高压旋喷桩防渗技术在卵石混砂土层中的应用

张齐焰　高莹

【摘 要】在卵石土层中施工止水帷幕是岩土和水利工程界的难点，高压旋喷桩防渗墙由于在经济性和适应性上具有相对优势，取得了一定数量的试验和应用经验，仍然面临着各种问题。在福建省福清市倪松拦河闸工程中，笔者成功地在卵石混砂土层中使用三管法高压旋喷桩对基坑、围堰进行防渗、止水，达到了预期的设计效果，为高压旋喷桩桩处理类似技术提供了经验和参考。

【关键词】高压旋喷桩；防渗；围井试验

0 引言

喷射注浆法又称为旋喷法，是通过高压喷射切割土体并使水泥与土搅拌混合，形成水泥土体加固的方法。高压旋喷桩注浆法处理地基在我国已有了广泛的应用，既可作为施工中的临时止水防渗帷幕，又可作为永久建筑物的地基加固。在施工机具方面，有单管法、二重管法和三管法，我国长期以来应用最多的是三管法。理论上，高压旋喷桩注浆法可广泛适用于淤泥、软弱粘性土、砂卵土甚至砂卵石等多种土质。实际工程应用表明，高压旋喷桩在松散、软弱土层（N<10砂类土，N<10的粘性土、粉土、黄土等）易取得较好的效果，在坚硬土层、含大直径块石以及地下水流速较大的土层中成功率较低，需通过现场试验确定其适应性。

在卵石土层中施工止水帷幕是岩土工程界的难点，常规做法往往采用帷幕灌浆技术或者混凝土防渗墙技术，不过这两种技术都具有施工造价高、工期长的缺陷。因此我国许多工程项目开始逐渐摸索将高压旋喷桩防渗墙应用在砂砾石土层中，并取得了相当数量的试验和应用经验。然而，高压旋喷桩在含卵石土层的应用仍然面临着各种问题。一方面，影响高压旋喷桩成桩质量和处理效果的技术参数较多，现行规范及手册给定的技术参数建议值区间较大，无法使用较为准确的理论计算确定设计参数；另一方面，施工质量受施工班组经验以及现场施工质量控制的影响较大。

在福建省福清市倪松拦河闸工程中，笔者成功地在卵石混砂土层中使用三管法高压旋喷桩对基坑、围堰进行防渗、止水，达到了预期的设计效果，为高压旋喷桩桩处理类似技术提供了经验和参考。

1 工程概况

本工程位于福建省福清市龙江下游规划东部新城。龙江是福清市最大的河流，总流域面积538km2，干流全长62.0km，河道平均坡降4‰。本次河道整治范围为龙江干流自利桥下游1km至规划的清昌大道段，全长3.339km。河道在桩号K1+598处设拦河闸（倪松闸）一座。防洪堤岸防洪（潮）标准为50年一遇，排涝标准为10年一遇。

倪松闸为大（2）型水闸，防洪标准为50年一遇设计，过闸流量为2975m3/s；100年一遇校核，过闸流量为3320m3/s。倪松闸采用5孔钢坝闸，每孔净宽24m，总净宽120m。倪松闸分2期施工，一期施工右岸2孔，二期施工左岸3孔。一期基坑南北长约160m、东西宽约100m；闸底高程为-4.35m，施工洪水位为7.06m，围堰内外水头差高达11.41m。

2 工程水文地质条件

2.1 地形地貌

拟建倪松拦河闸位于倪松大桥下游，北侧横跨龙江，龙江左岸位于人口密集的倪浦村附近，居民住宅分布密集，有简易水泥路连通，岸侧地面高程约+6.8～+6.0，右岸为老大堤和滩地，老大堤堤顶高程约+7.2～+6.6，龙江泥面高程约+1.9～-1.2m；南侧以农田为主，地面高程约+4.9～+3.9。拟建场地属海积、冲洪积河漫滩地貌。

2.2 场地土层渗透性

根据各土层的工程地质性质和渗透试验、颗分试验等室内土工试验成果，各土层是透水性判别如下：Ⅰ0-2灰黄色素填土、Ⅰ1灰色淤泥、Ⅱ1灰黄色粉质黏土、Ⅱ2灰色淤泥质粉质黏土夹粉砂一般属弱～微透水层，其中Ⅱ3层属极微透水层，可能产生的渗透变形类型为流土；Ⅱ2t灰色粉细砂混淤泥、Ⅱ3t灰黄色中粗砂层属中等透水层，可能产生的渗透变形类型为管涌；Ⅲ杂色卵石混砂、Ⅵ1-1 灰黄色散体状强风化花岗岩为强透水层。各土层渗透系数值见表1：

表1 各土层的渗透系数值

2.3 主要水文地质问题分析

根据地勘报告，Ⅲ杂色卵石混砂土层的卵石直径在2.0～10.0cm之间，局部5～10cm，少量达10cm以上，卵石含量超过50%，局部为卵石混黏性土。经修正后的重型动力触探击数一般为10.5～20.5击，厚度一般在3.6～8.5m之间。

