三重管高压旋喷桩止水帷幕在深基坑中的应用

田昊丰 陈嘉威

0 引言

高压旋喷注浆技术由日本在1960 年发明，相继发展出单重管、双重管和三重管法高压旋喷技术。其中，三重管法是在高压水、较高压的水泥浆液与压缩空气共同作用下，使水泥浆液与残留的原土体搅拌混合形成的具有一定强度的水泥土柱。通过与护坡桩的紧密搭接，形成一段连续的止水“墙”，隔断基坑外地下水涌入坑内，从而减小外部地下水对坑内水头的影响，保证施工的安全性与可行性。基于此，本文以粘性土层为研究对象，采用三重管高压旋喷桩止水帷幕在某深基坑中进行应用，并对研究结果进行了讨论。

1 三重管高压旋喷桩止水帷幕在深基坑中应用的技术要点

1.1 定位测量

三管高压旋转喷桩止水帷幕以测量桩位和参考点轴的相关数据为基础，在钻孔内喷洒泥浆，通过浆液与土体的混合整体实现切割和加固。在桩位和参考点轴的测量过程中，首先施工现场周边设施的点、方向线是需要重要控制的地方，要进行永久控制。然后在施工图的基础上结合以上控制点建立测控网。测控网的建立要求是距离施工现场要有一定的安全距离，确保不会受到施工过程的影响。测控网建设完成后，需要对每个桩点的具体位置进行确定，通常使用的仪器是平口仪和水平仪。

1.2 钻孔施工

完成测线和放置工作后，可以根据确定的孔位直接开始钻孔，施工时必须将钻机缓慢移动到确定的施工位置。需要专门的人员来执行此操作，以确保准确性、钻机的停放位置和移动顺序。钻机停放后，使用水平仪等专业工具校准停放位置和角度等，确保桩位正确，钻杆与地面垂直。钻机安装好后，必须使用工程钻机的导向孔，每个工程对导向孔的直径和最终孔深都有明确的要求，必须严格按照设计要求进行施工。最终孔深必须低于设计深度的500 mm。还有，在钻导孔时，要注意钻孔时尽量用清水，例如在钻孔过程中，应用清水打孔，而且制浆的主要原料是优质膨润土。钻孔应始终保持垂直，垂直偏差应控制在规定范围内，这样才能有效避免塌孔现象的发生。

1.3 制备水泥浆液

高压旋喷桩施工中，爆破浆的水泥材料通常为普通硅酸盐水泥，具体的系列和性能要求应根据实际施工条件确定，在施工过程中，必须保证设计的灌浆水灰比。在制备水泥浆液时应对水泥、石灰等材料进行控制，具体水灰比还要根据矿山实际建设情况确定。一次性加入足量的水、水泥等材料后，直接用高速搅拌机搅拌即可，整个制浆过程必须保持连续。其中总的搅拌时间一般在5min 左右，搅拌时间一般在1min 以上。在制浆过程中，在混浆台上应该有专人负责混浆操作，因为此工作具有较强的技术性，需要对整个工作流程熟悉，同时能够规范化地操作每个步骤，负责人还需要对给浆机的浓度、密度、温度、时间等进行检测并记录。

1.4 高压旋喷灌浆施工

高压旋喷施工前（平面图如图1 所示），施工单位必须进行地面试验，确保钻孔符合要求，钻机就位并与钻孔对齐，以确保高压系统的完整性。确保一切准备工作无误后，可将喷嘴放入钻孔中，当喷嘴尖端达到规定深度时，即可搅拌水泥浆，可进浆、进气、进水。当压力参数和流量参数满足要求，孔口回浆时，可按预定提升速度进行喷射注浆，施工时高喷射注浆必须保持全孔连续作业，注浆长度应调整到0.3m 左右，否则因拆除注水管而造成长时间停顿，可能会出现施工问题。此外，在高喷射注浆过程中，经常出现压力骤降、急速增加、孔口反注浆集中、反注异常或无反注浆等情况。装卸注射管时，需要将注射管密封好，提高装卸速度，避免出现喷嘴等问题。

图1 高压旋喷桩施工平面图

1.5 钻机移位施工

喷洒完毕后，施工人员应立即清空钻杆，并用清水清洗泥浆泵、钻杆和泥浆管。确保设备干净后，即可移动设备完成桩基施工。

2 工程概况及地质、水文情况

2.1 工程概况

北京市延庆区某基坑工程，基坑占地面积24 000m，基坑深9.75m，项目北侧邻近知荣路，其余三侧均为规划道路。设计采用桩锚支护形式，结合三重管高压旋喷桩形成止水帷幕。本工程基坑重要性安全等级为二级。

