高压旋喷桩在基坑防护中的应用研究

李 帆，邱学山，潘逸卉，孙 丹

(1.河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210024；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

0 引言

在基坑工程中最常见的基坑防护结构主要有：土钉墙支护、水泥土重力式围护墙、钢板桩支护、灌注排桩支护、地下连续墙等。高压旋喷桩在基坑工程中也仅常见于与上述基坑支护结构的配合使用。高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体，具有成本低、固结体强度高、可靠性高、施工速度快、施工噪声低等优点。高压旋喷桩广泛应用于地基加固处理、基坑止水帷幕、边坡挡土墙或挡水、基坑底部加固、水库大坝及堤防防渗、构筑物地下截渗等。

1 工程概况

1.1 工程位置

泰兴市位于江苏省中部、长江下游北岸，东接如皋，西濒长江，南界靖江，北临姜堰，东北与海安接壤，西北与泰州毗连，属泰州行政辖区；东西最大直线距离为44.55 km，南北最大直线距离为43.5 km。泰兴市属长江三角洲冲积平原，总面积1 175.59 km2，水域230.3 km2(含江域面积42.88 km2，占18.6%)。泰兴市境内具有丰富的物产资源和矿产资源，是江苏省重要的粮食和油料产区；素有“银杏之乡”“建筑之乡”“教育之乡”之称，多次被评为“中国明星县(市)”“中国综合竞争力百强(市)”。

1.2 工程任务

本工程的主要任务为：通过三阳中沟闸站的实施，进一步完善泰兴市城市防洪体系，使河道引、排水出路通畅，满足周边农田的引水灌溉及防洪、排涝要求,保护沿岸村庄、工厂企业及农田，改善水涵养、水环境，营造环境优美的水生态人文景观。

1.3 工程规模

根据《泰兴市城市水环境治理规划(2012—2020)》，本工程实施后，与其他防洪排涝工程配套，使得泰兴市主城区的防洪能力达到50年一遇标准，排涝能力达到20年一遇标准；本工程等别为Ⅳ等，主要水工建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。

泰兴市三阳中沟闸站位于三阳中沟与如泰运河的交汇口处，主要用于城区汛期的防洪、排涝和非汛期内河的换水、补水，设计总抽排流量为6.0 m3/s，配备两台潜水轴流泵。现状三阳中沟河道两侧驳岸均为浆砌石结构，站址东侧为规划济川药厂用地，西侧为济川药厂厂区；紧邻现状西侧驳岸后布置有药厂生产管线，药厂进出道路布置在现状坡顶。施工过程中须对药厂管线、道路及厂房进行保护，确保企业生产正常。

2 地质条件

根据工程地质勘查报告：拟建场地地震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05 g。

经勘察查明，在本次勘察深度范围(控制性孔65 m)内的地基土属Q4的沉积层，主要由表土、粉砂夹粉土及粉质黏土等组成，各土层间的强度、压缩变形差异性较大。根据沉积时代、成因类型及其土性可划分3个工程地质层。拟建场地内各层地基土组成、物理性质、工程性能评述及分布情况如下。

(1)表土：土质不均，结构松散，上部以厚0.3～4.6 m的杂填土为主，杂色，夹碎砖、砼块类建筑垃圾；下部为素填土，灰褐色～灰黄色，以粉土、粉质黏土为主，局部地段为淤泥质土，夹植物根茎。该层土堆积年限大于5 年，工程地质性质差。场区内该层土普遍分布。

(2)粉砂夹粉土：灰黄色～浅灰色，饱和，中密为主，局部稍密，主要矿物成分为石英、长石、云母等，浑圆状，磨圆性好，颗粒级配不良，具水平微层理。该层土局部夹少许厚度小于0.8 m的粉土、细砂及粉质黏土，粉砂与粉土、细砂及粉质黏土的厚度比例约为10∶3∶2∶1。工程地质性质较好。场区内该层土局部缺失。

(3)粉质黏土：灰色，软塑～可塑，含云母、贝壳碎屑、大量有机质及腐殖物。局部夹厚度小于0.9 m的粉土及粉砂，粉质黏土与粉土及粉砂的厚度比例约10∶2∶1。无摇震反应，稍有光泽，中等强度，中等韧性，工程地质性质较差。场区内该层土局部缺失。

各工程地质层物理力学指标如表1所示。

表1 各工程地质层物理力学指标

3 基坑防护方案

3.1 方案比选

3.1.1 设计方案

本工程站址土层分布主要以粉砂夹粉土为主，土体透水性强，施工过程中基坑须采取管井或轻型井点降水措施。考虑到施工降水影响范围较大，且现状河道西侧药厂厂房距离河道最近仅15 m，因此，须对基坑西侧进行支护的同时增设防渗帷幕，确保施工降水过程中药厂管线、道路及厂房安全。

