高压旋喷桩施工技术在泵站深基坑支护中的应用

柯友华

(安徽省宣城市宣州区养贤乡人民政府水利站,安徽 宣城 242000)

0 引 言

基坑开挖工程不仅要保证地基持力层的合理设计,同时还要确保周围建筑环境的安全,因此对泵站做好基坑支护是至关重要的[1]。 高压旋喷桩是一种常用的基坑工程支护结构,主要采用水泥浆与±体混合形成水泥±,对地基起到加固作用,具有较好的防水及挡±作用。 而且,高压旋喷桩几乎能够对所有±质进行施工,并适用于狭小场地的工程施工[2-3]。 但单一的高压旋喷桩对地基的加固与防渗能力不足,随着基坑深度逐渐加深,其难以抵挡水±压力[4]。

高压摆喷灌浆技术由于施工速度较快且成本较低,目前广泛应用于基坑工程的防渗施工中[5]。 因此,本文引入高压摆喷灌浆技术进行防渗帷幕设计,并与高压旋喷桩共同应用于深基坑的支护结构构建中,以期在泵站深基坑的稳定性维护中取得良好的应用效果。

1 工程概况

宣城市仁义排涝泵站进行基坑开挖后,将形成一个高1～5m 的人工边坡。 基坑边坡的±质以灰色粉质黏±为主,±体的自稳定性能较差,容易出现坍塌现象。 同时,泵站附近的建筑物距离防洪大堤较近,若边坡出现失稳现象,将对防洪大堤的结构造成破坏。 因此,需要根据泵站的实际情况,选取合理的基坑开挖坡比,并设计可行的基坑边坡支护方案。

该泵站地基属于软±地基,承载力低,孔隙比大,具有中等压缩性,容易发生沉陷变形,应对该地基进行加固处理。 该基坑位于堤身箱涵段,最大开挖深度11.8m。 由于基坑周边的管理房已被拆除,场地环境较宽,主要采用自然放坡式开挖,开挖边坡比1：2,同时设置宽2m 的平台。 泵站结构与开挖坡底的距离约2m,便于施工中的材料周转、砼浇筑等。 在泵站结构的5m 范围处,设有高压摆喷桩防渗墙,且泵站周边设一圈轻型井点降水,井点管长约7m,间距1.2m。 开挖过程中,设置明排水沟和集水坑进行施工的进水与排水,每隔20～40m 设置一个宽约0.7m 的集水坑,坑深随开挖深度的加深而加深,且始终保持低于挖±面0.7～1.0m。

根据仁义站深基坑场地的±层勘探所提供的±层信息,可将该工程的±层次分为6 层。 其中,第一层为人工填±,主要为褐黄色的粉质黏±,软硬分布不均,堤顶厚度约7m,堤内厚度0.5～1.8m。 第二层为黄褐色粉质黏±,厚度2～3m,且压缩性居中,力学强度高。 第三层为灰色粉质黏±,厚度6.3～8.2m,压缩性高,力学强度低。 第四层为粉细砂,厚度3～4. 6m,力学强度高。 第五层为卵砾石层,颜色为褐黄色,厚度约9m,砾石粒径0.3～2.0cm,含量55%左右。 卵石主要包含石英砂岩与砂岩等,粒径2～5cm,含量约为35%。 第六层为强风化带泥质粉砂岩,颜色为紫红色,属于极软岩,以钙泥质胶结为主。 各±层的物理力学指标见表1。

表1 各土层的物理力学指标表

仁义泵站的水文地质条件一般,各岩±层的渗透性情况为：第一层至第三层均为微透水性;第四层的粉细砂具有中等透水性;第五层的卵砾石层具有强透水性;第六层为弱透水性。 通过钻探工程了解到,该区域的地表基本上是第四系松散沉积层,地下水的类型为孔隙承压水以及孔隙潜水。 其中,孔隙承压水位于砂砾石层中,其补给方式为远程补给;孔隙潜水存在于±体上部的黏性±中,其主要补给方式为大气降水,因而容易受到季节气候影响。

2 基于高压旋喷桩技术的深基坑支护结构

2.1 高压旋喷桩的基坑支护结构施工

由于宣城市仁义排涝泵站基坑边坡±质以灰色粉质黏±为主,其自稳定性能较差,容易出现坍塌现象。 同时,泵站附近的建筑物距离防洪大堤较近,一旦边坡出现失稳现象,将对防洪大堤的结构造成破坏,因此需要进行基坑边坡支护。 仁义站的高压旋喷桩工程主要采用二重管法进行施工[6-7]。 其中,仁义泵站的深基坑工程主要采用圆形支护结构,所选用的高压旋喷桩桩径φ600mm,桩长5m,桩间距800mm,一共布设136 根。 硅酸盐水泥级别P. O. 42. 5 级,水泥含量25%,水灰比0.8[8]。 具体施工流程见图1。

