两层硬塑土夹砂层旋喷止水施工技术

吕大桅，汤 扬，谢荣强

(1.长春市轨道交通集团有限公司，吉林 长春 130012;2.沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013;3.中铁十三局集团有限公司，天津 300308)

两层硬塑土夹砂层旋喷止水施工技术

吕大桅1，汤 扬2，谢荣强3

(1.长春市轨道交通集团有限公司，吉林 长春 130012;2.沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013;3.中铁十三局集团有限公司，天津 300308)

以长春轻轨火车北广场站地下换乘中心工程为背景，针对该工程地基为两层硬塑土(超密实黏土和泥岩)夹砂层地层的特点，提出并实施了两层硬塑土夹砂层旋喷止水施工技术，通过增加引孔、改装钻头和复喷等工艺，确保了工程地基旋喷实施的效果，对同类工程有借鉴意义.

基坑工程;旋喷止水;施工技术;硬塑土;夹砂层

在建长春火车站北广场地铁和轻轨换乘车站地基是典型的两层硬塑土夹砂层地层，其上部为粉质黏土和黏土，下部为砂层和泥岩，靠近砂层上部黏土层承载力与泥岩承载力均达到300 kPa以上，该地层工程特性在很大程度上有别于其他类土.在该地层中修建地铁车站，其维护结构的施工是工程的重难点.一般砂层和黏土地层多采用加固和止水防渗的旋喷桩技术，其在软土地层、砂层中的工艺已相当成熟［1－5］，但对于硬塑土，特别是两层硬塑土夹砂层的特殊地质，在国内施工中并不多见，工艺上也有其特殊性［6－7］.笔者以该工程为背景，详细介绍了该地质条件下旋喷止水帷幕施工技术，以期为同类工程的施工提供借鉴.

1 工程概况

1.1 工程简介

长春轻轨火车站北广场站地下换乘中心工程位于长春站北出口，是长春轻轨四号线和地铁一号线的换乘站.基坑设计为明挖，最大挖深30 m，轻轨基坑长205.8 m，宽 20.5 m，地铁基坑长 143.4 m，宽20.8 m，两线交角62.71°.

工程所在地平均地面标高217 m.上部(均深11 m)基坑(地面至标高206 m)采取两级放坡开挖，网喷混凝土护坡;下部基坑(标高206 m以下，最深19 m)采用钻孔围护桩加内钢管支撑做支护结构，桩间挂网喷射混凝土封闭.上部基坑采用管井降水;下部基坑采用围护桩外侧设双排自咬合旋喷桩止水帷幕止水，桩径600 mm，中心间距400 mm，咬合200 mm，选用P.O42.5级普通硅酸盐水泥浆，基坑内设疏干井疏干降水，达到止降结合.旋喷桩平面布置如图1所示，旋喷桩咬合如图2所示.

1.2 工程地质及水文地质条件

场地地质主要由3部分组成:地表为既有道路结构层和人工堆积杂填土层，该土层厚1.0～4.2 m，土质松散;第2部分为第四系冲积粉质黏土和冲积砂土，厚度为16～18 m;第3部分为下伏白垩系泥岩层，该土层为不透水层.

拟建场地地下水赋存于第四系黏性土和砂土层中，含水层厚度15～20 m，其中②－1层至②－3层透水性中等，②－4层至②－5层透水性差，基本为不透水层，中粗砂②－6层透水性良好，最大渗流速度为10 m/d，并具有一定的微承压性，下部泥岩为不透水层.各地层特性及其渗透特性见表1.

表1 地层分层及渗透特性

1.3 地下水对基坑稳定的影响

拟建场地地下水位埋深0.8～4.5 m，水位标高215.69 ～211.25 m，主要为第四系孔隙潜水.含水层具中等透水性，但其中的砂土层属强透水层.结构位于地下水位以下(地铁底板座在泥岩上，轻轨底板座在砂层上)，应做好防渗设计，施工时做好排水工作.由于基坑侧壁附近分布有砂土层，出水量较大，在水压力作用下，易形成与泥沙一起突涌的现象.在地下水作用下，坑壁容易坍塌，加上其不稳定性，直接影响地下工程的施工.因此，施工及使用中必须重视地下水的影响，采取必要的防治措施.施工期间场地地下水位较高，基坑施工时，应注意采取止、排、降水措施，地下水位应控制在施工作业面以下不小于0.50 m处，做到干开挖、干施工.

