潜喷注浆桩在复杂地层截水帷幕中的设计与应用

曹 巍,白永明，罗 曦，吕 军,张非凡,张 勋

（1.北京荣创岩土工程股份有限公司，北京100085；2.北京中铁十二局集团有限公司，北京 100085）

0 引 言

地下空间技术不断发展，基坑工程日益加深，地下水控制问题已经成为制约其质量与安全的决定性因素。传统降水方案对地下水资源造成极大的浪费，且因水位下降引发的地面沉降等次生灾害，影响和破坏是深远的。随着各地区地下水控制政策的出台，截水帷幕的地下水控制方法兴起并在基坑工程中广泛应用。大量的工程实践证明，截水帷幕是一种可行又不浪费和污染地下水资源的优选方法。常见的截水帷幕可分为墙式和桩式，分别以地下连续墙和高压旋喷桩为典型代表。前者整体截水效果好，但施工难度大、造价高；后者多采用高压旋喷桩技术，与钻孔灌注桩咬合搭接形成的“截水+支护”联合体，相对经济和高效。

深层搅拌桩（水泥土墙）截水效果尚可，但一般适用于软土地层，在巨厚砂层、卵砾石等复杂地层无法施工；高压注浆目前作为防渗堵漏手段较为常见，但在截水帷幕中应用较少。

传统的高压旋喷桩工法应用较广的有单管法、双管法及三重管法，此类工法优点是设备和工艺都比较简单、造价较低、使用范围较广；不足之处是其在复杂地层中成孔困难，需采用其他设备引孔后再进行旋喷注浆，施工效率低，成孔垂直度偏差较大，引孔后孔壁易坍塌，且有注浆盲区，从而导致截水效果较差[1]。

潜孔冲击高压喷射注浆桩技术是将潜孔冲击工艺与高压喷射工艺进行有机组合，可在深厚砂层、卵砾石层、碎石层、抛石层等地层中顺利成孔并一次性喷射高压浆液，可解决在复杂地层中施工截水帷幕的难题。该工艺成桩质量好、施工效率高、截水效果好、节能环保、造价较低[2]。

1 技术原理及工艺流程

1.1 技术原理

潜孔冲击高压喷射注浆桩技术（简称DJP）是利用潜孔锤高频振动作用和高压水、气动能共同冲击破坏土体，然后通过钻杆带动喷射口旋转、提升，将高压喷射的水泥浆液与土体充分混合形成水泥土固结体的技术。由该工法形成的水泥土桩体称为潜孔冲击高压喷射注浆桩[3]（简称潜喷注浆桩），见图1、图2。

图1 DJP成孔示意图Fig.1 DJP hole drilling

图2 DJP喷浆示意图Fig.2 DJP jet grouting

潜孔冲击高压喷射注浆工艺的原理是多种机理共同作用。首先冲击钻头冲击下沉过程中冲击器头部喷出大量高压空气，在地层深处频繁产生气爆，同时钻头产生高频振动冲击。气爆作用可以有效的破坏土体结构，加大旋喷桩的旋扩直径，从而加大旋喷桩的截水范围；高频振动可以将土体和水分结合并液化，形成流塑状态，高压水泥浆注入后，高频振动起到振捣作用，使水泥浆和流塑状态土体结合更均匀，形成良好的水泥土截水结构；冲击器上部高压水射流可进一步切割土体，保证土体与水泥浆充分的结合。高压水、高压气、高频振动产生联动机理，使周围土体迅速软化，处于一种流塑状态，在高压泵转化为喷射高压水泥浆后，这种流塑状态的土和水泥浆充分混合，形成直径较大、水泥土均匀的截水帷幕桩[4]。

由潜孔冲击高压喷射注浆体桩相互咬合或与支护桩相互咬合，形成的具有阻止地下水从侧向或底面进入基坑的连续阻水体，称为潜孔冲击高压喷射注浆体桩截水[3]。

1.2 施工工艺流程及工艺参数

DJP工法施工工艺流程如图3所示，DJP水泥土桩施工工艺参数见表1所示。

表1 DJP水泥土桩施工工艺参数Table 1 Construction parameters of DJP cement soil pile

图3 DJP工法施工工艺流程图Fig.3 Flow chart of DJP construction process

2 工程应用案例

2.1 抛填石复杂地层截水帷幕应用案例

（1）工程概况

大连恒力维多利亚公馆项目，位于大连市东港商务区，包括4栋超高层建筑及其裙楼，总占地面积约为71 400 m2，地上为公寓68层，裙楼4层，地下3层停车场，总建筑面积332 425 m2。距离海边仅800 m，基坑最大开挖深度13.60 m。

