双高压旋喷桩在超深地下连续墙接缝止水加固中的运用研究

殷湘舰 周意红

(1:天津市地下铁道集团有限公司,天津 300051; 2:中国科学院天津工业生物技术研究所,天津 300308)

0 引言

高压旋喷桩是20世纪70年代从日本引进的一种加固土体的应用技术,是化学注浆技术结合高压射流切划技术发展起来的.目前,在国内深基坑土体加固工程中有一定的运用,但相关的成熟理论计算与施工经验不多[1-3],特别是在含有承压水中的粉土、粉砂层中运用的经验更少.本文以天津某地铁车站基坑地下连续墙接缝土体加固为例,提出了三重管双高压旋喷桩施工参数和管控要点,以期指导工程实践.

1 引用工程实例简介

1.1 工程概况及地质情况

天津地铁某车站为换乘车站,主体采用盖挖逆作法施工,基坑围护结构采用厚1 000mm的钢筋混凝土连续墙,连续墙接头型式为十字钢板,地连墙盾构井段设计深度约43m,基坑开挖深度约24m,宽约26m.

本场地地层有第四系全新统人工填土层(Qml)、第Ⅰ陆相层(Q43al)、第Ⅰ海相层(Q42m)、第Ⅱ陆相层(Q41al+h)及第Ⅲ陆相层(Q3eal),岩性主要为粘性土、粉土及粉砂.车站主体结构基底主要位于⑦1粉质粘土、⑦2粉土、⑦4粉砂层上.本场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水,勘测期间水位埋深1.2m～3.0m.微承压水以第Ⅱ陆相层⑤1粉质粘土、⑥1粉质粘土为隔水顶板.浅层微承压水主要赋存于⑥2粉土(0.5m/d)、⑥4粉砂(2.0m/d)、⑦2粉土(1.0m/d)、⑦4粉砂(2.0m/d)、⑨2粉土、⑨4、⑨9粉砂层中,微承压水稳定水位埋深约为2.58m～2.80m.此次加双高压加固穿透的土体主要为粉质粘土、粉土,粉砂(见图1).

1.2 双高压旋喷桩设计

因基坑大多在城市主干道下,周边最近建筑物离主体基坑11.5m,加之运营既有线,风险级别高,结合地连墙详细施工记录及“降水试验及降水运行情况”,确定本车站继续开挖后地连墙接缝处可能出现渗漏风险.为确保基坑开挖安全,特在其接缝处外侧增设3根Φ1 000@500双高压旋喷桩，呈“品”字形布置,采用三重管双高压旋喷法施工,要求桩体28d无侧限抗压强度不小于1.5MPa,加固深度如图1所示.

图1 三重管双高压旋喷桩加固深度示意图

2 双高压旋喷桩工艺原理及流程

双高压旋喷注浆的基本工艺原理(见图2)是将包裹压缩空气的高压水流和包裹压缩空气的高压水泥浆流分别通过喷射器上、下部的喷嘴喷出,上部的高压水喷射流先对土体进行一次切割破碎,以下部的高压水泥浆喷射流再对土体进行二次扩大切割破碎,而且水、气同时作用于土体,增强了破坏土体的能力,之后水泥浆与土体搅拌混合形成止水加固桩体,止水加固效果较好.工艺流程见图3.

图2 三重管双高压旋喷桩示意图

图3 工艺流程

3 工程机械及施工参数确定

根据现场施工需要,确定设备的型号、种类及数量如表1所示.

表1 机械设备及材料配置

经过查阅规范与相关文献后[4-7],结合本工程特点,经试验确定本工程的施工参数如表2所示.

表2 施工参数

4 施工管控要点

4.1 成孔顺序

为防止旋喷时浆液串孔,保证旋喷桩水泥浆有一定凝结时间及施工连续性,钻孔通常采取间隔跳槽施工.

4.2 引孔垂直度控制

引孔垂直度直接关系到双高压桩体咬合尺寸及整体止水效果,是双高压施工管控的重点工作,在本工程中,主要采用以下措施保证成孔垂直度.

(1) 通过平整基层和调整钻机,来确保引孔钻机钻头的垂直度;

(2) 在引孔过程中,每换一节杆测一次垂直度,通过采用水平靠尺及线锤测方法,来校核钻杆的垂直度并适时进行调整;

(3) 引孔完成后埋入测斜管,通过测斜仪来检测引孔垂直,对于垂直度偏差较大的孔,进行重新套孔或引孔,引孔完成后用遮挡物将孔口盖住,避免杂物落入孔中.

4.3 水泥浆制备

(1) 浆液用量可根据下式确定:

Q=qt(1+β)

式中,q为单位时间的喷射量,本例中为70L/min；t为每根桩的喷射时间;β为损失系数,β=0.1～0.2

每延米喷射时间:

t=L/V=100/(6～10)=16.7～10(min)

每延米水泥浆液用量:

Q=70×(10～16.7)×(1.1～1.2)=770～1 402.8(L)

水泥浆液密度:ρ为1.512kg/ L,则每延米水泥浆液重量:

M1=Q×ρ=770～1 402.8×1.512=1 058.4～2 121(kg)

根据水灰比1∶1得知,每延米水泥重量:

M2=M1/2=529.2～1060.5(kg)

(2) 先加水后加水泥,水泥浆的搅拌时间不少于180s;

(3) 纯水泥浆的搅拌存放时间自制备至用完的时间应少于2.5h,浆液在灰浆拌和机中要不断搅拌,直到喷浆前;

(4) 浆液应在过筛后使用,并定时检测其密度.