2.2 工程地质及水文情况

根据本工程勘察报告，影响本工程施工的地层由上至下如下表1 所示。

表1 影响工程施工的地层

第一层地下水类型为潜水，稳定水位埋深为6.80～9.00m，第二层地下水类型为承压水，水头距地面的距离为12.00～12.80m。

2.3 设计方案

为保证基坑内干作业环境，设计确定了护坡桩桩间采用三重管高压旋喷桩止水帷幕。要求旋喷桩与护坡桩咬合紧密，且旋喷桩桩体整体性完好。其中，护坡桩直径为0.8m，桩间距1.4m，桩长14.75m；高压旋喷桩桩径1m，桩长5.25m，桩底进入坑底1.5m，与护坡桩咬合0.2m。高压旋喷桩水泥浆液的水灰比为0.9～1.1，水泥标号P.S.A32.5，水泥掺量不小于土的天然质量的25%，孔位偏差小于50mm，垂直度偏差小于1/200。

3 三重管高压旋喷桩施工技术方案

3.1 工艺原理

地下连续墙接缝外侧止水帷幕采用三重双高压旋喷桩，高压水泥浆流分别通过喷射器的上下喷嘴喷射。上部的高压水射流首先切割和粉碎土壤，然后水泥浆通过钻杆底部的喷嘴，水平高速喷射到周围区域，起到提高破坏能力的作用。钻杆在匀速旋转的同时，以低速缓慢提升，以提高其破坏土体的能力。土体与水泥浆充分混合后胶结硬化后，在基础上形成直径比较均匀、强度恒定的桩体，具有较好的加固和防水效果。

3.2 工艺流程

三重管法旋喷工艺技术是将高压水、水泥浆与压缩空气搅拌混合喷射的方法，其工艺流程如下：测量放线、旋喷钻机就位、开孔检查、钻进成孔、启动泵送压缩空气、高压水及水泥浆液、提钻喷射注浆、逐步拆卸钻杆并清洗、移至下一孔位、回灌。

3.3 工艺技术

3.3.1 场地平整

正式进场施工前，进行管线调查后，清除施工场地障碍物，然后整平、夯实；同时合理布置施工机械、输送管路和电力线路位置，确保施工场地“三通一平”。

3.3.2 桩位放样

施工前用全站仪测定旋喷桩施工的控制点，保证桩孔中心位移偏差小于2cm。

3.3.3 修建泥浆拌制及处理系统

旋喷桩施工过程中将会产生10～20%的反浆量，将废浆液引入沉淀池中，沉淀后的清水根据场地条件可进行无公害排放。沉淀的泥土则在开挖基坑时一并运走。沉淀和排污统一纳入全厂污水处理系统。

3.3.4 钻机就位，引孔钻进

引孔钻机就位后，对钻机进行调平、对中，调整桩基的垂直度，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0.3%；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，并用红油漆在钻塔旁标注深浅线，保证孔底标高满足设计深度。钻孔过程中要详细记录钻杆节数、保证钻孔深度的准确。

3.3.5 旋喷机就位

将高压旋喷机移至已钻好的孔位处，并校正旋喷机的垂直度，检查高压设备和管路系统，确保水压≥38MPa，空气压力≥0.4MPa，注浆压力≥0.8MPa，喷嘴内不得有任何杂物，注浆管接头密封圈良好。

3.3.6 旋喷提升

将三重管钻具下放到孔底后，依次开动压风机、泥浆泵、高压水泵，旋喷机开始旋转，在各泵压力达到规定值并在孔口反出水泥浆后，开始提升钻具，提升速度控制在10～15cm/min，并确保注浆泵流量不小于75L/min。水灰比为0.9～1.1，水泥标号P.S.A32.5，水泥掺量不小于土的天然质量的25%。

3.3.7 钻机移位

旋喷提升到设计标高以上1.0～1.5m 时停止旋喷，提升钻头出孔口，清洗注浆泵、输送管道及钻杆，然后将钻机移位。

3.4 工艺要点

（1）水泥浆随配随用，制备好的浆液不得离析，泵送必须连续。

（2）当水泥浆液到达出浆口后，应喷浆搅拌30s，在水泥浆与桩端土充分搅拌后，再开始提升搅拌头。

（3）钻机预搅下沉时不宜冲水，当遇到硬土层下沉太慢时，方可适量冲水，但应考虑冲水对桩身强度的影响。

（4）施工时如因故停浆，应将钻头下沉至停浆点以下0.5m处，待恢复供浆时再喷浆喷射提升。若停机超过3h，宜先拆卸输浆管路，并妥加清洗。

（5）正式喷浆后应连续作业，在桩底部0.5～1m 范围内适当降低钻杆提升速度，增加钻杆旋喷时间。在柱顶部提升钻杆喷浆至设计顶标高1.0～1.5m，以防止桩顶泥浆回落，达不到设计桩顶标高。

