粉砂地质条件下顶管基坑围护结构高压旋喷桩工艺性试验分析

韩 忠，徐 鑫，杨汉凤（上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707）

海门市位于江苏省东南部，东濒黄海，南倚长江，是由长江泥沙沉积而成的陆地，境内河网密布，水系丰沛。海门黑臭水体治理工程主要涉及日新河、宏伟河、通沙河 3 条劣 V 类内圩河道，服务河道总长度约 4 400 m，服务居民生活范围总面积约为 370 万 m2。通过本次治理，短期内水质达到 IV 类水质，远期达到 III 类水质。该工程中截污管道管径φ2 400 mm，顶管施工的基坑深度为 9.8 ～ 12.2 m，设计主要采用“灌注桩支护+高压旋喷止水帷幕”施工工艺。在试验井中，基坑开挖后发现有局部渗漏水现象，经取芯检测，存在旋喷桩 7 m 左右以下不成桩问题。现场对旋喷桩施工工艺进行多次工艺性试验，根据试验情况调整施工工艺及施工参数，最终工程效果满足了设计要求。

1 工程基本情况

海门黑臭水体治理工程中截污管道施工部分在现状道路下，道路狭窄，交叉路口交通繁忙。设计总管采用顶管施工，顶管基坑开挖深度 9.8 ～ 12.2 m，基坑采用钻孔灌注桩加旋喷桩围护方案。日新路 2 号基坑围护桩位图如图 1所示。

图1 日新路 RXH 2 号基坑围护桩位图

1.1 地质条件

本项目止水帷幕深度 16 m 左右，第 1 层杂填土基本挖除，最深达到第 5 层。1 层杂填土，场区普遍分布，平均厚度 1.50 m；2 层粉质黏土夹粉土，场区普遍分布，平均厚度 1.99 m；3 层粉土夹粉砂，场区普遍分布，平均厚度 3.89 m；4 层粉砂夹粉土，场区普遍分布，平均厚度 12.04 m；5层粉土夹粉砂，场区普遍分布，平均厚度 3.58 m；6-A 层粉砂夹粉土，主要分布在日新路、宏伟路南侧，平均厚度 3.49 m；6 层淤泥质粉质黏土夹薄层粉砂，场区普遍分布，该层未穿透。日新路 RXH 2 号基坑地层描述如表 1 所示。

表1 日新路 RXH 2 号基坑地层描述

1.2 水文条件

根据勘察结果及区域性水文资料，勘察深度范围内地下水类型为孔隙潜水，赋存于第四系全新统冲积层中，主要含水层为粉砂性土。潜水主要受大气降水垂直补给及地表水体侧向补给，地表水体与地下水呈互补关系。场地地形平坦，径流缓慢。勘探期间，现场测量测定地下水稳定水位平均1.77 m（标高）。水位受降水影响，季节性变化明显，年地下水变化幅度 1.0 m 左右。本地区水文地质资料显示，近几年最高水位 2.5 m 左右，历史最高水位 2.8 m。抗浮水位可取历史最好水位 2.8 m，但不低于室外设计地面标高下 0.5 m。地下水水网贯通，浅层地，基槽开挖较深时，地下水会对基础施工产生不利影响。

2 旋喷桩施工工艺

旋喷法又称高压喷射注浆法，利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻至土层的预定位置或先钻孔后将注浆管放至预定位置，以高压使浆液或水从喷嘴中射出，边旋转边喷射的浆液，使土体与浆液搅拌混合形成固结体。旋喷注浆具有强化地基和防漏的作用，因此在基坑工程中常被用来作止水帷幕[1-2]。

旋喷法可分为单管、二重管、三重管等方法。由于单管法采用单层喷射管，仅喷射水泥浆，成桩桩径较小，故用于地基加固，目前在工程上应用较少。二重管法与三重管法应用则较为普遍，两者特点及技术经济分析对比如表 2 所示。

表2 二重管法与三重管法的工艺比较

高压旋喷桩施工工艺流程如图 2 所示。

图2 高压旋喷桩施工工艺流程

在本项目中，分别采用了二重管旋喷桩与三重管旋喷桩进行了工艺性试验。综合技术、质量、安全和经济分析，最终采用三重管旋喷桩施工工艺作为基坑的止水帷幕。

3 高压旋喷桩施工工艺性试验

3.1 试验场地选择

旋喷桩固结体的整体性和均匀性以及固结体的有效直径、强度、垂直度是旋喷桩质量的重要指标，也是影响旋喷桩防渗性能的关键因素。由于不同的地质条件、不同的施工工艺对其质量影响较大，而地下施工又无法通过直接观察验证，因此需要通过工艺性试验，即试桩以确定旋喷桩设计方案的可行性，并以试验结果作为设计、施工的基本依据。试验场地的选择一般应考虑以下几方面的条件。

