水胀密封花管环保注浆施工技术

朱哲锋，李伟军，李云锋

（广东省第一建筑工程有限公司广州510010）

广州市某广场项目位于广州市白云新城附近，地铁2 号线在项目地块中间穿过，项目占地面积4.5 万m2，基坑大开挖深度为8.60～10.60 m。基坑邻近地铁，两侧中部采用双排桩+对拉钢绞线支护，4 个角部位采用支护桩+角撑支护，外侧采用φ850@600 三轴搅拌桩形成止水帷幕，深度下至灰岩面，其余区段采用支护桩+扩大头预应力锚索的支护，基础采用灌注桩655 条。

根据地质勘查（见图1），项目场地岩溶（土）分布范围广，局部发育串珠状溶（土）洞或洞体较大的溶（土）洞，勘察揭露场地内的溶（土）洞顶板厚度较小，溶（土）蚀较为严重，洞体多由软～流塑状的粘性土夹岩屑充填，溶（土）洞的稳定性较差，属岩溶强烈发育区。

由于局部基岩及溶（土）洞出露较浅，故在支护桩及主体结构桩施工前，对岩面以下3 m 及坑底以下10 m范围内的浅层溶（土）洞进行充填注浆处理，阻断岩溶水运移通道，封底止水，防止基坑开挖后出现岩溶水突涌，导致大量抽排地下水影响临近地铁运行的安全。其中洞高小于或等于1.5 m 且无充填或半充填的溶洞，采用花管灌注42.5R 普通硅酸盐水泥浆。

鉴于传统花管注浆存在注浆孔定位不够精细，注浆设备密封圈容易磨损出现孔口返浆现象，注浆完成后的钢管也不能及时地回收等问题，本项目依托基于BIM的溶（土）洞模型模拟技术、设备的改良以及注水加压水胀密封技术，灌注桩护壁废弃泥浆回收利用技术，制定出水胀密封花管环保注浆施工技术，实现精细化施工，满足质量要求，节约成本，又达到节能减排绿色施工的效果。

图1 典型工程地质剖面图Fig.1 Typical Engineering Geological Profile

1 技术特点

⑴基坑开挖施工前，采用基于BIM的溶土洞模型的仿真技术，制定出对花管注浆精细化施工方案。

通过详细勘察阶段岩土工程勘察报告、管波探测成果、探孔钻及物探报告，采用Autodesk Revit，利用场地功能建立溶（土）洞模型。

通过建立的仿真模型，发现未知的大体积和埋深较浅的溶洞，对施工人员进行安全交底，提前进行安全防护策划，避免安全事故发生；通过土洞、溶洞模型与灌浆钻孔模型相对比，得出每个钻孔精确钻进的深度，作为灌浆钻孔施工的深度参考，减少少钻和超钻，并且得出灌浆材料的方量，实现精细化施工。

⑵传统花管注浆的管材施工中采用无缝钢管，注浆设备由镀锌注浆内管、橡皮套、密封圈等组成。考虑到施工过程下管的时间差和材料的成本，镀锌注浆内管在注浆前和注浆后的插入提拔造成密封圈的磨损而出现孔口返浆现象，达不到设计注浆要求，现经过对注浆设备的改良，使用PVC-U 花管作为注浆管，并采用新型扩张密封设备，扩张器外表面是粗糙的橡胶制品，通过加压设备注水进入扩张器，促使扩张器膨胀扩充，逐渐与PVC 管内侧壁紧密结合，起到密封注浆管的作用，既满足注浆压力的要求也能防止浆液通过压力从管口溢出。

传统的花管注浆是钢制花管注浆设备在拨出时由于注浆压力管没有完全泄压，在拔出孔口的过程中造成部分浆液上涌，容易造成安全隐患，如遇雨水天容易造成环境污染，雨水流失导致场地脏、乱，而采用注水加压水胀密封注浆管施工技术避免了这一系列问题，而且可以减少操作人员工作量，节约施工成本，方便现场施工。