该场地为新近填海区，开挖范围内：①素填土回填时间1年以上，主要由粉土及碎石组成，碎石成分多为石英岩、板岩，含量40%左右，粒径15～50 cm，大者可达100～150 cm，呈棱角状，均匀性差，可压缩性强；⑦中风化板岩岩体基本质量等级为Ⅳ级，场地内均有分布。地下水位标高为1.10～5.20 m ，因地下水与海水相连，水位受海水潮汐影响较大。典型地层剖面如图4所示。

图4 典型地层剖面图Fig.4 Typical stratigraphic profile

原设计采用素混凝土桩加旋喷桩（三重管工艺）形成联合截水体系。因地层障碍物影响，旋喷桩桩位偏差较大，垂直度、桩长、桩径等重要参数均无法保证，截水效果较差。后虽采用多种补救方式均不能有效降低水位，造成工程停滞近1年，给建设方带来近亿元损失。原截水体系如图5所示。

图5 原截水体系示意图Fig.5 Schematic diagram of original water cutoff system

考虑到截水效果，补强帷幕桩设置于支护桩与原截水体系素混凝土桩之间最为经济有效，但由于地层原因，已施工两种桩的垂直度偏差较大，桩体扩径情况较为严重，成桩及其垂直度、桩径问题成为制约本设计的主要瓶颈。结合潜孔冲击高压喷射注浆工艺的特点及优势，经过多次专家论证及现场试验，最终确定该项目截水帷幕采用DJP工艺进行施工，可以解决施工难题，满足设要求。

（2）设计方案及施工参数

a）设计方案

DJP工法截水帷幕桩设计桩长25.5 m，桩径不小于700 mm，桩端进入中风化板岩。见图6所示。

图6 截水帷幕桩平面布置图Fig.6 Layout of water cutoff pile

b）施工参数详见表2所示。

表2 施工参数表Table 2 Construction parameters

c）现场施工效果对比

原截水体系施工后，截水效果不佳，基坑无法下挖。如图7所示。

图7 原截水体系施工后基坑无法开挖现场照片Fig.7 Foundation pit can’t be excavated after using original water cutoff system

采用DJP技术施工的截水帷幕桩，截水效果较好，基坑开挖至坑底后达到了基坑内干槽作业的目的。如图8所示。

图8 DJP截水帷幕桩施工后开挖至基底现场照片Fig.8 Excavated to the basement after DJP water cutoff was constructed

d）检测结果

经检验，水泥土桩桩身渗透系数为 2.26×10−8cm/s，渗透性低，满足设计截水要求。

2.2 泥卵入灰岩复杂地层桩间截水帷幕应用案例

（1）工程概况

济南地铁R3号线孟家庄站项目位于山东省济南市锦屏家园小区以西，为地下双层岛式车站。车站底板埋深约17.69 m，顶板覆土约2.63～3.93 m，采用明挖法施工。本基坑围护结构采用围护桩+内支撑体系。截水结构采用桩间旋喷桩截水+坑内排水的方案。

本工程基坑范围内的土体主要为素填土、黄土状粉质黏土、粉质黏土、碎石土，局部为全风化闪长岩、强风化闪长岩、中风化闪长岩及中风化灰岩。车站钻探深度范围内揭露地下水为上层滞水，无稳定地下水位，雨水下渗补给，下部岩石层相对隔水；局部地区岩溶裂隙发育，且彼此连通，导水性强。典型地层剖面图如图9所示。

图9 典型地层剖面图Fig.9 Typical stratigraphic profile

拟建项目地层差异性较大，帷幕桩桩身大部分位于碎石及强风化～中风化岩层中，且受地下水影响。传统旋喷工艺（多重管）无法直接成孔，即使采用引孔后再喷浆，由于其喷浆压力低（≤25 MPa）、成桩机理简单，在该复杂地质情况下成桩直径也无法保障，对桩周风化岩层孔隙无法起到渗透加固的作用。此外，项目最大施工桩长约30.0 m，引孔钻进过程钻杆偏斜较大，垂直度无法保证，影响帷幕桩体咬合。经过技术比对及现场试验，最终确定本工程的截水帷幕采用潜孔冲击高压喷射注浆工艺。