（1）选取的试验场地应可充分反映实际施工的地质条件。

（2）试验应考虑施工条件、机械设备及人员交通的影响。

（3）试验可结合试桩工程的利用，作为工程的一部分，但对试验工程的利用应做好与前后道工序施工的衔接。

综合考虑上述几个条件，本工程选取了 RXH 7 号顶管井基坑为试坑，围护结构中旋喷桩止水帷幕作为试桩。

3.2 两重管旋喷桩采用 25% 水泥掺量时的试验情况

2019 年 5 月 28 日，日新路 RXH 7 号坑灌注桩施工完成 28 d 后开始两重管高压旋喷桩施工。采用双排止水桩形式，管径Φ600 mm，搭接长度 ≥ 200 mm，浆液比重 0.7～ 1.0，水泥掺量 ≥ 25%，提升速度 10 ～ 15 cm/min，钻杆转速 35 r/min，浆液压力 ≥ 20 MPa，气流压力 ≥ 0.7 MPa。2019 年 6 月 30 日，由于对旋喷桩止水效果估计不足，现场采用了直接进行开挖验证的方式验证基坑的止水效果。当 RXH 7 号坑开挖至 5 m 左右发现基坑北面出现涌水涌沙现象，其他三面止水效果良好；开挖至 7 m 左右，基坑四面多处出现大面积涌水涌沙。为确保基坑及周边建筑物的安全，及时对基坑进行了回填。

3.3 两重管旋喷桩采用 35% 水泥掺量时的试验情况

2019 年 8 月，分别布置在日新路 RXH 2 号坑及宏伟路HWH 28 号坑采用两重管工艺试桩提高水泥掺量至 35%，浆液比重 ≥ 1.0，提升速度 10 cm/min，钻杆转速 35 r/min，浆液压力 ≥ 20 MPa，气流压力 ≥ 0.7 MPa。重新进行了地勘，更换了施工机械和队伍，严格施工规程规范的要求。根据施工过程中的情况随时调整旋喷压力和提升速度，在深度较大处加大压力且放慢提升速度，同步控制浆液的质量。成桩 7 d 后通过取芯验证止水帷幕成桩质量。

从取芯芯样来看，5 m 以上不成桩，5 m 以下局部成桩，第二次试桩依然不能满足设计要求。

3.4 三重管旋喷工艺试验

2019 年 10 月 2 日 ～ 2019 年 10 月 5 日，在宏伟路HWH 28 号坑外，采用三重管高压旋喷工艺同时试桩 4 根桩，有效桩径 ≥φ800 mm。4 根桩采取不同的技术参数，测定水泥掺量。通过试验取得最佳的水泥参量及相关的工艺参数，如表 3 所示。

表3 1 ～ 4 号试桩技术参数表

试桩试验过程中，严格按照既定的施工方案和确定的技术参数对作业人员进行施工前交底，对工序质量进行施工中监控，对试验情况进行施工后分析。监理人员进行了全过程旁站、记录和测量。通过试验，测得的具体水泥参数如表 4所示。

表4 1～4 号试桩水泥用量统计表

2019 年 10 月 12 日，试桩 7 d 后，对试桩进行取芯，试验结果如下。

（1）1 号桩。4.5 ～ 9.0 m 区段成桩较差，9.5 ～ 10.0 m 成桩良好，10.0 m 以下断断续续成桩，很难起到止水效果。水泥用量为 12.80 t，验算出水泥掺量为 55%。

（2）2 号桩。4.0 ～ 6.0 m 成桩很差，9.0 ～ 10.5 m 局部成桩质量不好，止水效果较差。该桩有效长度 15 m，直径为Ф800 mm，水泥用量 5.70 t，验算出水泥掺量为 35%。

（3）3 号试桩。3.0 ～ 3.5 m，成桩较差，3.5 m 以下成桩良好，可以达到止水效果。该桩有效长度 15 m，直径为Ф800 mm，水泥用量 9.75 t，验算出水泥掺量为 48%。

（4）4 号桩。加水玻璃 [0.833∶1∶0.05（水玻璃）]，6.0 m ～ 7.5 m 成桩较差，其他部位成桩良好。该桩有效长度 15 m，直径为Ф800 mm，水泥用量 6.00 t，验算出水泥掺量为 37 %。水玻璃用量可根据用量配比计算。

根据试桩成果可知，1 号、2 号成桩效果差，3 号、4 号成桩效果较好。

4 原因分析

旋喷桩质量问题主要表现为浆液质量差、桩体搭接不到位、桩体强度不满足要求。分析其原因可知，主要有地质条件、周边环境、施工设备选择、施工工艺、施工过程管理等方面。对质量问题进行具体归纳，如表 5 所示。