2 旋喷止水施工技术

2.1 方案可行性分析

基坑最大开挖深度为30 m，地铁整个结构底板穿过砂层将近10 m，轻轨整个底板座在砂层上(砂层深度在地面以下20 m左右)，砂层水量丰富，具有微承压性，直接影响工程的安全，单一采用管井降水不能完全截住砂层水，很难保证降水效果.砂层为静止水，无人工扰动，采取双排自咬合旋喷桩止水帷幕，坑内设疏干井疏干的设计方法可行.其原因是:①工程所在地土层(主要是砂层和黏土层)适宜旋喷桩施工;②下部泥岩不透水，旋喷桩打入泥岩3 m深以上，不会发生坑底反水情况;③重点是封闭砂层承压水，通过基坑四周全范围内止水封闭砂层，再采取疏干井疏干坑内存水，完全可以达到止降结合的效果;④采取双排自咬合旋喷桩，能够弥补单排桩咬合不到位而出现漏洞的不足.

施工中的几个关键问题:①硬塑土中旋喷桩桩径如何保证;②硬塑土与砂层交界面质量如何保证，如何避免土层交界面处形成流水面;③砂层易扩散，如何保证砂层旋喷固结效果;④硬塑土层中如何保证旋喷桩钻进速度和竖直度;⑤旋喷过程中对间断处如何衔接处理，避免出现断桩.

2.2 旋喷止水施工方法

1)试桩并确定最佳旋喷参数.试桩的目的是获得适合该土层旋喷施工效果的最佳参数，以达到整个工程预期的止水效果.试桩的设备选择，主要机械及规格为:高压泥浆泵(30 MPa)、工程地质钻机、空压机(0.8 MPa，3 m3/cm2)、泥浆搅拌机、二重管、高压胶管.试桩材料选用 P.O42.5普通硅酸盐水泥［5－7］.试桩采用二重管法，桩径 600 mm.试桩 3根，每根桩试喷时选择不同的参数进行比选［7－8］，试桩参数比选见表2.施工工艺流程如图3所示.

表2 旋喷桩试桩参数

施工具体要求:①浆液用强度等级不低于42.5 MPa的普通硅酸盐水泥制作，旋喷压力大于20 MPa，注浆管提升速度10～20 cm/min，旋转速度10～20 r/min;②水泥浆液的水灰比取1∶1，灌入水泥浆液的比重取 1.5 ～1.6，返浆比重 1.2 ～1. 3;③冒浆量(含水、泥浆、水泥浆)应小于注浆量的20%，超过此值或不冒浆时应查找原因，处理后再继续喷浆;④桩底标高应进入泥岩，不小于设计深度.

2)根据钻芯取样和现场开挖分析确定旋喷桩施工参数.根据试桩情况综合考虑施工参数，对于砂层及以上土层部分，水泥浆喷射压力在不小于20 MPa(选用26 MPa)、空气压力在不小于0.7 MPa的情况下即能满足桩径的要求，提升速度控制在15 cm/min(砂层选用10 cm/min，其他土层选用15 cm/min)为宜.对于泥岩层，采用此工艺无法保证旋喷桩径.针对工程地质情况，整个旋喷桩施工需做引孔，否则旋喷钻机钻孔困难，甚至无法钻进.

2.3 现场实施

1)材料设备.选用P.O42.5普通硅酸盐水泥.采用DPP－100工程地质钻机和KR803－1嵌孔机作为引孔设备.采用XP－30B旋喷钻机进行旋喷.

2)旋喷参数.泥浆泵压力26 MPa;空气压力0.7 MPa;提升速度:黏土层 15 cm/min、砂层10 cm/min;水泥用量控制在200～240 kg/m，水灰比1∶1.

3)施工工艺流程.长春站综合交通换乘中心工程旋喷止水桩施工工艺流程如图4所示.

4)工艺实施.①引孔施工.采用DPP－100工程地质钻机和KR803－1嵌孔机两种机械引孔，引孔钻机竖直度采用长水平尺(超过1.5 m)和经纬仪双重控制，在初次就位时采用经纬仪双向校正，保证其竖直度，钻进过程中随时用水平尺检查，同时一定要保证钻机就位稳定，不允许地面有沉降现象;②旋喷控制.采用XP－30B旋喷钻机进行喷浆.钻机严格按照引孔孔位进行就位，连续喷射，根据钻杆长度控制砂层位置严格复喷，桩伸入泥岩不少于3 m.旋喷过程中严格按照选定的参数控制.水泥浆液的比重控制在1.5 ～1.6，返浆比重控制在 1.2 ～1.3，当出现异常时及时查找原因处理.冒浆量(含水、泥浆、水泥浆)应小于注浆量的20%，超过此值或不冒浆时应查找原因，处理后再继续喷射.当旋喷过程中出现中断再继续喷射情况时，将钻杆向下插入已完喷射面不少于20 cm，保证衔接处不断桩.

