高压旋喷桩双轴技术在深基坑工程的应用研究

陈 浩，王剑君

(中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004)

1 概述

近些年我国沿海地区正在高速发展，地下空间的开发应用成为城市建设的重要任务，滨海地区工程建设日益增多，基坑工程规模不断增大，风险也越来越高。据统计，地下工程施工中围护结构漏水占比44%，基坑工程虽然设置了隔水结构，但仍有50%以上的基坑工程事故是由于水引起的各种情况直接或间接造成的。因此对复杂地质条件下的基坑止水防渗控制，是关乎滨海地区高水位基坑稳定性的关键因素。

为解决高水位复杂水文环境下基坑工程的支护与防水问题，部分专家开展了深入的研究，已经积累了丰富的经验和成果，涌现出大量的新方法和新工艺。现在基坑止水帷幕常用方法主要有高压旋喷桩、高压注浆工艺、咬合桩、地下连续墙、深层搅拌桩等几种[1]。其中，高压旋喷技术在理论和技术上已经发展得较为成熟，且由于其成桩效果和止水效果良好，在地基加固和处理防渗的工程中已经得到了广泛的应用。高压旋喷桩技术是利用在钻孔中喷射高压水泥浆切割土体，与土体混合固结后加大了土体强度从而进行加固地基的手段[2]。经高压旋喷形成的水泥土旋喷桩桩体可以将上部的附加荷载传递到深层持力层，因此在提高地基承载力和减少地基沉降方面具有良好的工程效果[3]。

到目前为止，很多人针对高压旋喷桩都进行了深度的研究，因此在理论和实践方面，都有丰富的经验可以借鉴。在理论研究方面，国内的李小杰[4]针对旋喷桩加固后的地基进行计算，并与实际工程值对比，得到不同计算方法对复合土层计算，会导致结果差异较大的结论，并在多种方法中找到了较为适合加固后地基计算的方法。国外也有较多的相关研究，R. Katzenbach等[5-6]通过室内试验与推导得到了桩体变形模量与单轴压缩强度的相互关系。此外还有S.L.Shen等[7-9]研究出了通过双喷射注浆法提高水泥土的固化速率的技术，并将该技术成功应用于现场工程。而在实践应用方面，陈云彬等[10]提出了单排旋喷桩与双排水泥搅拌桩构成的组合式止水帷幕止水，且用实际工程证明了其的可行性。

目前常规单管法、双重管、三重管旋喷桩施工都已具有了成熟的工艺与方法，但是工法所用设备和工艺都比较简单，且在工程上实际应用的效果不是很好，仍然存在很多局限性[11]。

例如遇到砂层、含块石人工填海地层、基岩等复杂地层时则无法钻进采用其他设备引孔再进行旋喷发生塌孔情况；传统的二重管、三重管工艺无法喷射到地层中块石的背面，会产生注浆盲区；水下浇筑混凝土时在支护施工过程中可能会出现扩径现象，造成成孔难的问题；传统工法成孔垂直度偏差较大造成深部位置的桩体咬合较差，造成基坑出现漏水点情况以及施工效率低下，环境污染问题严重等。

因此，综上可得针对滨海堆积区，水文地质以地下水位高、渗透系数大且工程地质穿越回填土、淤泥质地层、强风化岩层的复杂综合地质环境下的基坑旋喷桩止水帷幕施工，传统高压旋喷桩成桩和止水效果较差，当出现渗水情况时，会对基坑开挖作业造成很大影响。目前针对此情况的旋喷桩止水帷幕创新技术研究较少，也很难依据经验进行解决，本文针对此种类型基坑，创新出一种适用于这种基坑类型的新型的施工工法，并将其应用到实际工程中进行了检验。

为了解决青岛地区高水位复杂地质基坑工程条件下，传统高压旋喷桩施工工艺防渗止水效果不理想的问题，本文在高压旋喷桩传统工艺的基础上创新发明了新二重管高压旋喷桩双轴施工工法，在青岛市地铁8号线市民健身中心站、市～观区间1号风井实施运用并取得了良好的效果。

2 工程概况

2.1 项目概况

市民健身中心站为青岛地铁8号线的中间站，设计站台中心里程为右DK28+754.448，起点里程为右DK28+676.623，终点里程为右DK29+161.523，车站长484.9 m，有效站台118 m，为13 m岛式站台，车站形式为地下两层双跨矩形框架结构，车站标准段宽21.8 m，车站结构外包高度13.21 m，顶板覆土约4.0 m；车站标准段基坑深度为17.41 m，宽度为22.0 m，盾构段基坑深度为19.15 m，宽度为27.30 m。

附属结构标准段基坑宽度7.5 m，底板埋深约为10.7 m。本站主体覆土约4 m，基坑深约为17.61 m，基坑采用明挖施工，车站两端均接盾构区间，大里程端提供盾构始发条件，小里程端提供盾构接收条件。图1，图2分别为市民健身中心站的位置图和围护结构剖面图。