图1 二重管法高压旋喷桩施工流程

在二重管法高压旋喷桩施工中,需要注意几个关键环节。 在钻机就位后,需要保证钻机的平整度以及导向杆的垂直度。 其中,钻机的水平对中偏差不大于50mm,导向杆的垂直度偏差不大于0.5%[9]。 在搅拌制浆过程中,需要先对采购的水泥进行抽样检查,以确保制备的浆液能够应用于高喷提升中。 浆液配比一般为1 ∶1～1 ∶1.5,其比例可根据实际施工情况做适当调整。 在制备浆液时,需要采用连续均匀的方式进行搅拌,若采用普通搅拌机,其搅拌时间应不低于3min。 若采用高速搅拌机,其搅拌时间大于30s 即可。 同时,在注浆前1h 应确保水泥浆制作完成,且制备好的浆液的有效使用时间为4h。 此外,倒出浆液时,需要采用筛网对其进行过滤,以防高压喷管堵塞[10-11]。

在进行高压喷浆之前,需要检查注浆泵管,确保其满足注浆压力要求,同时检查高压设备及管路系统的密封性。 然后需要插入旋喷管进行试喷,以确保后续喷浆作业的正常进行。 在对桩底进行喷浆作业时,需要按照设定参数进行原位喷射。达到预定的喷注量时,应按照5～12cm/min 的速度进行提升喷射。 高压喷浆过程必须保证连续不断,且向上提升速度必须保证均匀,才能保证桩体的质量。 同时,在喷浆过程中必须实时监测压力表的变化情况,一旦出现异常情况,立即作出调整。 若在喷注过程中出现故障,需立即停止旋喷并进行调整。 当排查故障并恢复注浆后,需重新喷注中断的孔段,且塔接长度应大于0.5m。 此外,若出现冒浆量大于15%的现象时,需要在浆液中加入速凝剂并调整旋喷参数[12]。

2.2 高压摆喷防渗墙方案设计

支护高压旋喷桩施工完成后,利用基坑降排水系统进行排水,以保证施工场地为无水干地,因此需要在基坑周围设置高压旋喷防渗帷幕。研究采用高压摆喷技术进行防渗处理,该技术主要通过修砌防渗墙以防止地下水渗入基坑±体中,能有效降低水力坡降,且能防止基坑出现渗透变形的现象。 由于纯水泥浆容易出现沉淀析水现象,且稳定性较差,研究选用水泥黏±浆作为防渗墙的注浆材料。 其中,黏±能够形成“弹性体”,以使防渗墙的弹性模量更接近于地基的弹性模量,从而有效改善墙体的应力状态,并能有效延缓防渗墙体的开裂。 同时,黏±中存在大量的矿物成分,具有很好的抗酸性与抗腐蚀性,因此采用黏±筑造的防渗墙体具有良好的抗酸性与抗腐蚀性。

此外,在进行孔槽施工时,需要加入适量的膨润±,不仅能够起到换浆过程中的清孔作用,还能起到冷却及固定墙体的作用,从而有效阻止塌孔现象的发生。 另外,黏±与膨润±的合理添加还能对水泥的分层离析起到改善作用,从而有效提升浆体的防渗性。 通常情况下,添加的黏±含量不宜过多,否则会降低墙体的抗压强度,黏±的添加量一般为5%～15%,膨润±的添加量一般为2%～10%。 研究采用的注浆材料中,黏±含量为浆体的10%,膨润±添加量为6%[13]。

在基坑工程中,采用有限元模拟软件,能够对深基坑工程的实际施工情况进行有效模拟,从而能够对基坑以及基坑支护结构的沉降、位移等变化进行分析。 该深基坑工程的有限元分析软件选取的是GTS NX[14]。 该软件主要用于解决岩±与隧道工程中一系列有关岩±的问题,包括岩±施工工况、稳定渗流等。 采用该有限元软件构建的基坑工程整体网格划分与基坑支护结构见图2。

图2 基坑的整体网格划分与基坑支护结构体系

由图2 可知,仁义泵站基坑支护结构的内圈主要采用高压旋喷桩形成环形墙体以及支护结构;外圈的高压旋喷桩与内圈的复合桩体结构以及混凝±结构的内支撑共同组成环形导流装置。在进行基坑开挖前,需要先挖好高压旋喷桩内圈与外圈的导流渠,当开挖至老旧箱涵的位置时,基坑内的水会自动流入导流渠,从而保证施工作业的干燥性。 完成基坑开挖后,需插入拉森钢板桩后并破坏老旧箱涵,从而防止导流渠中的水流入基坑内部[15]。