⑶钻（冲）孔灌注桩施工过程中，会产生大量的废弃泥浆，废弃泥浆中存在大量的岩隙、黏土矿物和杂物，稠度非常大[4]。处置不当，则占用场地，影响施工现场文明安全，还有可能造成水污染等二次污染[5]。现行泥浆处理有自然干化，就地填埋、固液分离、化学固化等方式。通过在废弃泥浆中掺入适量水泥，提高固化泥浆强度是一种比较实用的方式[6]。

本项目溶洞填充注浆因设计对注入溶洞内的填充物需满足达到填充效果无强度要求，利用灌注桩成孔护壁弃置泥浆回收，经过处理及过滤并合理配置水泥浆，提高固化泥浆强度作为处理溶洞内的填充物使用，满足了溶洞注浆施工要求，同时废弃泥浆回收再利用变废为宝，减少现场泥浆处理费用，达到了节能减排、绿色施工的效果。

我项目部按设计要求由外往内、分区域注浆，完成外部区域注浆工作即开始支护灌注桩和溶洞注浆的流水施工作业。

2 施工方案仿真模拟

2.1 溶洞模型建立

Revit 场地命令建溶洞模型是以探孔钻、管波探测数据中溶洞顶高程和溶洞底高程分别建立两个同一原点的地表模型，完成后两模型链接一起，形成溶洞三维模型。

具体步骤如下：

钻探数据建模→生成钻探模型族群→确定溶洞边界→生成溶洞模型（见图2、图3）。

图2 建立溶洞模型示意Fig.2 Establishment of Karst Cave Model

图3 溶洞模型剖面Fig.3 Profile of Karst Cave Model

2.2 注浆管布置方案

借助溶洞模型，确定溶洞位置、边界范围，制定注浆管布置方案（见图4）。探边孔兼做注浆孔和排气孔，每洞至少一个排气孔，将注浆管根据要求连接，并检查其接口密封性能，然后在管中注满清水，抵消套壳料的浮力以便顺利下管，根据溶洞位置情况，将注浆管沿钻孔下放至设计标高，注浆管上端要求保持露出地面约5 cm，并加盖上闷盖。下管后在孔壁间隙靠近地面1～2 m 范围内充填水泥砂浆加固。

图4 填充方案注浆管布置示意图Fig.3 Layout of Grouting Pipe for Filling Scheme

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

注浆孔定位放样→钻机成孔→下放PVC-U 导管→建立废弃泥浆储存系统→配置配备注浆液→安装注水封孔器（通过注水加压使扩张器挤压膨胀与注浆紧密结合）→溶洞注浆→拔管（满足注浆要求，松开泄压阀，恢复原状）→溶洞检测。

3.2 操作要点

3.2.1 花管加工

施工中采用φ75 PVC-U 管材，接头采用胶水粘合对接接头，花管总长根据溶洞位置的深度计算花管处长度，在溶洞部位每间隔20 cm 对开2 个直径2～3 cm 的孔洞，开孔处管外紧箍橡胶套，覆盖注浆孔。花管的底端头用胶盖封堵，防止地下水及地层砂进入管内堵管等。

3.2.2 钻机钻孔

⑴注浆孔定位放样：根据溶洞模型平面图，利用施工基线定位点，测放出注浆孔的孔位。沿钻孔位置开挖排水沟和集水坑，及时排出冒浆和孔内水，确保场地干燥整洁。

⑵钻孔采用机械钻进成孔，成孔直径φ115，施工中应保证无水钻进，每孔超钻20 cm。

⑶成孔验收：钻孔垂直度偏差允许1%，钻孔到设计深度后，测量深度，确认可以下达设计深度后，开始下花管。

3.2.3 废弃泥浆储存处理系统

⑴泥浆收集

本场地按630 条φ800 钻（冲）孔支护桩，按要求每一孔在钻进成孔过程中都会置换出多余泥浆。

支护桩成孔泥浆收集：支护桩护壁泥浆→反循环泥浆处理器→抽浆管→泥浆处理器→泥浆回收池，结合泥浆排放管线的设计，将施工现场的钻（冲）孔桩的废弃泥浆收集储存。

本项目采用储浆池2 个（A、B 区各设置1 个，尺寸为20 000 mm（L）×6 000 mm（W）×2500 mm（H），采用C25 混凝土，底板150 mm 厚，侧壁200 mm 厚。

