沿海地区高压旋喷桩止水施工技术

方忠新 龚 辉 张 莹 张建军

中国化学工程第六建设有限公司 湖北襄阳 441100

高压旋喷注浆法始创于日本，它是在化学注浆法的基础上，采用高压水射流切割技术而发展起来的。高压喷射注浆，就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定的深度后，以20M～40MPa 的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层。当能量大、速度和脉动状的射流动压大于土层结构强度时，土颗粒便从土层中剥落下来；一部分细颗粒随浆液或水冒出地面，其余土粒在射流的冲击力、离心力和重力等力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律地重新排列；浆液凝固后，便在土层中形成一个固结体。由多个高压喷射注浆固结形成一个整体，可作为既有建筑和新建建筑的地基加固、防渗处理之用，也可作为基础防渗之用，还可作为施工中的临时措施（如深基坑侧壁挡土或挡水），也同样适用于石油、化工、冶金、电力等行业中涉及沿海地区受潮汐影响的地下高水位开挖施工作业环境。

这种施工方法可以使被加固区域形成一个整体，提高地基的抗剪强度，改善土体的变形性质，从而保证了原有建筑物基础下土体的稳定性，亦保证了基础的稳定。笔者以某炼化一体化项目一期工程地下管网深基坑开挖为例，阐述沿海地区高压旋喷桩止水施工技术。

1 工程简介

1.1 工程地点

中国化学工程第六建设有限公司承建的某石化炼化一体化项目一期工程——煤焦制气气化项目、净化项目及空分空压项目地下管网工程位于海岛上。项目于2017 年8 月开工，2019 年11 月交工。

1.2 项目场地情况

该工程在填海区域范围内，根据岩土工程勘察技术报告书，施工范围内地基土土层特性如下：

（1）回填土（Q4ml）：主要为开山区碎石、块石，一般粒径200～600mm，最大粒径约2000mm。该层的厚度根据堆载前直接钻探钻孔的高程数据结合堆载前后场地的高程计算而来。

（2）吹填土（Q4ml）：该层普遍分布。此层堆载时被挤压和开山碎石已混为一层。

（3）淤泥质粉质粘土（Q4m）：灰色，流塑，其层理或鳞片状构造，中间夹少量粉砂，含少量贝壳碎屑，切面光滑，干强度高，韧性高，摇振无反应，高压缩性。该层在场地普遍分布。

（4）地下水类型：根据地下水赋存条件、水理性质及水力特征，本工程场地地下水为孔隙潜水。孔隙潜水赋存于场地浅部的粘性土、粉砂及素填土中，主要受大气降水补给及海水潮汐影响，地下稳定水位标高为+1.7m。具体如图1 所示（以原始地面高程4.8m 为±0.000），土层参数见表1。

图1 现场土石方情况及水位示意图

表1 土层参数表

因原始地面标高为+4.8m，海水系统管道（DN2600）中心标高为+1.5m，管支架高200mm，承台高500mm，垫层100mm，故承台垫层底标高为- 0.6m。在不涨潮的情况下水深2.3m 左右。

1.3 实物工程量

本工程主要针对DN2600 海水管道，管道规格为：Φ2642×22.2mm，材质为Q235B，长度约1350m。

1.4 施工方案的确定

传统的大开挖强排或钢板桩止水的方法，要么放坡系数大，周边需要卸载土方，存在坍塌和倾斜的风险；要么渗漏多，止水效果较差。而采用高压旋喷桩止水相当于在管道周边设置一道混凝土墙，止水效果好，既可消除深基坑坍塌的安全隐患，又可缩短工期。根据岛上实际情况及其他兄弟单位地下部分施工情况，本工程选用高压旋喷桩止水，注浆管选用二重管旋喷法。

2 高压旋喷桩的工艺原理

2.1 工艺原理

高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，用高压设备使浆液成为20M～40MPa 的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体；同时，钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合；浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。图2 为旋喷法示意图。

图2 旋喷法示意图

喷射注浆法的加固半径与许多因素有关，包括喷射压力、提升速度、被加固土的抗剪强度、喷嘴直径和浆液稠度。加固范围与喷射压力、喷嘴直径成正比，与提升速度、土的抗剪强度和浆液稠度成反比。加固体强度与单位加固体中的水泥掺入量和土质有关。