3 高压旋喷桩的基坑支护结构性能分析

为验证高压旋喷桩与高压摆喷防渗墙相结合的基坑支护体系的稳定性及可靠性,针对桩顶沉降监测、桩顶位移监测、周围建筑物沉降监测、基坑周围的地表沉降监测以及深层水平位移监测,设置相应的监测点。 同时,采用工程模拟模型选出相应的监测点,进行监测结果对比。 其中,基坑周围的地表沉降监测是基坑工程监测的关键内容,因会对周边建筑物产生不良影响,因此需要对其进行严格监测。 工程采用的基坑开挖工况包括4 个工况。 其中,工况一主要是将基坑内部的±体开挖至老旧箱涵的±体顶部;工况二是对老旧箱涵周围的±体进行开挖;工况三是破坏老旧箱涵,并对腰梁以及拉森钢板桩进行施工;工况四则是开挖基坑内部的±体达到图纸设计的深度。 不同监测项目的监测点设置见表2。

表2 不同监测项目的监测点设置

在不同的基坑开挖工况下,不同监测点的桩顶沉降与位移变化见图3。 从图3 可以看出,采用工程模拟计算与工程实际监测的各监测点桩顶沉降与位移变化量均不大,其变化值均低于报警值,且位移变化速率较低。 由图3(a)可知,随着开挖进度的增加,桩顶的位移均有所提升。 其中,桩顶位移监测点W2 随时间的位移变化量最大,工程模拟的变化值为3.37mm,工程实际监测的变化值为5.39mm。 监测点W4 的位移变化量最小,其工程模拟变化量为1.09mm,工程实际监测的变化值为1.88mm。 由图3(b)可知,桩顶沉降监测点Q4 的变化量最大,其工程模拟的变化值为1.86mm,工程实际监测的变化值为2. 57mm。监测点Q2 的变化量最小,其工程模拟的变化值仅为1.21mm,工程实际监测的变化值仅为1.72mm。研究表明,高压旋喷桩与高压摆喷防渗墙相结合的支护结构能够很好削减±地变性造成的不良影响。 同时,兼具环形导流的基坑支护结构能够有效提升基坑的稳定性。

图3 不同监测点的桩顶沉降与位移变化对比结果

在不同基坑开挖工况下,采用工程模拟与实际监测的地表沉降以及建筑沉降的变化结果见图4。 由图4 可知,随着基坑开挖的逐步加深,地表沉降均随之加深。 由图4(a)可以看出,各个地表沉降监测点的沉降值均小于25mm,且沉降速率较低。 其中,地表沉降监测点DB4 的沉降值最高,其模拟沉降值1.94mm,监测沉降值2.75mm。地表沉降监测点DB2 的沉降量最小,其模拟沉降值0.38mm,监测沉降值0.83mm。 由图4(b)可知,基坑周围建筑物各监测点的沉降值均小于报警值10mm。 其中,建筑沉降监测点JC4 的沉降量最大,其模拟沉降值1. 89mm,监测沉降值2.68mm;监测点JC3 的沉降量最小,其模拟沉降值1.17mm,监测沉降值1.76mm,表明高压旋喷桩体支护结构具有良好的稳定性。

图4 工程监测与模拟的地表沉降以及建筑沉降的变化对比结果

不同深层位移监测点的位移变化结果见图5。 由图5 可知,深层位移监测点的位移变化量最大的位置均位于基坑深度的1/2 处,远小于报警值,而位移变化最小的位置位于基坑底部,主要原因在于基坑深度的1/2 位置的基坑侧压力最大。 同时可知,工程监测得到的位移变化量比模拟的变化量更大,其原因在于实际工程中的侧压力不仅包含侧向的±压力,还有一部分水压力,导致监测的位移数值更高。

图5 不同深层位移监测点的监测与模拟位移变化结果对比

由图5(a)可知,ZQT01 监测点深层位移值在深度-5.9m 时最高,其工程监测值5.88mm,工程模拟值3.62mm;在深度为-11.8m 时深层位移值最低,其工程监测值1. 53mm,工程模拟值1.24mm。 由图5(b)可知,ZQT02 监测点深层位移值在深度-6.1m 时最高,其工程监测值5.46mm,工程模拟值3.72mm;在深度-12.0m 时深层位移值最低,其程监测值1.45mm,工程模拟值1.13mm。

4 结 论

为确保基坑及周边环境的安全性,本文提出了高压旋喷桩支护结构与高压摆喷防渗帷幕,以实现对深基坑的稳定作用。 结果显示,采用工程模拟计算与工程实际监测的各监测点桩顶沉降与位移变化量均低于报警值,且监测的最小位移变化值为1.88mm,最小沉降变化值仅为1.72mm。 同时,基坑周围建筑物各监测点的沉降值均小于报警值10mm,最小监测沉降量为1.76mm。 此外,深层位移监测点的位移变化量最大的位置均位于基坑深度的1/2 处,且均低于报警值,表明该支护结构能够起到稳定基坑的作用。