2.2 工程地质条件

市民健身中心站顶板覆土主要为第四系全新统人工填土和素填土，基坑主体底板主要位于中风化安山岩岩层，围护桩插入深度约为4 m～5 m，盾构井段约5 m，插入比约为0.34，插入岩层主要为强～中风化安山岩。

根据地勘报告，场区受周边次生构造带的影响，在场地构造破碎带影响范围内，多揭露有受构造挤压影响而形成的构造岩，同时破碎带周边基岩受其影响均呈现出在水平、竖向上的矿物蚀变程度不均匀，节理、裂隙发育不均匀的断裂构造岩(节理发育带)的特征。地质纵断面图见图3。场地的各地层物理学指标参数见表1。

表1 各地层物理学指标表

2.3 水文地质条件

该车站施工场地的地下水主要包括：1)第四系孔隙水：勘察期间水位埋深0.30 m～4.00 m，水位标高1.09 m～3.13 m。含水层主要为第①层，主要接受侧向径流及大气降水补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。潜水的动态与大气降水关系密切。每年7月～9月份为大气降水的丰水期，地下水位自7月份开始上升，9月～10月份达到当年最高水位，随后逐渐下降，至次年的6月份达到当年的最低水位。2)基岩裂隙承压水(风化裂隙水、构造裂隙水)：该层水位埋深2.70 m～4.80 m，水位标高-0.45 m～0.34 m，承压水水头5.72 m～9.32 m。该层渗透性较小～中等，局部水流汇集，水量可能较大。主要接受相邻导水构造通过侧向补给及上层地下水或大气降水的补给，其分布、水量、径流方向及承压性也受岩体导水和阻水构造控制，由于岩体中上述构造分布的不均匀性及复杂性，构造裂隙水的上述特征也表现为相应的复杂性和不均匀性。

2.4 工法选择

根据该工程的工程概况可知市民健身中心站标准段基坑属于深大基坑，施工期间基坑稳定是本工程的重点，应重点控制围护工程的施工质量。根据地勘资料，此工程的地下水位线较高，因此需要着重控制旋喷桩止水帷幕施工和降水井施工质量和效果以防止开挖过程中渗水情况的发生，为了保证基坑作业的安全性，在施工过程中，要严格控制止水帷幕的施工质量，且确保旋喷桩深度要入岩，在基坑开挖前，地下水需降至开挖面以下0.5 m再进行后续的开挖施工。此外根据地勘资料，该地块地质条件复杂，第⑥层含有机质粉质黏土属于软弱土层，软土强度低，在基坑开挖过程中如果处理不当或采取不合适的方法进行开挖作业时，容易发生基坑坍塌现象，因此软弱土层土方开挖也是控制重点。结合本工程工程地质特点和水文特点，综合第一节传统工艺的局限性进行分析，得出使用传统工艺进行止水帷幕施工的经济性和可靠性不高，而且可能造成环境污染程度较严重。经过多次论证及现场试验，最终决定使用新二重管高压旋喷桩双轴施工工法进行止水帷幕的施工。

3 设计参数及工艺流程

3.1 设计参数

为保证基坑的止水效果及确保施工过程的安全，在工程设计中，采用单独成排咬合旋喷桩在基坑围护桩外作止水帷幕。采用新二重管法施工，设计桩径1.0 m，桩间距0.7 m，桩长13.9 m～18.1 m。

1)围护桩设计参数。市民健身中心站围护桩共计752根，围护桩为φ1 000 mm@1 400 mm钻孔灌注桩，采用C30钢筋混凝土(高新一桥附近采用C35钢筋混凝土)，盾构洞口范围围护桩主筋采用Φ28的玻璃纤维筋，玻璃纤维筋与钢筋采用U型卡扣连接；围护桩插入深度约为4 m～5 m，采用旋挖钻成孔方式；盾构井段约5 m，插入比约为0.34；插入岩层为强～中风化安山岩。

灌注桩主筋采用Φ25/28(HRB400)的钢筋，净保护层厚度为50 mm，钢筋笼外侧设同标号混凝土垫块控制保护层；箍筋采用Φ12@150 mm(HPB300)螺旋箍；加劲箍采用Φ22@2 000 mm(HRB400)。围护桩详细参数如表2所示。

表2 围护桩设计参数表

2)旋喷桩设计参数。使用新二重管法施工参数见表3。

表3 新二重管法施工参数表

止水帷幕高压旋喷桩桩径为φ1 000 mm，间距为700 mm。采用新二重管施工方法进行施工。旋喷桩需插入深度为入强风化岩0.5 m。旋喷桩止水帷幕布置形式如图4所示。

3.2 施工工法及工艺流程

本工程旋喷桩采用新二重管法施工。二重管法是通过使用高压喷射注浆设备喷射出超高压水泥浆液，在压力作用下，浆液对周围土体进行切割破坏并与部分被切割的土体进行混合产生混合浆液，混合浆液凝固后就成为水泥土桩体即旋喷桩止水帷幕。新二重管法与传统二重管法工艺的不同之处在于新工艺进行了两次对土体的切割破坏，第一次切割是利用了高压泵和压缩空气的复合喷射流体来对土体进行破坏切割，第二次是利用高压浆液(基本是水泥系硬化剂)和压缩空气的复合喷射流对土体进行切割；通过在第一次切割的基础上再次对土体进行切割，增加了切削的深度，加大了旋喷桩的固结直径。在这个过程中出现阻水效果差的现象还可以及时进行补桩弥补。

