖于水泥土搅拌桩的施工质量，由于现阶段水泥土搅拌桩施工质量参差不齐，其止水效果控制难度较大，且对仅需管间止水的钢管桩围护结构而言，连续水泥土搅拌桩止水帷幕体系施工占地空间大，对施工空间的要求较高，工程建设成本较大，同时钢管桩全断面置于水泥土搅拌桩止水帷幕中，后期拔出阻力大幅增加，钢管桩的循环再利用难度较大。

因此，在继承传统钢管桩止水工艺优势的基础上，摆脱钢管桩锁扣止水以增加绕流路径为主、止水材料填充为辅的固有思维定势，围绕装配化、精细化、绿色化施工理念，探索基于精准化往复注浆止水的钢管围护桩墙施工工艺及其成套施工技术，具有非常广阔的市场应用前景。

2 基于精准化往复注浆止水的钢管围护桩墙工艺

2.1 工艺原理及优点

基于精准化往复注浆止水的大直径钢管围护桩墙施工工艺主要是依托钢筋混凝土导墙（兼作支撑围檩）将具备精准化往复注浆止水功能的钢管桩通过多重内外套管承插连接形成围护结构，及时施作水平及竖向支撑体系，进行土方开挖，并最终完成结构回筑。该工艺通过特有的锁扣接头（图3），可依据水文地质情况，进行精准化、多次往复注浆止水，克服了传统锁扣补注浆止水施工难题，通过分地层精准化注浆，大幅降低了注浆工程量，提升了工程施工精细化水平，响应了我国工程施工绿色化建设理念。

图3 钢管桩结构示意

2.2 施工工艺流程

基于精准化往复注浆止水的大直径钢管围护桩墙施工工艺主要包括钢筋混凝土导墙（兼作围檩）施工、钢管桩主体打设、子锁扣外套管施工、外套管内清孔、内套管施工、支撑体系施工、土方开挖及结构回筑等。

3 施工工艺关键技术

3.1 精准往复注浆止水锁扣设计

为实现精准、往复注浆止水功能，本工艺摒弃了传统钢管桩主要依靠子母锁扣物理咬合连接的止水方式，对传统锁扣接头进行了系统性革新，具体表现在以下几方面：

1）子锁扣与钢管桩采用承插接口形式连接，为后期精准化注浆施工提供了可行性，同时便于子锁扣结构在施工过程中发生损坏时的及时更换。

2）子锁扣与母锁扣之间的土体在施工过程中予以保留，在充当部分阻水介质的同时，为子、母锁扣连接提供了一定的设计冗余度，并降低了施工过程中的注浆量，进而减少子锁扣更换过程中的摩擦阻力，为锁扣接头的周转使用创造了有利条件。

3）子锁扣结构包含外套管和内套管两部分，内、外套管通过螺纹进行连接（图4）。内、外套管表面均分布着止水注浆孔，该注浆孔的分布形式可依据工程水文地质情况进行调整，实现精准化按需注浆。其分布形式（图5）主要有全断面均匀分布、沿圆周方向螺旋状分布或其他分布形式等，要求内外注浆孔采用等间距排列，以提升内、外套管的通用性和匹配率。通过螺纹可调整内、外套管注浆孔的对中与错位，实现注浆状态与非注浆状态的自由切换，当内、外注浆管处于非注浆状态时，可及时进行注浆管清洗，为往复注浆止水做好准备工作。

图4 精准往复注浆止水子锁扣结构示意

图5 内外套管注浆孔分布示意

3.2 临时导墙与支撑围檩一体化施工技术

传统钢管桩围护结构施工流程为先进行钢管桩沉桩施工，再施工围檩结构，该方法无法实现钢管桩施工精度的有效控制。为了提升钢管桩精准化施工水平，满足子、母锁扣套接施工须保证钢管桩具有较高垂直度的要求，本工艺拟采用临时导墙与支撑围檩一体化施工技术，即先行施工临时导墙，并预留钢管桩及注浆孔洞，提高钢管桩施工精确度；同时临时导墙兼作水平支撑围檩，因此临时导墙结构设计应满足土方开挖过程中水平支撑围檩强度及刚度要求，并为钢支撑或预制混凝土水平支撑构件与围檩结构装配化连接施工做好预埋件精准定位。

为了提升围护结构施工效率，降低现场施工对周边环境的影响，可采用临时导墙预制装配式施工，预制构件可考虑采用预埋灌浆套筒或UHPC连接技术。

3.3 钢管桩自行走式沉桩施工技术

随着我国城市更新速度的不断加快，对大中型城市核心区既有地下结构的改造有着迫切的建设需求。但由于施工空间严重受限、工程施工对周边居民影响严重及施工工期较短等制约因素，传统钢管桩施工工法如锤击法、静压法及振动法施工等，面临着越来越多的环境保护难题（如噪声污染严重、占地空间大、挤土效应大、振动影响大等）且施工效率较低，无法满足城市核心区狭小空间内钢管桩高效化、绿色化施工要求。

为实现城市地下空间更新改造的现实要求，本工艺采用自行走式钢管桩绿色化沉桩技术，即在临时导墙上采用免共振沉桩技术先行施工数根钢管桩，将动力单元、自行走式沉桩设备在已完成桩基顶部进行组装，利用已完成桩基为后续钢管桩沉入施工提供反力，且作为自行走式沉桩设备及待沉钢管桩的移动及运输轨道。该方法大大减少了钢管桩沉桩施工空间需求，可在狭窄空间、低净空区域进行施工，且充分利用支撑围檩减少了临时工程建设费用，社会、经济及环保效益突出，具有较好的应用前景。

4 结语

1）针对富水软土地区钢管桩围护施工面临的止水效果差、施工精度低等技术难题，深入分析传统钢管桩锁扣止水、水泥土搅拌桩止水帷幕工艺缺点，提出了一种基于精准化往复注浆止水的大直径钢管围护桩墙新型施工工艺。

2）该工艺通过特有的子、母锁扣接头设计，可依据工程水文地质情况，实现精准化按需注浆，并通过双层子锁扣结构注浆状态与非注浆状态的自由切换，实现钢管桩围护结构工作过程中的往复注浆止水，使得钢管桩围护结构止水功能的修复与增强成为可能。

3）通过临时导墙与支撑围檩一体化施工技术及钢管桩狭窄区域低净空自行走式沉桩施工技术，可有效提升钢管桩围护结构施工精度，减少钢管桩施工空间需求，大大提升了钢管桩围护结构施工的综合效益。