高压旋喷灌桩在地铁施工中的应用

史 彦 河南省建筑科学设计研究院有限公司工程师

杨贵永 河南省建筑科学设计研究院有限公司高级工程师

梁 波 五丁建设工程集团有限公司工程师

1 项目概述

某市轨道交通M8 号线车站位于老城区，其中3 号和4 号车站的出入口有密集的地下管道，这些管道的横截面较大且方向错综复杂。出入口在坑周围的露天坑后加筋构造上，每个坑约为6.8 m×7.0 m，坑深为9.5 m，施工现场的地质条件复杂，从上到下有各种各样的路堤，包括粘土质粉砂、沙质粉砂、粉砂、粉砂粘土及粉质粘土，上部有地下障碍物，如旧城区道路和建筑基础等。许多地下管线包括了2 m宽的110 000 V 电力管，1.3 m 宽的36 孔服务管，直径1 300 mm 的落水管和多条水管。局部的管道垂直和水平交叉。施工条件复杂，地下水位高，浅层潜水，周围补给水源丰富。由于管道和地下障碍物的影响，不能使用管道屋面、顶管、实心墙、整体桩、超分子桩及其他施工方法来建造基坑或基坑围栏。3 号和4 号出口通道最终将采用高压旋喷灌桩，这是将H 型钢插入喷桩中以保护开挖的方法。

2 高压旋喷灌桩的工艺原理和使用范围

2.1 工艺原理

高压旋喷灌桩使用钻机导向孔将具有特殊喷嘴设计的喷射注浆钻杆降低到预定的土壤层。当喷射注浆钻杆以一定速度旋转上升时，高压产生设备用于产生高压水射流，该高压水射流切割并破坏气流罩下方的土壤，并将具有一定压力的水泥浆注入底部，用于在解决方案中旋转喷射钻探的管道泵。由于3 种喷射流对土壤的影响，部分受损的土壤、水和空气流都在地面上被清除，并且一部分与水泥砂浆完全混合。在水泥土固结和硬化后，土壤中形成具有一定强度的桩-主体，即桩的喷射灌浆。根据喷涂方向和摆动角度，可分为旋转喷涂、摆动喷涂及固定喷涂[1]。

2.2 机器性能及技术参数

施工设备主要由钻机和高压发生设备两部分组成。主要设备包括旋喷钻杆、高压柱塞泵、空气压缩机、泥浆混合机、灌浆泵及污水泵等。高压双管法适用于桩径约为1 m 且对质量要求较高的项目结构配件[2]。因此，该项目使用双管道方法。主要技术参数如表1 所示。

表1 技术参数 （高压两管水泥喷射桩的设计参数）

2.3 适用范围

三管高压旋转渗碳技术具有设备移动方便的特点，且有施工速度高、桩径大、残茬少、结构灵活、对地下管线的影响小、各部位加固的强度可控制等优点。土壤可以有效防止渗水，最适用于粉砂层。由于HPC 桩成型工艺具有灵活性，因此在保护管道方面具有其他施工方法所没有的优势。以SMW 桩的施工方法为例，其充分利用了桩和H 型钢嵌件的喷射灌浆特性，提高了桩身的刚度，使得地铁站出入口的围护结构得以建造，扩展了高压旋喷桩的新应用[3]。

3 高压旋喷灌桩技术的使用方法

3.1 旋喷桩的布置

由于进、出口开挖中有许多管线，因此将其分为无管线的常规部分和有注水管道的特殊部分，用于喷浆桩的设计。在普通截面中，将直径为850 mm 的喷射渗碳桩排成一排，桩与桩之间的间距为550 mm，再将H 型钢插入间隙中。在一个特殊的部分中，使用半径为1 100 mm 或1 500 mm的定向摆式喷射桩和旋转式喷射桩，具体半径取决于管道截面的尺寸。结合使用喷射桩的方法是在管道下部填充坑，一定深度范围内的等深钢筋。当管道位于开挖外部时执行此操作，以确保周围结构的刚性。

3.2 喷射水泥钢桩和型材施工参数的设置

根据实际情况，在围栏和加固的不同区域中，喷射注浆桩的直径有所不同，可为850 mm、1 000 mm 和1 200 mm 等。用于固井的定向振动桩的振动摆喷半径为在管道横截面1 100 mm，上为1 500 mm。旋喷桩的长度为18 m，距地面的施工深度为1 ～19 m。将H 形钢插入注浆桩之间，并适当压实管道边缘钢，为管道提供足够的支撑刚度。H 型钢的尺寸为700 mm，其长度为18 m，钢的顶部与地面高度相同[4]。