本工程建设规模大，地质条件复杂，施工技术难度大，工程区域不仅存在强透水层，而且存在龙江大堤、居民房等构筑物，基坑顶边缘距离民房最近仅12m，工程环境条件复杂。为保证施工期基坑及民房等构筑物安全，避免基坑开挖后出现渗水、管涌及塌方等，围堰及边坡必须采取有效可靠的防渗、止水措施。

3 主要设计参数

本工程需对浅部的强透水层或中等透水层进行防渗处理，拟采用高压旋喷桩防渗墙进行防渗处理。高压旋喷桩参数施工技术参数选取合理与否，直接关系到防渗墙的止水效果以及工程的投资。根据同类型土层施工经验并接过有关规范，对施工各参数进行了初步设计，然后针对这些参数进行试桩，通过开完检测、压水试验和钻芯取样，得出符合该工程实际情况的实际施工参数。本工程高压旋喷桩防渗墙的主要施工技术参数及检测要求如下：

1）基坑及围堰防渗采用三管法高压旋喷桩，旋喷桩直径为800mm，间距600mm。

2）高压旋喷桩施参数：水泥浆水灰比1.1；高压水压力≥35MPa，气流压力0.6～0.8MPa，输液流量110L/min；提升速度土层18cm/min，砂卵石层和强风化岩层5～8cm/min；旋转速度15r/min；浆液比重>1.5。

3）水泥采用强度等级42.5R及以上的普通硅酸盐水泥。

4）施工钻孔倾斜度不得大于1.0%，钻孔平面位置与设计位置偏差不得大于50mm。钻杆的旋转和提升必须连续不中断。注浆管分段提升的搭接长度不得小于100mm。

5）试验成桩28d取芯抗压强度平均值应大于3.0MPa，钻孔压水试验透水率不大于3Lu。

6）桩底应深入强风化层至少1.0～2.0m，桩底高程约为-9.00～-11.00m。

4 试桩与围井试验

4.1 试桩参数

为选取合理的施工参数，更科学的指导工程后续围堰、闸室高压旋喷桩防渗墙施工，确保围堰防渗效果满足设计及规范要求，本工程在地勘孔附近进行高压旋喷桩试桩试验。因地质条件复杂、参数较多（喷浆量、提升速度、旋转速度），为更好的反应桩与桩之间的重叠（咬合）区域桩体质量，本工程初期进行了进行了2次试桩。第一次试桩共分为3组（单管法1组、三管法2组），每组6根，共计18根。单管法高压旋喷桩试桩共1组，试桩数量6根，钻孔桩径为600mm，间距400mm。三管法高压旋喷桩试桩共分2组：一组桩径为600mm，间距400mm，试桩数量为6根；另一组桩径为800mm，间距600mm，试桩数量6根。

第一次试桩结束后进行钻芯取样和压水试验，根据试验结果调整参数进行了第二次试桩试验。

4.2 钻芯取样

高压旋喷桩试验完成28天后，由第三方检测部门对防渗墙墙体进行了钻芯取样，钻芯位于搭接处。取样结果标明：（1）单管法高喷桩试验桩在土层可以取出较为完整的芯样，但在卵石层中的无法钻取完整芯样，芯样呈破碎、断裂状态；（2）三管法高压旋喷桩试验桩的芯柱较完整，卵石层中水泥土芯样较完整、连续，表面气泡少、搅拌较均匀，芯柱经检测，抗压强度为4.0MPa，满足设计要求。

4.3 围井试验

高压旋喷桩试验完成28天后，对试验的围井进行了稳定流抽水试验和水位恢复观测。试验采用小流量深井泵，出水管安装水表计量流量，秒表测量抽水时间，抽水历时108分钟，抽取水量5.411m3；水位恢复观测历时1112分钟。通过达西渗流定律公式计算以及分析判断，本次围井试验较为成功，渗透试验结果基本反映了防渗墙的防渗情况，防渗墙的渗透性等级属弱透水，渗透系数数值为2.07×10-5cm/s，满足设计要求。

5 结论与建议

1）根据试验结果，三重管高压旋喷桩防渗效果在Ⅲ杂色卵石混砂土层中远好于单管法高压旋喷桩防渗墙，可判定单管法旋喷桩在Ⅲ杂色卵石混砂成桩效果较三重管高压旋喷桩成桩效果差，防渗效果不理想。

2）通过试桩过程水泥消耗量、取芯、压水试验检测对比，建议在水泥浆液内添加一定数量的膨润土，提高水泥浆液悬浮能力，减少地下水对桩身影响。

3）通过现场开挖的集水坑及围井开挖抽水情况，发现工程地下水位高，水系发达，通过围井试验，Ⅲ杂色卵石混黏性土（卵石混砂）及下层强风化层地质透水量大，因此在施工该段地层时，应适当降低钻杆提升速度、增加浆液流量等方法确保防渗质量，旋喷桩应进入强风化层1.0～2.0m。

4）高压旋喷桩施工过程中调整桩间距，适当减少桩与桩之间距离，加大相邻两孔高喷凝结体搭接处。若遇机械故障，停工时间较长，必须在搭界处另行补桩。

5）通过围井试验，建议在防渗墙拐角处增加3～5根高压旋喷桩进行补强。

[责任编辑：杨玉洁]