4.4 旋喷注浆施工控制要点

(1) 当喷射注浆管插入预定深度后,先送高压浆液,再送高压水和压缩空气.在一般情况下,压缩空气可晚送30s,压力要缓慢往上加到设计值,观察机械运转情况和地面返浆情况,如有异常,应立即停止施工、泄压,解决问题;

(2) 在桩底部边旋转边喷射1min后,再开始由下而上进行旋转喷射注浆,注意记录时间,同时实测提升速度,看是否在设计范围内.粉土、粉砂层提升速度控制为6cm/min,粉质粘土层8cm/min～10cm/min;

(3) 由于机械故障、停电等情况造成旋喷停止的,在续喷时一定要进行复喷,复喷长度为不小于50cm,并在施工记录上记录详实;

(4) 喷射过程中拆卸喷射管时,应进行下落搭接复喷,搭接长度不小于0.2m,喷射过程中因故中断后,恢复喷射时,应进行复喷,搭接长度不小于0.5m；中断超过浆液初凝时间,应进行扫孔,恢复喷射时,复喷搭接长度不小于1m;

(5) 喷射过程中孔内漏浆,停止提升,直至不漏浆为止,再继续提升;

(6) 喷射过程中要记录每个高压喷射注浆孔施工时间全过程.

4.5 泥浆排泄

双高压旋喷桩产生大量废弃的泥浆和水泥浆混合物,由于是成流体状态,可在囤土场附近修建一个临时泥浆池,泥浆池容量能够满足2～3根桩容量即可,将产生的浆液抽送至泥浆池.如现场没有砌筑泥浆池的场地,可以直接接管排入泥浆罐车.

4.6 充填回灌

每一孔的高压喷射注浆完成后,孔内的水泥浆很快会产生析水沉淀,应及时向孔内充填灌浆直到饱满,孔口浆面不再下沉为止.终喷后,充填灌浆是一项非常重要的工作,回灌的好与差将直接影响工程的质量,必须做好充填回灌工作.

(1) 将输浆管插入孔内浆面以下2m,输入注浆时用的浆液进行充填灌浆;

(2) 充填灌浆需多次反复进行,回灌标准是:直到饱满,孔口浆面不再下沉为止;

(3) 应记录回灌时间、次数、灌浆量、水泥用量和回灌质量.

4.7 桩体质量控制

查阅相关规范与文献后,确定三重管双高压旋喷桩质量控制允许偏差范围如表3所示.

表3 质量控制允许偏差范围

5 结语

经过在多个旋喷桩咬合部位钻孔取芯,芯块完整且强度符合设计要求,再结合降水试验数据,抽水量与设计给出的计算量基本吻合,基坑在探坑及开挖过程中,地铁接缝处无明显渗水现象,达到了止水加固的目的.总之,通过本例双高压旋喷桩在超深地连墙接缝加固止水工程中的运用与研究,得到了一些有益的施工方法和经验.

(1) 方案确定后,应结合工程情况进行现场试验、试验性施工或根据工程经验确定施工参数及工艺；

(2) 加强施工过程控制,严格执行施工确定的水灰比、提升速度、旋喷压力等技术参数,施工过程中安排专人全程盯控,并认真做好各项记录；

(3) 引孔垂直度直接关系到桩体咬合尺寸及整体止水效果,要做为施工质量管理的重点工作,可从基底找平处理、机械选型、引孔单杆垂直检测等方面进行控制；

(4) 结合本例的地质水文特性,只要严格控制施工工艺流程,特别是提杆速度、水压及浆压,在含承压水的粉土、粉砂层中的成桩质量还是可以保证的；

(5) 旋喷完成后,必须进行充填灌浆,回灌的好与差将直接影响工程的质量；

(6) 双高压旋喷桩的最大有效加固深度、土层适应性、引孔垂直度控制与检测等方面还需要进一步研究与分析.

参 考 文 献

[1] 牛 虹.高压旋喷法的施工特性及设备[J].工业建筑,2002,32(10):52-55.

[2] 余暄平.国内外高压旋喷技术的发展现状与趋势[J].城市道桥与防洪,2006(4):185-189.

[3] 郭庆清,陈月顺,夏焰光.高压旋喷桩在含承压水砂质粉土和粉砂土加固中的应用研究[J].建筑技术, 2009(5):466-468.

[4] 胡向川,王东波,陈宏兴.高压旋喷桩在天津津塔深基坑工程中的应用[J].建筑技术,2012(6):488-490.

[5] 中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[6] 刘胜永,李连和.三重管双高压旋喷桩在深基坑止水帷幕中的应用技术[J].城市建设理论研究,2012(11):89-93.

[7] 北京市城乡建设委员会.地下铁道工程施工及验收规范(GB50299-1999)2003版[S].北京:中国计划出版社,2013.