⑵泥浆处理

灌注桩废弃泥浆中会含有大量砂层颗粒以及部分渣土、岩屑，需要经过分离处理才能作为溶（土）洞的注浆材料，不然在注浆时会直接导致注浆泵损坏并增大注浆管堵管几率。本项目采用的废弃泥浆分离处理方法，主要有以下两种：

①机械处理：采用筛沙机分离土渣和泥浆。根据所用的筛孔来决定可分离土渣的粒径。筛孔越小，可分离的比率越高，根据泥浆泵的性能要求，一般以除去20 目（0.77 mm）以上的砂或粘土块为宜[7]。

②重力沉降处理：利用泥浆和土渣的相对密度差使土渣自然沉淀的方法。沉淀池的容积越大或停留时间越长，沉淀分离的效果就越显著[7]。施工现场采用三级沉淀池进行废弃泥浆浆渣分离处理。

⑶配备注浆液

①试验注浆

在正式注浆施工之前，先选择一两个溶（土）洞孔进行试注浆试验，确定水泥用量、配合比、控制压力、注浆次数等注浆施工主要参数。注浆管放置前，先在地表进行射水实验，待气、浆压正常后，才能下注浆管施工。

浆液水灰比、浆液比重等参数均以现场试验情况为准。施工现场配备泥浆比重计,每天量测浆液比重，严格控制水泥用量。搅拌桶做明显标记，以确保浆液配比的正确性，灰浆搅拌应均匀，并进行过滤。

②注浆液配备

注浆液采用水泥为42.5R 普通硅酸盐水泥浆，水灰比控制范围为1.0～0.5，按注浆前后次序依次调整减少，先稀后浓。为了增加可灌性，在浆液中可加入水泥用量0.3%～0.5%的复合型减水早强剂。注浆液搅拌采用叶式机械搅拌机，连续搅拌时间应大于2 min。搅拌均匀的浆液须经过过滤后，采用注浆泵压注灌入溶洞填充。

⑷封孔器安装及注浆（见图5）

采用注水加压水胀密封封孔器设备，使花管注浆施工快速、简便。将封孔器胶管完全插入花管内，加压设备进行注水加压，注水压力达到0.4 MPa 时，胶管完全扩张膨胀与PVC 花管内侧壁精密结合实现封孔，此时安全阀开启，经联管向花管内灌注水泥浆。注浆完毕后，将与封孔器连接的联管反时针旋出，封孔器仍然在花管内保持膨胀状态实现长时间封堵，确保注浆压力长时间保持以及杜绝注浆浆液倒流现象发生。

图5 注浆系统图Fig.5 Grouting System Diagram

按照设计要求：注浆时先稀（水灰比0.8～1.0）后浓（水灰比0.5～0.6），以浓浆为主，注浆压力0.5～1.0 MPa，直至灌满。如灌注的水泥浆超过30 m3仍未灌满，宜采用双芯管和水玻璃双液注浆封堵，达到注浆压力要求。

注浆进程中如出现地面冒浆或压力突变，应立即停止注浆，查明原因，采取措施。单孔注浆结束标准应根据下列情况综合决定：①注浆量达到设计要求；②注浆压力超过设计值；③地面冒浆[8]。

注浆实测项目如表1 所示。

表1 花管注浆实测项目Tab.1 Measured Project of Flower Pipe Grouting

⑸记录

注浆施工过程中应做好相应的施工记录，详细记录钻孔深度、每轮注浆压力、每轮次注浆量、每轮次注浆时间和总注浆量等参数。并与相邻注浆孔注浆参数进行对比分析，根据各参数的变化情况估计注浆效果。对注浆过程中存在的问题，及时进行分析处理。

4 质量控制

4.1 质量控制标准

本工法按照《建筑地基基础设计规范：GB 50007-2011》、《建筑地基基础工程施工质量验收规范：GB 50202-2002》、《建筑地基处理技术规范：JGJ 79-2012》、《注浆技术规程：YBJ 44-92》及有关规范标准施工。