2.4 关键问题分析处理

1)增加引孔，解决钻进困难、保证桩径尺寸、避免土层交界处形成流水面问题.一种方法是采用改装钻头，将钻头改装成直径13～15 cm，十字合金钻头(从钻头中心射水)，用旋喷机直接引孔;另一种方法是采用嵌孔钻机引孔，引孔孔径达到15～40 cm.通过引孔增大孔径，保证旋喷过程中原孔位返浆顺畅，同时也有利于增加旋喷桩直径.另外，通过引孔增大硬塑土体扰动，遇水后增加土体软化，对保证孔径起到一定作用.在引孔机械钻头上焊切割片，增大扰动土体切割面，使孔径达到40 cm，然后再进行旋喷，能有效地保证旋喷桩直径.引孔机械在硬土中钻进的效率远大于旋喷钻机，可大大加快施工进度，同时引孔机在保证垂直度方面也较旋喷机效果好.在引孔过程中采取的是连续引孔后再连续喷射的方法，这样两者不相互干扰，可以加快施工速度，保证施工质量.

泥岩中旋喷效果极差，这样在泥岩和砂层交界面处极易形成流水面，而通过增加引孔，增大孔径的方式可以很好地解决这一问题.

2)砂层复喷解决易被水稀释扩散问题.砂层含水量丰富，具有微承压性，旋喷桩在此处极易被水稀释扩散，降低旋喷效果，为此在砂层处进行复喷，同时放慢提升速度(控制在10 cm/min).这样既能保证砂层内水泥浆液充足不至于被水严重稀释，又能保证在泥岩交界面和上部硬塑土交界面处形成同径一体.

3)避免砂层水流动，保证砂层旋喷效果.旋喷止水的主要目的是止住砂层中的水，而砂层中的水流动性很大.为保证旋喷效果，在旋喷施工前，停运所有的降水井，并在周边1 km范围内做调查，看是否有地下水流动的情况，确保砂层中的水处于静止状态，取得最佳的旋喷止水效果.

4)旋喷桩强度控制.旋喷桩封闭成型后，根据试验结果(有水条件下，温度12℃左右，P.O42.5普通硅酸盐水泥)监控28 d后才允许砂层旋喷桩处于工作状态，避免发生因旋喷桩强度不足而出现漏水现象.

3 结语

长春轻轨火车站北广场站地下换乘中心工程设计旋喷桩近9万延长米，5 400余根，通过增加引孔、改装钻头和复喷等工艺保证了在两层硬塑土(超密实黏土和泥岩)夹砂层地层中的旋喷效果，为工程顺利开挖争取了时间，为工程安全施工提供了保证.该施工工艺对北方硬塑土夹砂层地质条件下的同类工程具有很好的借鉴价值.

［1］刘斌.高压旋喷灌浆在取水构筑物围堰止水中的应用［J］.铁道建筑技术，2009(6):113 －117.

［2］李彦涛，袁辉，韩光利，等.二重管旋喷在基坑地下水治理中的应用［J］.煤矿安全，2000(5):10－11.

［3］袁振国.旋喷桩止水在实际工程中的应用［J］.都市快轨交通，2007，20(4):59 －62.

［4］吴纯，张季超.某基坑止水支护工程施工技术［J］.西部探矿工程，2002，14(4):12 －14.

［5］周志达，袁野.长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩技术在工程中的应用［J］.工程勘察，2011，39(1):34 －37.

［6］刘艳霞，刘更宁.某商住大厦基坑支护工程设计及施工技术［J］.中国煤田地质，2003，15(4):44 －46.

［7］冯旭海.型钢复合旋喷桩在深基坑止水围护中的应用［J］.土工基础，2006，20(5):4 －5，10.

A Construction Technique of Rotary Spray Water Stop in Two Hard Plastic and Sand-layered Soils

LV Da-wei1，TANG Yang2，XIE Rong-qiang3
(1.Changchun Railway Group Co.Ltd.，Changchun 130012，China;2.Shenyang Railway Survey and Design Institute Co.Ltd.，Shenyang 110013，China;3.China Railway 13th Bureau Group Co.Ltd.，Tianjin 300308，China)

Taking the underground transfer center project in north square station of Changchun light rail train as the background，according to the characteristics of the project foundation with the hard plastic soil(ultra-dense clay and mudstone)and sand layers，a construction technique of rotary spray water stop in two hard plastic soil coarse layers is put forward.Through some processes of increasing the guide-holes，modifying the drill and re-spray，the rotary spray implementation results of the engineering foundation has been ensured.This can provide a reference for similar projects.

foundation pit project;rotary spray water stop;construction technique;hard plastic soil;sand layer

1002－5634(2012)03－0090－04

2012－02－16

吕大桅(1978—)，男，吉林长春人，工程师，主要从事工程施工管理方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)