水平旋喷桩加固淤泥质土层实用技术探析——以在小净距下穿综合管廊暗挖地下通道中的应用为例

郭长春

中交四航局第六工程有限公司，广东 珠海 519080

1 工程概况

1.1 工程简介

珠机城际轨道交通工程横琴站位于珠海市横琴岛经济开发区横琴口岸西侧，车站主体全长753m，宽度为28～48m，为地下两层明挖车站，基坑深度为20m，场区位于海积平原区。车站共设计出入口12个、疏散口10个、风亭7个，其中1号、2号、11号出入口位于横琴车站线路右侧，明挖段开挖深度为11m，暗挖段下穿重要市政综合管廊，管廊距出入口顶板净距仅1m，管廊底部宽9.9m、高3.95m，上部覆土厚度约2～3m，内含电力、给水等重要管线。

1.2 地质情况

管廊底和基坑深度范围主要位于淤泥土层，土层物理力学性质指标表如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标表

1.3 暗挖支护体系

下穿管廊段出入口开挖，采用上部悬吊管廊+暗挖支撑结构的方案抵抗开挖过程中的上部垂直荷载和水平水土压力荷载。

（1）悬吊结构。悬吊结构由支撑桩、贝雷梁、下托架、上横梁、吊杆等主要杆件构成。贝雷梁4排单层加强型321贝雷跨度为12.1m（4片）；下托梁采用HM588mm×300mm型钢（Q235），长12m，间距2m；上横梁采用I36b工字钢（Q235），长12m，间距2m；吊杆φ60mm圆钢（Q345），间距2m；支撑桩采用φ1000mm灌筑桩（C30），长45m。

（2）暗挖支撑结构。暗挖支撑结构由管幕+门式钢架内撑+喷射混凝土组成。管幕采用φ245mmδ12mm锁扣管幕（Q235）；门式钢架内撑采用I25b工字钢（Q235），间距50cm。①开挖区域：侧向水土压力传递给管幕，门式钢架对管幕进行支撑，平衡管幕传递两侧水土压力，管幕为受弯构件，横向型钢为受压构件。②未开挖区域：土体（被动区）作为管幕的连续弹性支撑，为管幕提供支撑抗力，要求被动区土体除能满足自稳性之外，还需具备一定的强度及变形模量，按照设计要求对流塑态淤泥土层进行加固，加固后水泥土的单轴抗压强度不小于1.2MPa。

2 土体加固方案比选

开挖支护方案确定后，土体加固的效果成为开挖安全性的重要保证，暗挖范围土层为流塑态淤泥及淤泥质黏土，土体强度低、含水量大，渗透系数低，要保证加固效果，土体加固方案选择尤为关键，为此分别对袖阀管注浆（水平）加固法、水平高压旋喷桩加固法及冻结加固法三种加固方案进行比选，如表2所示。通过对上述方案进行综合对比分析，同时咨询了行业内相关专家，最终选择了水平高压旋喷桩加固法。

表2 加固方案综合对比表

3 水平高压旋喷桩加固法的施工难点及技术工艺创新

3.1 施工难点

常规水平高压旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩体根部，通过高压发生装置使预先配制好的浆液液流获得巨大能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体。喷射过程中，钻杆边旋转边后退，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而使地基得到加固[1]。施工中，一般分为两个流程，即先钻后喷，保证每米桩浆土比例和质量。该工程主要存在以下两个施工难点：

（1）高压水泥浆使土体挤压密实，造成不同程度的隆起，而加固土体距离管廊仅600mm不到，过大隆起会造成对管廊上抬，不利于管廊结构安全，因此既要保证水平旋喷桩成桩质量，又要避免因喷射压力过大而造成土体产生过大的隆起量[2]。

（2）淤泥质土含水量高、渗透性小，本身较难加固均匀。

3.2 技术工艺创新

（1）创新思路。针对该处水平高压旋喷桩加固施工的难点，经过研究从理论上采用小压力，用水泥浆置换较差淤泥的思路可避免土体产生过大的隆起量，为此需要对水平旋喷钻机及喷射加固工艺进行改进。

（2）改进方案。钻机钻杆采用双重管，即钻管设有同心圆的外管和内管。水平高压旋喷桩钻孔设备包括钻头、预切割组件和双层钻管。钻头、预切割组件和双层钻管依次连接，外管形成低压介质通道，内管形成高压介质通道。钻进时一般可使钻孔直径达到150mm，小压力切割则可将孔径扩大到300～400mm；同时，将原状淤泥、淤泥质土冲出，回退时正常旋喷，压力达到10～15MPa，在一次切削成孔直径的基础上继续进行切削，达到至少40%的土体置换，桩径控制在600～800mm[3]。回退切割时桩径能达到600mm以上，如在粉质黏土介质中降低钻进速度，桩径能达到800mm；水平施工时双层钻管指外管通道钻进低压循环液，射流沿施工轴线方向，内管钻进高压切割液，射流方向垂直于轴线。这样的双层钻管能够实现钻喷一体化，即自钻入孔后回退喷浆。

4 淤泥质土体加固实施过程及效果

土体加固前先按照前述工艺对水平旋喷桩机进行改造，并通过旋喷桩试桩来确定工艺参数。

4.1 机械设备

水平钻机、高压泥浆泵、搅拌机、压浆泵、高喷记录仪、电磁流量计各1台。

4.2 工艺参数

桩径为φ800mm；水泥用量为300kg/m；水灰比为1∶1；旋转速度为20r/min；钻进速度为0.5m/min；钻进喷射压力为5MPa；回拔速度为0.25m/min；喷射压力为15MPa、喷射流量为85～90L/min。

4.3 试桩实施

选择最早具备条件的2号口进行试桩，选择3根水平旋喷桩作为试桩，3根试桩完成共计6h。

4.4 加固效果

试桩完成14d后，进行桩头表面挖除取芯及强度检测工作，桩径约800mm，成桩断面水泥土柱清晰可见，钻孔取芯，芯样完整性好，3组芯样强度分别为2.0MPa、2.2MPa、2.1MPa，满足设计要求。

根据试桩的工艺参数对3个出入口暗挖断面进行水平高压旋喷桩加固施工，通过监测发现，加固土体最大隆起量为200mm，未和上部管廊接触造成上抬。同时，通道开挖后，暗挖支护结构各项监测数据稳定满足设计要求（监控数据显示，暗挖通道净空收敛最大值为3.27mm，控制标准值为20mm，最大速率控制值为3mm/d），确保了施工安全。

5 结束语

综上所述，通过对水平旋喷桩机进行改造，采用水平同心双管钻具，并对喷射工艺进行改进，采用小范围低压力初次切削、二次较高压力喷射，起到了土体置换成桩的作用且喷射压力较常规工艺小，解决了与建筑物小净距条件下，在淤泥质土层中成桩困难、强度不高、土体隆起等问题，文章总结提炼的工艺参数及方法可对今后类似工程项目起到参考作用。