表5 高压旋喷桩常见质量问题分析

结合本工程的情况进行分析可知，主要有以下几方面的原因。

（1） 地质和环境因素。海门市常年地下水较高，水网贯通，日新路 RXH 7 号坑东面为日新河，河床深度 3.5 m 左右。2 ～ 5 层主要为粉土夹粉砂和粉质黏土夹粉土及粉砂夹粉土。在试桩时 5 m 以下，由于压力的增加，水压、气压切割沙土困难。一是浆液不能均匀进入粉土粉沙层，二是影响切割半径，影响成桩质量和搭接长度。丰富的地下水叠加粉土粉沙，较易形成流沙，致使基坑开挖失败。施工中河面有翻浆现象，也说明了浆液流失严重，影响桩体成型（后来河道清淤，发现河床底散布约 30 cm 的浆块，面积 60 m2左右），下部为浆液、气流压力切割土体不彻底，浆液不能与土体均匀拌和。

（2） 施工过程管理因素。旋喷桩的施工质量与过程管理关系较大。由几批试桩的质量检测结果分析可知，同样采用二重管工艺，在同一区域，其质量仍有差异。施工前期对作业工人进行的技术交底和培训，施工过程中对桩体垂直度、钻杆旋转和提升速度、坑边环境监测预控等的管控力度均会影响喷浆均匀性和成桩质量。浆管开放与关闭是否准时，钻杆提升是否严格按照规定速度且是否为匀速，坑边存在河流是否导致浆液流失，桩体搭接长度是否满足要求，避免桩身开叉，监理人员在现场是否对各工序施工质量进行精细化的过程管控等均对成桩效果、桩身完整性及防渗效果产生直接影响。本工程试验中，施工人员严格按照试验参数进行施工，监理人员进行全过程旁站监控，上述管控关键点都得到了较好的管理。综合考量试验全过程，施工过程管理对于桩体质量问题的影响较小。

（3）工艺及参数选择因素。高压旋喷桩施工质量的好坏不仅受工程类型、喷射地形及地质地层条件的影响，更重要的是取决于施工工艺技术参数是否得以合理选用。一般情况下，重要工程开工前，根据工程复杂程度和地质情况，均应进行现场工艺性试验，以取得最佳匹配的符合工程实际情况的施工工艺技术参数。本工程所在的海门区域环境内，地质水文条件较为复杂，经过几次工艺性试验，判定选择三重管形式的效果较好，可满足现场施工需要和成桩质量要求，保证桩体防渗效果。二重管形式的试验在不同地层的成桩效果不同，且整体成桩效果较差，不能满足现场防渗需求。三重管的技术参数确定主要考虑水、气、浆的压力及流量，以及喷嘴大小和水量；喷嘴旋转、摆动和提升的速度；浆液配比、相对密度等。

5 工艺参数选择及工程效果

根据试验情况，现场采用双高压三重管工艺，进行本工程的止水帷幕施工桩的搭接长度 ≥ 400 mm，施工过程中加强钻杆旋转和提升速度监控、严格控制水灰比、密切关注冒浆量等关键指标的质量控制。2020 年 1 月 8 号基坑止水帷幕施工全部完成。工作坑 HWH 14 号、HWH 6 号、RXH 13、RXH 7 及接收坑 RXH 17、HWH 28 等基坑在 2020 年 4月 20 号后开挖。开挖后基坑均无明显渗漏点，满足设计和规范要求，保证了基坑的安全稳定和周边环境的安全。

6 结 语

（1）旋喷桩作为止水帷幕，在地下水丰富、极易透水的粉砂土壤使用时，易出现渗漏等现象。但对于地下水流速过大或已涌水的防水工程，限于工艺、积聚和瞬时速凝材料等方面的原因，应慎重使用。

（2）旋喷桩固结体处于地下，属于隐蔽工程，桩体质量无法直接观察，必须使用比较切合实际的各种检查方法检验成桩质量。主要检查的项目包含承载力、水利用量、桩身长度、桩身强度及渗透系数，检验的方法包括开挖检查、室内试验、钻孔检查、加固体或围井钻孔注（压）水试验及静载试验等。

（3）加强旋喷桩施工过程监控尤为重要。对于质量通病问题的处理处置需预先制定好应急预案并加强对应措施落实，如出现冒浆量过大现象，就应通过提高喷射压力、适当缩小喷嘴直径、适当加快提升速度等措施进行控制。还应做好施工过程安全监控和环境保护工作，如加强人员交底和培训工作，设备设施检修、工序施工的安全防护警示，包括原材料遮盖防护、作业区域降尘降噪、废弃加固料的处理处置等。