（6）旋喷桩采用隔一打一，防止相邻桩体冒浆或浆体泄露。冒浆或浆体泄露容易导致桩体凹穴、串孔等现象，严重影响止水效果，可采用多次回灌浆液至不再下沉。

4 三重管高压旋喷桩施工质控措施

4.1 质保措施

（1）施工中钻头提升过快、旋射压力过小是常见的问题，因此需要对注浆压力和提升速度进行严格控制。制作试验桩是双高压旋喷桩施工前应该做的，做完试验桩的28 天后，对试验桩芯材进行取样测量，测量结果满足1.5MPa 的设计值才能继续进行施工。桩位的定位和设置对施工的影响很大，因此必须设置专业人员负责，同时为保证施工中孔位的准确，应在施工前对空位进行多次重复测量，且误差不得超过50mm。过程控制是保证双高压旋喷桩施工质量的重要措施，双高压旋喷桩设计给出的水灰比是经过专家审核的最符合施工的参数，必须按照设计值严格执行，对喷射混凝土、搅拌提升速度、下沉等进行严格控制。在反复搅拌的过程中，提升速度、旋转射流压力等技术参数直接影响搅拌效果，因此需要设置专业负责人员对关键参数进行抽检，保证每孔均有记录。

（2）安装钻机时，钻机的平面度和活动钻杆的垂直度是影响施工质量的最关键因素。在钻井过程中，活动钻杆的垂直度需要定期检查，不能出现“一劳永逸”的情况。在检查中发现偏差时要立即进行纠正，修正垂直度通常利用深部地质钻机，加强对钻机进行旋喷的垂直控制，保证桩身的正确定位，增加防水效果。钻机在工程期间需要对钻头、钻杆和钻杆接头等重要部件进行定期检查，发现问题及时修理或更换，避免由于设备问题造成施工质量出现问题。钻机在软硬土层交界处时应以低速、低钻压进行工作。钻孔时，技术人员必须记录钻孔深度，同时保证注浆管的深度与钻孔深度具有较高的匹配度。

（3）交叉注浆和反注浆处理措施。如果地层孔隙过大无法反注浆，则增加注浆量，降低提升和旋转速度，增加注浆压力，更换大口径喷嘴。若反注量过大，可减少注浆量，提高升程和转速以减少反浆量，并调整注浆压力和注浆量，更换小口径喷嘴。

4.2 桩体质检

桩径检测旋喷桩成型成桩后第7 天进行桩径检测，检测时桩体在距桩顶约1m 处剥落，桩身直径应大于设计值。桩身完整性测试是在形成旋转喷射桩后经过28 d 或更长时间后进行，并收集桩芯进行测试。桩身抗渗试验旋喷桩模制成桩28d 后，即可进行桩身抗渗试验，可采用穿孔水压法进行试验。

5 高压旋喷桩施工效果

（1）基坑开挖后，在设计成桩区域内完整性、稳定性良好，质地均匀、密实；个别旋喷桩在设计成桩范围以上局部区域出现空洞、泥皮现象，经与施工记录核查，该旋喷桩区域冒浆后未用水泥浆进行回灌。

（2）旋喷桩施工完成28d 后进行三组钻芯取样，检测抗压强度，结果表明芯样搅拌均匀，试块无侧限抗压强度值为1.42～1.68MPa，满足设计要求。

（3）基坑开挖前，利用疏干井先对坑内地下水进行降排，使基坑内水位稳定在坑底以下0.5～1.0m，开挖至基底后，坑底无积水与突涌现象，基坑侧壁无明显渗漏水，止水效果明显。

6 结论

该基坑支护工程采用三重管高压旋喷桩与护坡桩结合形式，经基坑开挖后结果与试验表明，该基坑止水帷幕设计及施工方案可行，旋喷桩及护坡桩搭接完好，旋喷桩设计范围内整体性与密实度良好，桩体强度满足设计要求，达到止水效果。通过该深基坑高压旋喷桩止水帷幕施工实践，总结出如下经验：

（1）高压旋喷桩止水帷幕施工效果取决于科学合理的设计及施工方案，施工过程中应严格按照各工艺参数及要求进行，当出现冒浆、穿孔等特殊情况时，必须进行水泥浆回灌，防止出现空洞及其他质量问题。

（2）旋喷桩施工具有施工速度可控、工期短、噪音低、作业人员少等优点，但作业时反浆、冒浆现象较严重，须严格把控注浆各压力参数，可配备泥浆收集、污水处理装置，避免污染周边环境，确保绿色文明施工。

（3）在粉质黏土、重粉质黏土等地层中，三重管高压旋喷桩能够起到土体加固和止水的作用，通过与护坡桩咬合，形成止水帷幕，且具有一定的完整性、稳定性及强度。