钻孔灌注桩结合高压旋喷桩隔水帷幕在深基坑支护止水工程中的应用

2022-03-08朴健

工程建设与设计 2022年1期

朴健

（唐山市市政工程环境卫生事务中心，河北唐山 063000）

1 引言

随着我国经济的迅速发展和建筑技术的不断创新，基坑的开挖深度越来越深，因此，基坑支护的技术要求也越来越高。当前深基坑施工中仍然存在一定的问题，例如，支护不到位引起的基坑周边建筑物沉降、倾斜，地下水上浮引起的基坑塌方等。为此，选择一种安全可靠、技术可行的深基坑支护止水方案意义重大且深远。

2 支护止水原理

深基坑工程主要面临2 个问题：基坑支护和降排地下水。对于基坑支护问题，通过钢筋混凝土钻孔灌注桩工艺施工悬臂支护桩是早期的常用方案，这种方法就是通过机械钻孔形成桩孔，然后下放钢筋笼并灌注混凝土成桩，从而以柱列式间隔布置的钢筋混凝土桩作为挡土结构的一种形式，因为悬臂支护桩有较大的侧向刚度，所以，可以有效限制支护结构变形[1]。而对于降排地下水问题，通过高压旋喷桩设置隔水帷幕是早期的常用方案。利用高压旋喷工艺使原位软土形成具有较高强度的大直径水泥土桩体，可以改善松散软土的力学性能，提高土体的内摩擦角值、黏聚力和抗渗能力。高压旋喷桩隔水帷幕可以起到支护基坑侧壁的作用，更为重要的是，隔水帷幕加大了地下水的渗流距离，延长了基坑周边地下水向基坑内渗流的路径，可以截住基坑底的渗水，防止水土流失，将基坑周边地层因降水导致的附加沉降控制在一定的限度，从而减少基坑降水对周边环境的影响[2]。

如果单独设置悬臂支护桩，由于施工机具的限制和成桩直径、位置的偏差，难以形成完整连续墙体，无法同时解决支护挡土和止水的问题。如果单独设置高压旋喷桩隔水帷幕，虽然解决了止水问题，但是为了满足挡土支护要求，需要设置多排旋喷桩形成很厚的旋喷墙体，这样又会加大工程量，延长了工期且不经济[3]。为此，可以把钻孔灌注桩的挡土支护功能和高压旋喷桩隔水帷幕的止水功能相结合，采用钢筋混凝土钻孔灌注桩与高压旋喷桩相结合的形式来对深基坑进行支护和止水，内侧的钢筋混凝土钻孔灌注桩作为支护结构，用来巩固基坑侧壁，防止其被破坏，外侧的高压旋喷桩隔水帷幕用来阻挡基坑外侧的地下水通过基坑侧壁和基坑底部渗流至基坑内，以防坑外的地下水位下降。

3 悬臂桩施工技术

3.1 悬臂桩施工工艺流程

悬臂桩即为钢筋混凝土钻孔灌注桩，因为旋挖钻机成孔时对环境污染较小，而且施工效率较高，所以，一般较多采用旋挖成孔工艺。旋挖钻机成孔灌注桩的施工工艺流程：聚合物泥浆制备与处理→埋设护筒→旋挖钻机钻进成孔→吊装钢筋笼→下设导管→混凝土灌注→拔出护筒并做孔口防护→导管及护筒冲洗。

3.2 悬臂桩施工要点

旋挖钻机成孔灌注桩在旋挖施工时需要依靠泥浆护壁，为此要提前集中制备好聚合物泥浆，这样既便于控制护壁泥浆的性能指标，也便于集中净化处理、回收重复使用。在配制聚合物泥浆时需要注意的是，应该将聚合物泥浆材料均匀地添加在喷射的水流上，并且保持泥浆循环状态直至聚合物泥浆材料充分水化分散，同时，也应通过供气系统向泥浆池底部注入一定压力的气体，使泥浆保持搅动状态，以此来确保聚合物泥浆混合均匀。一般泥浆中的聚合物泥浆材料添加量为0.6～0.8 kg/m3。为了在旋挖钻进时控制好桩位并且防止地面石块掉入孔内，应该在旋挖钻孔之前埋设好护筒。埋设护筒前需要注意的是，应该提前根据桩位钉上四角控制桩，并且要由现场技术人员对四角控制桩进行复核之后才可以进行后续施工，以此来保证护筒埋设精度，确保桩位准确。护筒的埋设偏差应控制在50 mm 之内，而且护筒外围要用黏土捣实。

钻机就位场地必须平整、稳固，防止钻孔过程中沉陷，旋挖钻孔时要确保钻机的垂直度偏差不大于1%。需要特别注意的是，钻孔距设计深度0.5 m 时应该停止钻进，保持孔内聚合物泥浆稳定1 h，待泥浆内砂土沉淀到孔底之后，再用封闭密实的挖砂钻头将其挖出孔外，并且钻进至设计深度。如果孔底沉渣厚度不能满足要求时也要及时用筒式捞砂钻头清孔。为了保证钢筋笼在起吊过程中不变形，钢筋笼的起吊方式应该采用3 点起吊。钢筋笼在吊装入孔时的下放速度要慢，从而减少钢筋笼对孔壁的剐蹭，而且要使钢筋笼中心线与桩中心尽量重合，钢筋笼安放时的横向偏差应不大于20 mm，竖向偏差应不大于50 mm。