4 高压旋喷灌桩施工质量的控制策略

4.1 施工顺序

常规的喷射注浆桩在开挖的两侧，首先建造带有H 型钢插入件的喷射注浆桩，之后是不带型钢的喷射注浆桩。对于管道通过的特殊区域，首先建造定向旋转喷射注浆桩，之后建造其他喷射注浆桩。进行喷桩时，首先将喷浆桩安装在基坑的侧壁上，然后将喷浆桩安装在基坑外的加固区域中，桩的喷射胶结实现了井道的跳孔建造。

4.2 施工工艺及工艺流程

钻孔桩由旋转钻机建造，形成井眼，而旋转灌浆桩则采用先导井来控制垂直度。选择与桩间距匹配的建筑技术，以确保该技术工艺是封闭的成桩。在施工过程中，通过旋转喷射和定向喷射的技术方式固定井位，并开展导向井和钻导向孔的施工，随后安装高喷射钻机，并设计深度，安装开放式泵，进行净水压力测试，最后采用灌浆混合高压喷雾清洁泵、管道及钻具。

4.3 施工要点

在浇筑混凝土之前，需要先检查桩底的厚度，保证厚度不超过100 mm。在浇筑过程中，要检查水下混凝土结构是否存在泄漏的情况。一旦出现混凝土泄露，要进行及时填充，并密封接头。在填充过程中，首先要根据填充位置的形状，制作一个特殊的料斗，其容量应符合在底部浇筑混凝土的要求。同时，要注意混凝土必须连续浇筑，以防止桩破裂。

4.4 其他注意点

应选择具有良好分散性的普通硅酸盐水泥，并对水泥浆进行严格过滤。一般情况下，水泥与灰比为1.0，水泥的比重为1.5。在挖坑时容易发生渗水、甚至喷流倒塌的情况，坑漏堵头主要根据“泥水分离，喷泉堵水，注水止水”的原则，充分利用现有的挡土桩和堵头。

4.5 质量措施

为确保施工质量，可采用以下措施控制施工过程。

（1）精确设定线，设定桩位，在L 型导向孔的L 型钻机安装好后，井位的误差要小于5 cm。

（2）严格控制导向孔的施工质量，确保直孔偏差小于0.5%。

（3）确保特殊的旋转灌浆在天花板下面。机器中的水应稳定坚实，动力头垂直上下运动，桩心角控制误差小于0.5%，桩心挠度小于10 cm。

（4）开始喷射后，泵压力达到设计范围，灌浆返回孔中。根据计算值开始升级钻具。

（5）检查施工用水的水质，以确保水质符合规范，严格控制水泥质量，控制水泥浆的比例，做好砌块强度试验，重新测试水泥浆，并进行调整。根据试验结果和具体地质条件，及时、合理地优化施工方案，控制桩体第28 天的桩体强度和设计直径。

5 高压旋喷灌桩应用中对管道的保护措施

由于许多重要的管道都经过了开挖，因此在注浆桩的施工过程中需要采取各种措施来保护管道，主要有以下方式。

（1）沿注浆桩方向切割管线，并根据具体的管线布置确定注浆桩的位置，以确保注浆导向孔设计不会损坏管线。

（2）注浆桩施工现场的管道悬空（大约在0.5 ～1.0 Ω），以避免注浆引起的强烈土壤隆起和管道压碎损坏。

（3）在桩基施工中的旋喷灌浆中，管道的悬挂部分使用了临时的H 型钢吊架。在建造喷射注浆桩时，必须使用管道底部和喷射注浆桩顶部之间的注浆进行重新填充。

（4）喷射注浆机必须降落在水平且牢固的地面上，或使用软枕，避免对管道顶部施加直接压力。

6 高压旋喷灌桩技术的应用效果

旋喷桩完工后，在坑内进行主动脱水，以检查旋喷桩围护结构的水密性，并准备开挖。基坑脱水数据表明，在基坑开挖深度以上形成了有效的重叠，基坑的水位稳定在12 m，基坑总排水量小于20 m3/h，符合设计要求。28 天的块强度测试（用于再浆化测试）的平均值大于2.2 MPa。上环梁完工后，在完成水泥旋喷桩安装后28 天开始挖基坑。凹坑由3 个支撑件和从上部环形梁向下的2 个大梁支撑，该凹坑也分为3 层。开挖后，周围喷射浆桩的直径全部裸露，达到或超过设计值，围栏坚固，没有破碎或渗漏的桩，喷射浆桩的采样强度超过5 MPa。同时在基坑开挖过程中对基坑的变形进行监测，位移监测数据表明，浇筑厚度为800 mm 的钢筋混凝土板后，基坑的变形小于1‰，达到一类基坑的标准等级。

7 结语

利用高压旋喷灌桩的优势，以SMW 的施工方法为参考，通过桩喷灌法插入H 型钢，提高了喷浆桩身的刚度，可以进行基础施工。最终结果表明，该方法可行且效果良好。更多的基坑可以更好地解决管道保护问题，减少管道移动，大大降低建设成本，具有良好的经济效益和社会效益。