2.2 成桩机理

高压喷射注浆的成桩机理具有以下四种作用：

（1）高压喷射流切割破坏土体作用。喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体，使土体出现空穴，产生裂隙扩张。

（2）混合搅拌作用。钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷嘴移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动，与浆液搅拌混合形成新的结构。

（3）充填、渗透固结作用。高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。

（4）压密作用。高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并对土层可产生一定压密作用，使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分，如图3 所示。

3 施工工艺流程及操作要点

高压旋喷桩施工工艺流程如图4 所示。

图4 高压旋喷桩施工工艺流程图

3.1 施工前准备工作

（1）在设计文件提供的各种技术资料的基础上作补充工程地质勘探，进一步了解拟施工地点地基土的性质、埋藏条件。

（2）准备充足的水泥加固料和水。水泥的品种、规格、出厂时间要经试验室检验符合国家规范及设计要求，并有质量合格证。严禁使用过期、受潮、结板、变质的加固料。一般水泥为Po42.5 普通硅酸盐水泥。水要干净，酸碱度适中，pH 值在5～10 之间。

（3）根据补充勘探资料，在选择的试验工点加固范围内的各代表性地层用薄壁取土器采取必需数量的原状土送试验室，土样在进行试验之前应妥善保存，使土样的物理和化学性能尽可能保持不变。

（4）室内配合比试验。根据设计要求的喷浆量或现场土样情况，按不同含水量设计并调整几种配合比，通过在室内将现场采取的土样进行风（烘）干、碾碎，过2～5mm 筛的粉状土样，并按设计喷浆量、水灰比搅拌、养护、力学试验确定施工喷浆量、水灰比。一般水灰比可取1.0～1.5。为改善水泥土的性能，如防沉淀性能和提高强度，可适当掺入木质素磺硫钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠、陶土和碱等外掺剂。若试验之前土样的含水量发生了变化，应调整为天然含水量。

（5）试桩试验。根据室内试验确定的施工喷浆量、水灰比制备水泥浆液，在试验工点打设数根试桩，并根据试桩结果，调整加固料的喷浆量，确定搅拌机提升速度、搅拌轴回转速度、喷入压力和停浆面等施工工艺参数。

（6）推土机、挖掘机配合自卸汽车清除地表0.3m厚的种植土、杂物，并将原地面按设计要求整平，填出路拱。根据施工现场实际情况，施工临时排、截水设施，并在施工范围以外开挖废泥浆池，以及施工孔位至泥浆池间的排浆沟。

（7）按设计要求完成施工放样，用木桩定出桩位，用白石灰做出明显标识。

3.2 测量定位

依据控制桩和设计图，准确定位旋喷桩的孔位。

3.3 钻机就位

钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆应与桩位一致，偏差应在10mm 以内，钻孔垂直度误差小于1.5%；钻孔前应调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常；校验钻杆长度，保证孔底标高满足设计深度，如图5 所示。

图5 测量定位、管沟开挖、钻机就位

3.4 制备水泥浆

桩机移位后，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。首先将水加入桶中，再将水泥和外加剂倒入，开动搅拌机搅拌10～20min；而后拧开搅拌桶底部阀门，放入一道筛网（孔径为0.8mm），过滤后流入浆液池；然后通过泥浆泵抽进第二道过滤网（孔径为0.8mm），第二次过滤后流入浆液桶中，备用。

3.5 插管

当采用旋喷注浆管进行钻孔作业时，钻孔和插管两道工序可合二为一。当第一阶段贯入土中时，可借助喷射管本身的喷射和震动贯入。其过程为：启动钻机，同时开启高压泥浆泵低压输送水泥浆液，使钻杆沿导向架振动、射流成孔下沉，直到桩底设计标高，观察工作电流不得大于额定值。

参数控制：执行JGJ 79- 2012《建筑地基处理技术规范》中有关规定。具体工程参数控制见表2。

表2 工程参数控制表

3.6 提升喷浆管、搅拌

喷浆管下沉到设计深度后，停止钻进，旋转不停，使高压泥浆泵压力增到施工设计值（20M～40MPa）；坐底喷浆30s 后，边喷浆，边旋转，同时严格按照设计和试桩确定的提升速度提升钻杆；在达到设计深度后，接通空压管，开动泥浆泵、空压机和钻机进行旋转，并用仪表控制压力、流量和风量，分别达到预定数值时开始提升，继续旋喷和提升，直至达到预期的加固高度后停止。