为了保证导管的密封性能，导管的连接方式应该优先采用双密封圈丝扣连接方式。要根据混凝土灌注前的实际孔深合理确定导管下设的总长度，确保导管下端距离孔底30～50 cm。用于钻孔灌注桩的混凝土必须要有良好的扩散性和流动性，新拌混凝土1 h 的坍落度损失应不大于3 cm，初凝时间应不小于8 h。在灌注混凝土时，应该严格控制导管在混凝土中的埋入深度为2.0～6.0 m，并且要提前安排好人力物力，确保混凝土连续浇筑，尽量让每根灌注桩的混凝土在1 h 之内浇筑完成。混凝土灌注完成之后，要缓慢匀速拔出导管，以免拔速过快造成桩顶“空心”的质量问题。混凝土灌注完成之后即可拔出护筒，但为了保证人员和机械设备安全，应该及时采用盖板和围挡相结合的方式设置孔口防护装置。灌注完成之后的导管和护筒要及时用清水进行冲洗，导管要重点清洗掉内壁以及接头部位的混凝土，护筒除了要及时清除内壁上的混凝土，还要清洗掉外壁的黏土。

4 隔水帷幕施工技术

4.1 隔水帷幕施工工艺流程

隔水帷幕就是利用高压旋喷桩对基坑周边进行全封闭隔水止水处理，高压旋喷桩一般采用二重管法施工，采用纯水泥浆液进行复搅二次成桩，第一次下沉到设计标高之后提升喷浆至桩顶，再一次重复搅拌下沉，并且重复搅拌提升喷浆，从而形成柱状加固体。高压旋喷桩隔水帷幕的施工工艺流程：布孔放样钻机就位→钻孔→下喷射管→高压喷射注浆→机械清洗。

4.2 隔水帷幕施工要点

根据设计图纸放出桩位点并用白灰点和钢筋做好桩位标记，编好孔号。钻机移动到预定桩位之后要使钻头尖对准桩位标记点，并且通过水准尺校平使钻机的底盘保持水平。钻机就位之后要确保机身平稳牢固，控制导向架垂直度偏差不大于1%，从而使成桩后的桩位偏差不大于50 mm。钻孔过程中要保持中速钻进，并及时关注地层变化情况，如遇到较硬土层时，应该减速慢钻，避免卡钻。钻杆在旋转和提升的过程中应保持连续进行，避免断桩。

在下高压喷射管之前应该对其进行检查，确保管路畅通、密封圈完好无损、丝口连接紧密，从而保证浆液能够按照要求进入喷射。在下高压喷射管的过程中，也应该采取措施，防止管外泥砂或者管内水泥浆小块堵塞喷嘴。在下高压喷射管至距离孔底0.5 m 时，应该同时启动泥浆泵送浆并将喷射管旋转下放至孔底，下管到底后再启动空压机和高压泵，待各项参数正常之后就可以喷浆提升[4]。高压喷射注浆由下而上连续进行，喷浆应连续作业以保证成桩质量。在桩底部1.0 m 长度范围内应该适当增加喷浆管的旋喷时间，以保证桩底端质量。喷浆时应该注意检查浆液初凝时间、注浆流量、注浆压力、旋转速度和提升速度是否符合要求，一般情况下，注浆管的旋转速度为20 r/min，提升速度为20 cm/min，在注浆管旋转提升的过程中也可以根据不同的土层情况适当调整旋喷参数。注浆施工时应加强对返浆情况观察，出现异常情况应查明原因并采取措施加以处理，发现孔口不返浆时，应立即停止提升并原位浇注，待回浆正常后才能恢复正常施工。喷浆结束后，应立即清洗高压泵、输浆管路、注浆管及喷头等机具设备，然后将机具设备移至下一桩位，重复相应的施工工序。高压旋喷桩施工时应该分序隔孔施工，相邻桩之间的咬合应该符合设计要求。

5 工程应用实例

5.1 工程概况

国防道给排水工程（竹安路—站前路）地道桥雨水提升泵站工程位于唐山市路北区国防道地道桥引道和铁西路交叉口的西北角，在国防道地道桥引道最低点设有雨水收集系统，路面雨水经雨水口收集后排至该地道桥雨水提升泵站。泵房形式为半地下式，地下池体结构采用钢筋混凝土结构，泵井为圆形结构，直径18.4 m，井壁厚度1.2 m，肥槽宽度为1.0 m，泵站基础埋深为14 m。本工程中心东侧距既有铁路线路基边坡105 m，南侧、西侧均无既有建筑物，北侧距唐山火车站近300 m，对既有建筑的沉降基本没有太大影响。