（2）设计方案及施工参数

a）设计方案

为防止施工降水对锦屏家园小区产生沉降等不良影响，设计在基坑支护结构及降水井外侧采用截水帷幕，截水帷幕形式为落底式截水帷幕，以有效切断基坑内外的地下水联系，截水帷幕采用单排潜喷注浆桩。根据地勘报告，基坑底中风化石灰岩为隔水层，标准段截水采用Ф800@1 300旋喷桩，盾构井段采用 Ф800@1 200旋喷桩，旋喷桩桩长16.0～30.0 m，桩底与围护桩桩底同标高（要求进入不透水层不小于1 m），截水帷幕高出施工期间抗浮水位1 m。

b）施工参数详见表3所示。

表3 施工参数表Table 3 Construction parameters

（3）现场施工效果

施工完成后进行了基槽的开挖，现场随机开挖3根旋喷桩检测成桩质量。经对帷幕桩进行剥露检查，显示旋喷桩与护坡桩咬合紧密，有效搭接防止了外侧水的进入。开挖后桩径均≥1 000 mm，经现场取芯试验，桩身强度为3 MPa，符合设计要求；抗渗强度满足水泥土桩桩身渗透系数小于1×10-7cm/s的设计要求。现场成桩效果检测情况如图10所示。

图10 DJP工法成桩效果开挖检测Fig.10 Excavation inspection of pile by using DJP construction method

本项目采用DJP工法施工截水帷幕，基坑开挖至槽底，侧壁无渗漏，截水效果良好，DJP工法在泥卵砾石及强风化～中风化岩层等复杂地层条件下施工截水帷幕的优势以及较高的施工质量得到体现。现场土方开挖后桩间咬合情况如图 11所示（红色图框内为潜喷注浆桩）。

图11 截水帷幕施工后开挖桩间咬合情况Fig.11 Occlusion between excavation piles after using water cutoff system

2.3 巨厚砂层桩间截水帷幕应用案例

（1）工程概况

北京城市副中心C5机关配送中心项目，建筑面积约12 000 m2，南侧邻近综合管廊，C5工程基坑与综合管廊基坑合槽开挖，C5基坑开挖深度为20.2 m，为一级基坑。本项目基坑北侧为堡辛新村回迁住宅楼6号、7号住宅楼，地上20层地下2层，采用天然地基，基底标高为14.67 m。北侧支护边界距离 6号住宅楼约 8.0 m，距离 7号住宅楼约25.0 m，距西北侧砖混楼约30 m。基坑开挖上口线距离北侧小区围墙最小距离不足1.0 m。

由于该工程北侧紧邻高层住宅，地层主要为巨厚细砂-中砂层，地下水含量丰富，分布较为复杂，该区域对于基坑开挖后截水阻砂的要求非常高。传统工艺在该地层桩间进行截水帷幕施工可靠性不高，经过专家论证及现场试验，最终确定该项目桩间截水帷幕采用潜孔冲击高压喷射注浆工艺。典型地层剖面图如图12所示。

图12 典型地层剖面图Fig.12 Typical stratigraphic profile

（2）设计方案及施工参数

a）设计方案

基坑采用封底式截水帷幕设计，基坑北侧采用支护桩与旋喷桩联合截水帷幕，设计桩长30 m，桩径1 200 mm，与支护桩搭接400 mm；西侧采用旋喷桩自咬合截水帷幕，设计桩长 30 m，桩径1 000 mm，搭接350 mm，桩端位于⑥2粉质黏土隔水层。详见图13。

图13 北侧截水帷幕桩平面布置图Fig.13 Layout plan of water cutoff piles on north side

b）施工参数详见表4所示。

表4 施工参数表Table 4 Construction parameters

c）现场施工效果

开工前进行试桩，开挖后帷幕桩直径达1 300 mm。详见图14所示。

图14 试桩开挖效果Fig.14 Pile examination after excavation

本项目周边环境复杂，采用DJP工法施工截水帷幕桩，周边邻近建筑物未受帷幕桩施工影响。截水帷幕施工完成后进行基坑开挖，挖深20.2 m，经过对帷幕桩剥露检查，水泥土桩与支护桩咬合紧密，有效阻止了外侧地下水的进入，基坑侧壁无渗漏，截水效果良好。基坑开挖后桩间咬合情况如图15所示。