3.7 桩头部分处理

当旋喷管提升接近桩顶时，应从桩顶以下1.0m 开始慢速提升旋喷，旋喷数秒，再向上慢速提升0.5m，直至桩顶停浆面。

3.8 清洗

向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至基本干净，并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。

3.9 移位

移动桩机进行下一根桩的施工。

3.10 补浆

喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴。因此，要及时用水灰比为1.0 的水泥浆补灌。

3.11 土方开挖

高压旋喷桩施工结束后，进行基坑开挖。开挖前，要定位放线，办理动土作业票，并了解地下障碍物（如电缆、原有管道等）的分布情况，以免施工时遭到破坏。采用机械开挖时的注意事项：

（1）基坑开挖时采取分层施工，在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点，遵循“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的施工原则。采用自卸汽车运输。

（2）分段开挖的基坑四周或沟槽两端设截流沟和排水沟，渗水及雨水及时泵抽排走。雨季备足排水设备，做好预警工作，确保基坑安全。

（3）开挖过程中，按既定的监测方案对基坑及周围环境进行监测，以反馈信息指导施工。

（4）开挖顺序：回填土开挖（第一次开挖）→开挖至水位线→旋喷桩施工槽开挖→打旋喷桩→止水（填海泥/ 黄土）→截桩→吹填土开挖（第二次开挖）→排水、截桩→挖至淤泥层→海沙层/ 淤泥开挖(第三次开挖) →排水，截桩。循环开挖至设计标高，如图6 所示。

图6 断面示意图

旋喷桩彼此搭接咬合，可形成一道有一定厚度的墙体，止水并加固此区域。

3.12 基坑排水措施

鉴于本项目施工现场地下水位较高，采用止水、导水和排水技术来保证施工的顺利进行。

沿基坑上口两边设350mm×350mm 的截水明沟，防止地表水流向基坑。沿坑底的两侧挖排水沟进行基坑内导水，排水沟紧贴旋喷桩施工，断面取300mm×300mm，坡度为0.5%。集水井隔30m 左右设置一个，直径为0.8m，深度随挖土的加深适当设置。基坑内地下水流入集水井内，再用水泵抽出坑外，排入施工现场指定位置。

4 结论

本工程地下管网开挖过程中采用的高压旋喷桩止水施工技术，能够使灰浆与塘渣结合密实，强度高，避免了采用钢板桩方式止水因钢板桩倾斜，以及转角或桩之间贴合不严密造成的漏水、底部返水及钢板桩超期等弊端，大大提高了施工效率，缩短了工期，节约了成本，减少了交叉作业，降低了施工安全风险，取得了良好的效益。

4.1 安全效益

传统的大开挖强排或钢板桩止水放坡系数大，周边需要卸载土方，有坍塌和倾斜的风险；而高压旋喷桩止水施工相当于在基坑周边设置一道保护墙，起到了止水和支护的双重作用，且消除了深基坑坍塌的安全隐患。

4.2 经济效益

（1）工期方面：使用钢板桩工期为3 个月，必须形成闭环，待所有的管施工完后才能拆除钢板桩；而旋喷桩工期为1 个月，可以分段形成闭环，在水位以上隔断还可以拆除，止水效果好，而且可以有效地减少地下水渗入。特别是存在地下、地上交叉作业的时候，旋喷桩影响地上施工作业面的概率会降低70%。

（2）材料方面：钢板桩施工周边需使用大量海沙进行堵漏回填；高压旋喷桩仅需搅拌桶和泥浆池，投入较少。

（3）人工方面：钢板桩施工时需配备足够的堵漏人员；旋喷桩则不需要额外的人员配合，减少了人员的投入。

（4）机械方面：钢板桩施工需配备1 台挖机及渣土车进行换填海沙堵漏；旋喷桩只需要投入钻机、高压泵，且设备轻便、操作简单。

4.3 质量效益

高压旋喷桩作为深基坑支护中的止水和地基加固，具有强度高、质量好、形状可控、施工均匀等显著特点。与传统的利用钢板桩止水相比，不存在贴合度不好造成的渗漏问题，减少了因止水困难导致钢板桩使用周期长，而且施工完可直接回填不需要拔桩等工序，真正做到质量可控、施工科学，保证了管道及基础的施工质量。实践证明，在沿海地区高水位塘渣回填区域采用高压旋喷桩止水技术是可行的、科学的。