5.2 地质情况

该泵站工程场区地貌单元为古滦河中～晚期冲积平原。所处地质构造为中朝准地台上的燕山地台褶皱带东段南缘与华北断坳交界地带，其四周被深大断裂所围限，基底构造复杂。勘察揭露表明，泵站工程场地土勘察深度范围内主要由杂填土、素填土、粉质黏土、粉砂、黏土、细砂等组成，各层土的分布情况及物理力学指标如表1 所示。场地土除第①层杂填土、第②层素填土外，均可作为天然地基土使用，其中，第③层粉质黏土的承载力特征值为140 kPa，第④层粉砂的承载力特征值为240 kPa，第⑤层黏土的承载力特征值为165 kPa，第⑥层细砂的承载力特征值为260 kPa。该泵站工程基础埋深为14.0 m，基础坐落于第④层中密～密实粉砂层，其承载力特征值满足地基基础设计要求，可以采用天然地基。

表1 基坑土层分布情况及物理力学指标

场地勘察期间揭露一层地下水，埋深9.7～10.0 m，绝对高程在10.31～10.85 m，为地下潜水，地下水位随季节上下变化幅度为1.0 m。通过勘察表明，第④层粉砂的渗透系数为6 m/d，第⑤层黏土的渗透系数为0.02 m/d，第⑥层细砂的渗透系数为7 m/d。

5.3 基坑支护止水

通过对地质资料的分析，并结合现场的场地情况，由于场地周围有一定的放坡空间并且基坑较深，因此，为了确保泵站基坑的稳定和安全，减轻基坑开挖对周围铁轨线路、市政道路和地下管线的影响，保证按期完工并节约投资，对该雨水提升泵站的基坑支护止水工程采用放坡土钉墙支护+隔水帷幕+悬臂桩+止水塞的组合支护形式。基坑开挖深度为14.0 m，基坑开挖直径为50.4 m，基坑支护止水平面布置图、剖面布置图分别如图1、图2 所示。

图1 基坑支护止水平面布置图

图2 基坑支护止水剖面布置图

其中，土钉墙支护的最外侧是宽度3.5 m、坡度1∶1 的放坡土钉墙支护，按照水平距离和竖直距离1 500 mm 梅花状布置插筋，坡面挂钢板网喷射厚80 mm 的C20 混凝土；往内是宽度2.0 m 的平台，平台面挂钢板网喷射厚80 mm 的C20 混凝土；再往内是宽度3.5 m、坡度1∶1 的放坡土钉墙支护，也是按照水平距离和竖直距离1 500 mm 梅花状布置插筋，坡面挂钢板网喷射厚80 mm 的C20 混凝土；土钉墙支护的最内侧是宽度5.0 m 的平台，平台面挂钢板网喷射厚80 mm 的C20 混凝土。这样通过喷射C20 混凝土对基坑开挖边坡进行护面就能保护开挖边坡不受雨水冲刷。

在土钉墙支护全部施工完成，基坑开挖到绝对高程12.5 m之后，即可采用钻孔灌注桩工艺施工悬臂桩。为了减少悬臂桩桩顶的水平位移，保证基坑安全，在悬臂桩桩顶应设置冠梁。悬臂桩桩径为1 000 mm，桩间距1.2 m，包含桩顶冠梁在内的桩长为20.5 m，按照环形布置共58 根，悬臂桩桩体材料采用C30 细石混凝土，悬臂桩桩顶的环形冠梁尺寸为1 200 mm×1 200 mm，冠梁混凝土的材料也采用C30 细石混凝土。

在悬臂桩混凝土达到设计强度的75%后，才可施工悬臂桩外侧的高压旋喷桩隔水帷幕。悬臂桩外侧的隔水帷幕选用双排高压旋喷桩，桩径为800 mm，高压旋喷桩之间互相搭接250 mm，与悬臂桩咬合250 mm，高压旋喷桩桩长15.0 m，且桩端进入第⑤层黏土层不小于2.0 m，使桩端完全进入不透水层，共布置266 根。最后，要在悬臂桩内侧即基坑底部满堂布置隔水帷幕，起到止水塞的作用。悬臂桩内侧的隔水帷幕也选用高压旋喷桩，桩径为800 mm，高压旋喷桩之间搭接长为250 mm，桩长6.5 m，基坑开挖深度范围内要空打7.0 m，且桩端进入第⑤层黏土层不小于2.0 m，使止水塞的桩端也完全进入不透水层，共布置1 059 根。高压旋喷桩的注浆材料选用42.5 级普通硅酸盐水泥净浆，水泥浆液水灰比取0.9～1.1，水泥掺入量宜取土的天然重度的25%～40%。当土层中地下水流速高时，宜掺入外加剂改善水泥浆液的稳定性与固结性。

泵站基坑支护止水施工完成之后，经过监测显示，基坑坡顶和支护桩顶的水平位移、竖向位移均符合要求，地下水位没有出现变化，基坑底部没有出现隆起，证明钢筋混凝土钻孔灌注桩与高压旋喷桩相结合的深基坑支护止水方式安全可靠。