采取常规的水泥土重力式围护墙、灌注排桩支护、地下连续墙等支护方案，虽能起到基坑支护及防渗的效果，但工程费用较高。考虑到本工程投资限制，经综合比选，本次设计采用高压旋喷桩对现状堤脚土体进行加固，并形成一道连续的防渗帷幕，以满足本工程基坑防护的要求。基坑防护设计，如图1和图2所示。

图1 基坑防护横断面布置(单位：mm)

图2 高压旋喷桩平面布置(单位：mm)

3.1.2 主要设计参数

(1)施工工艺：三管法施工。

(2)浆液：纯水泥浆液(浆液密度1.4～1.5 g/cm3)，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，可掺入适量外加剂[1]。

(3)旋喷固结体呈圆柱状，直径≥1.0 m，旋喷桩之间最小搭接长度不小于20 cm。

(4)布孔形式：布孔形式为两排、梅花形，桩距为80 cm，排距为80 cm，最终成墙厚度不小于1.40 m。

(5)压力参数：高压水泥浆的压力>30 MPa，流量>70 L/min，提升速度0.1～0.2 m/min[1]。

(6)水灰比：暂定0.8(宜为0.8～1.2)。

(7)桩底高程：-15.0 m。

(8)成桩质量：现场取芯28天龄期无侧限抗压强度不小于4 000 kPa，抗剪强度不小于400 kPa，渗透系数不大于1×10-5cm/s[2]。

3.2 结构计算

3.2.1 计算原理

本次基坑结构计算同岸坡稳定计算，分别对加固墙后岸坡稳定进行分析，计算方法采用瑞典圆弧法[3]计算，主要计算公式如下：

K=

式中：W为土条重量；Q，V分别为水平和垂直地震惯性力；u为作用于土条底面的孔隙力；α为条块重力线与通过此条块底面中心的半径之间的夹角；b为土条宽度；c′，φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩；R为圆弧半径。

3.2.2 计算参数

岸坡稳定计算工况及岩土参数，如表2和3所示。

表2 岸坡稳定计算工况

表3 计算岩土参数

3.2.3 计算结果

本工程利用高压旋喷桩对基坑加固，根据设计每延米旋喷桩成墙厚度不小于1.5 m，桩体抗剪强度按设计要求取400 kPa，则桩体提供的抗滑力为1.5(每延米截面积)×400(桩体抗剪强度)=600 kN。基坑加固前后的岸坡稳定抗滑结果如表4所示。

表4 边坡稳定计算成果

根据表4的计算结果，采用高压旋喷桩加固后的岸坡整体稳定性有显著的提高，加固后岸坡稳定性能满足设计要求。

3.3 施工注意事项

(1)施工前应进行水泥加固土的室内试验，根据被加固土的性质及设计桩身强度要求，确定每延米水泥用量。

(2)每段作业点施工前必须先打工艺试验桩，以检验机具性能及施工工艺中的各项技术参数，其中包括浆液配比、旋喷参数、钻进和提升速度等。

(3)设备就位后必须平整，确保施工过程不发生倾斜和移动，确保机架和钻杆的垂直度[1]。

(4)制备好的水泥浆不得有离析现象，若停置时间过长，不得使用。

(5)施工过程中应严格按照施工参数和材料用量施工，用浆量和提升速度应采用自动记录装置做好施工各项记录。

(6)高压泵离喷射注浆孔不宜过远，以防高压软管过长，沿程损失增大，造成实际喷射压力过低[2]。

(7)钻孔过程中出现短暂停止或终孔待喷时，孔口应加以保护，若时间过长应采取措施防止塌孔。

(8)高喷灌浆自下而上连续作业，若因故中断后恢复施工时，应对中断孔段进行复喷。

4 结语

(1)高压旋喷桩在基坑支护中大多作为辅助防渗措施，作为主体支护结构情况较少。在设计过程中应根据本工程土层情况选择合适的桩径及设计参数，对于作为主体支护结构桩的排数应通过边坡稳定软件反复试算最终确定。

(2)旋喷桩能否达到设计要求，室内配合比试验、现场试桩及施工过程中各参数的控制都是至关重要的。

(3)高压旋喷桩施工完成后须对桩身的均匀性、成桩的直径、桩身不同部位的强度及防渗效果等进行质量检测。

(4)对于部分重要基坑，失事后存在严重后果的，设计人员须采用旋喷桩内增插型钢的方案，以增加基坑支护结构的可靠性。