4.2 质量保证措施

⑴用于注浆的水泥应符合图纸设计要求，用于花管注浆的PVC-U 管材壁厚符合要求，所有材料包括配制的浆材在使用过程中必须进行周期性控制试验以及质量抽检试验。

⑵循环利用的泥浆经过筛沙机和沉淀池需满足表2 中的泥浆指标要求。避免因含砂率较大，泥浆稠度较高，造成注浆过程塞管和配置泥浆不能满足设计施工要求。

表2 泥浆指标及检验方法Tab.2 Mud Index and Test Method

⑶孔位平面误差不得大于50 mm。孔斜小于1.0%。

⑷浆液配制严格按配合比，硅酸盐水泥必须按照要求送检，送检合格后才能使用。用比重计测定浆液浓度，浆液配合比误差≤5%时，需充分搅拌后才进行注浆作业。

⑸要分序、分段注浆，宜采用先外围后内部、先下后上的注浆顺序。

⑹要严格按注浆压力注浆，压力表损坏的注浆泵不得使用。控制注浆速度，加固体顶、底界位置要增加注浆量。

⑺在注浆点附近布置3～5 个监测点，每个监测点相距20 m，进行地面沉降监测。注浆过程中，相隔30 min 监测1 次，直至注浆结束。沉降变形累计达到30 mm 时应及时通知设计、监理等有关部门，并采取相关措施进行处理。

⑻针对注浆施工人员进场实行安全质量技术书面交底，交底内容包括施工工艺、操作规范、质量规范标准等。

⑼溶洞注浆效果采用钻芯法检测，检测数量不得少于总注浆孔数的3%且不少于5 个，检查溶洞充填物胶结情况或裂隙填充情况、检测钻孔泥浆是否漏失。

4.3 重点、难点控制

⑴控制花管段与实心段的长度，主要根据溶洞模型中溶洞范围的深度，控制花管段开孔的位置，按设计要求在PVC-U 管上打的钻孔眼需外封。

⑵本项目采用废弃泥浆处理后配置注浆液，所以施工中处理后泥浆指标测试试验工作是保证溶洞充填注浆施工效果的关键，采取如下措施：

①施工前对班组人员针对工艺、操作方法、控制要点、相关规范及标准要求等进行书面细致交底。

②施工前进行试注浆试验，严格按照设计和施工规范各项参数要求，结合相应施工经验，合理配置能满足施工要求的溶洞注浆和侧壁套壳料的材料，施工中加强质量检查，严格执行自检、交叉互检、专职检，确保在注浆施工过程中能顺利施工。

③处理后的泥浆应采用搅拌机均匀搅拌，并及时使用，避免泥浆因过长时间间隔导致固结。

⑶注浆过程中，要随时保持对注浆压力、孔口压力、吸浆量的监测，当数据突然变化时，应及时分析并采取有效处理措施。

⑷注浆过程中，应加强周围地面或管线情况监测，观察是否出现冒浆现象，若发现，应调整浆液配比，缩短凝胶时间，瞬时封堵孔洞[9]。

5 结语

水胀密封花管环保注浆施工技术成功应用于广州某广场项目中，取得了明显的经济效益和社会效益：

⑴采用基于BIM的溶（土）洞模型的模拟技术，制定出基坑开挖施工前对浅层土洞、溶洞注浆施工方案，精确钻孔钻进的深度，减少少钻和超钻，并且能得出灌浆材料的方量，实现施工精细化控制，节约费用约15 万元；

⑵通过花管注浆设备的改良，采用PVU-C 管材代替钢制花管管材，按照设计孔深平均15 m 计算，可节约费用20 万元；采用水胀密封设备注浆系统，施工操作方便，密封可靠，在确保注浆质量的同时也减少了浆液渗漏对现场环境的污染。

⑶将支护桩废弃泥浆经过排渣系统过滤渣土和大粒径砂石，配置合适水泥调配作为溶洞注浆的施工材料进行花管注浆，这些装置能将收集的废弃泥浆充分利用，可以减少室外排放废浆的规模，简便易行，既满足了施工要求又节约了成本，达到了节能减排、绿色施工的效果。

随着可持续发展理念的不断深入，节能减排、绿色环保在建筑领域已成为一个重要的研究方向。本技术施工简单，质量有保证，安全可靠，绿色环保效果突出，可成熟运用，具有广泛的推广意义。