图15 截水帷幕现场照片Fig.15 Photograph of water cutoff system

现场随机对帷幕桩进行取芯，取芯效果良好，芯体完整连续，水泥土均匀度高。帷幕截水桩抽芯情况如图16所示。

图16 帷幕桩抽芯情况Fig.16 Core examination of water cutoff piles

芯样检测结果显示，无侧限抗压强度不低于1.4 MPa，符合桩身水泥土强度不小于0.8 MPa的设计要求；水泥土抗渗强度最大值为2.14×10−8cm/s，满足水泥土桩桩身渗透系数小于 1×10−7cm/s的设计要求。

2.4 大粒径密实卵石层桩间截水帷幕应用案例

（1）工程概况

东城区第一人民医院异地迁建项目位于北京市东城区永外定安里，东临定安里11号、13号住宅楼，南临北京益华食品厂，西临规划定安里中路，北临刘家窑路。拟建医院由一栋综合楼组成，地上6～7层，裙楼地上3～4层，建筑高度不超过40 m，配套设施地上1～2层，均设4层地下室，基础埋深-23.3 m，本基坑围护结构采用围护桩+锚杆体系。

本工程基坑范围内的土体主要为杂填土、细砂、粉质黏土、卵石层。初见水位埋深 22.00～22.60 m，绝对标高18.28～18.45 m，稳定水位埋深21.00～22.10 m，绝对标高18.95～19.30 m，主要赋存于⑤卵石层中，水量较大。典型地层剖面如图17所示。

图17 典型地层剖面图Fig.17 Typical stratigraphic profile

本工程截水帷幕桩成桩地层为卵石层，一般粒径2～6 cm，最大粒径将近50 cm，中粗砂充填，局部为圆砾，该层厚度为10.50～16.80 m。传统高压旋喷设备在该地层中无法直接成孔，需采用套管跟进引孔作业后，再进行管内喷浆。引孔施工垂直度偏差较大，套管跟进作业难度较高，且工效低，由于套管内喷浆，桩径无法保证。针对该地质条件，本工程采用DJP工法，利用潜孔锤在高压空气驱动下产生的冲击效能来进行冲击破碎，同时，由高压泵向喷嘴提供高压水来进行切割土体，达到钻进作业目的，成孔后一体化高压注浆，在确保桩径和垂直度的情况下完成成桩作业。经过现场工法试验及抽芯取样检测，最终确定该项目的桩间截水帷幕采用潜孔冲击高压喷射注浆工艺。

（2）设计方案及施工参数

a）设计方案

本工程截水结构采用桩间旋喷桩截水（悬挂式截水帷幕）加坑内排水的方案。

帷幕桩桩长 35.5 m，桩径为 1.2 m，上部20.0 m为空孔部分，下部15.5 m为实桩部分。

b）施工参数详见表5所示。

表5 施工参数表Table 5 Construction parameters

（3）现场施工效果

开挖至卵石地层，护坡桩桩间截水帷幕桩暴露清晰，桩径均匀，尺寸达到设计要求。

本项目截水帷幕施工完成后，基坑开挖至槽底，侧壁无渗漏，截水效果良好，DJP工法在富水密实卵石地层条件下施工截水帷幕的优势以及较高的施工质量得到体现。现场开挖情况见图 18所示（红色图框内为潜喷注浆桩）。

图18 桩间DJP截水帷幕桩开挖效果图Fig.18 Photograph of DJP water cutoff piles

芯样检测结果显示，无侧限抗压强度不低于8.2 MPa，符合桩身水泥土强度不小于0.8 MPa的设计要求；水泥土抗渗强度最大值为2.7×10−8cm/s，满足水泥土桩桩身渗透系数小于 1×10−7cm/s的设计要求。

3 结 语

工程实践表明：DJP工法可实现钻进喷浆一体化，桩身垂直度偏差小、桩体直径有保证、桩身均匀、截水效果良好。同时施工效率高、造价合理、返浆量少、对周边环境的影响小、绿色环保。潜孔冲击高压喷射注浆体桩工艺用作截水帷幕，在抛填石、泥卵入灰岩、巨厚砂、大粒径密实卵石等各种复杂地层中截水帷幕的成功应用，证明其广阔的发展前景，值得大力推广应用。