高压旋喷桩施工方法示意图如图5所示，工艺流程如图6所示。

具体的施工方法如下：

1)测量定位。在现场进行施工时，需依照设计要求进行放样，先以木桩定桩位，将垂直施工误差控制在0.5%以内，钻孔位置与设计位置偏差控制在50 mm以内。

2)钻机就位。在现场进行放线，移动钻机到指定桩位，保证钻杆头对准孔位中心。同时平整钻机，放置平稳、水平。钻机放置平稳后需对钻机进行水平校正，钻杆轴线要与钻孔中心位置垂直，钻孔的垂直度不能超过0.5%。之后还需进行校直纠偏检查，需对垂直两个方向进行检查(可利用垂球纠偏)，出现偏斜情况时，可以在机座下加垫物品调整。调整完毕后，可以通过低压射水试验来检查喷嘴通畅状况和压力情况。

3)制备水泥浆。桩机移位时，按照设计的配备制备水泥浆，将水、水泥和外渗剂按顺序加入搅拌10 min～20 min后，打开搅拌桶底的阀门经第一道筛网过滤流入浆液池，通过泥浆泵抽进第二道过滤网过滤入浆液桶待压浆备用。

4)钻孔。通过钻进方法成孔，需严格按已定桩位进行成孔，平面位置偏差要在50 mm以内，垂直施工误差不得大于0.5%，孔径为φ1 000 mm，必须跳孔施工，跳孔距离间隔4 m～6 m，相邻桩施工时间间隔不小于48 h，施工中发现已完成桩有窜浆现象应及时加大跳孔距离间隔和相邻桩施工时间间隔。

5)插管、试喷。进行旋喷桩插管及试喷，确定施工技术参数。

6)高压浆液喷射。a.为保证施工场地的整洁，在施工前需预备好排浆沟和泥浆池，施工过程产生的废弃浆液导排入泥浆池，待其固结后集中运送至场外进行处理。b.为保证成桩的质量，在喷射浆液前首先需对设备和管路进行检查，使其施工参数满足设计需要。需对管道进行清洁处理，保证无杂物阻塞，管道需整洁且密封性良好。水泥浆需经过筛网处理后再倒入灌浆机，防止阻塞管道导致注浆中断。c.施工工程中需对数据进行实时记录，每个孔位都需记录其实际孔位、孔深、地下障碍物、注浆量等资料。d.当注浆管位置和设备准备完毕后，按照设计参数进行高压注浆。新二重管法高压旋喷桩的机理是以大于30 MPa的高压水泥浆同时从多个喷嘴喷出，由下而上旋喷注浆。在喷射时，首先使其达到预定的喷射压力，正常后逐渐提升注浆管，喷射产生的高压水泥浆射流直接冲切破坏土体，在射流周围有压缩空气的高压气流保护，水泥浆液与破碎土体充分混合，混护体凝固后形成止水帷幕，同时压缩空气还起到使部分切割土体从孔口冒出的作用。e.为防止浆管扭断，旋喷应先喷浆，然后再旋转提升。f.水泥浆的配比需根据设计需要规定，不能随意更改，但为了防止水泥浆在喷浆时沉淀可以将浓度降低。投料的搅拌时间要大于3 min，水泥浆要现配现用，压浆前将浆液倒入集料斗储放。g.当在喷射过程中出现类似大量冒浆、注浆骤然上升或下降情况时，需要查明原因并采取措施解决。h.喷浆时供浆、供气出现中断时，应立即将喷管下沉至供点的下方0.3 m处，等到恢复正常供气供浆时再恢复其位置。i.距桩顶1 m深度左右时需降低提升速度，使其缓慢升至设计高程。j.高压喷射过程结束后将冒出浆液回灌至孔内到不再下沉结束。

7)旋摆提升喷浆管。喷浆管下沉到达设计标深度后，接通高压水管、空压管，开动高压泥浆泵、空压机和钻机开始工作，并用仪表将压力、流量和风量调整到预定数值，然后进行提升和旋转，当旋喷管位置接近桩顶时，从桩顶以下1 m开始，调整速度进行慢速提升旋喷至桩顶停浆面。

8)补浆。喷射注浆完成后，由于浆液出现析水现象，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，对地基的加固及防渗补水极为不利。因此，需要在喷射结束后在喷射管灌浆使浆面不再下沉。

9)清洗机具。喷射完成后，拔出注浆管，用清水把泥浆泵、注浆管、高压胶管、泥浆搅拌管进行冲洗，并将黏附在喷浆管头上的杂物处理干净。

10)移位。移动进行下一根桩的施工。

11)废浆处理。在施工场地设置废液池，将注浆过程中产生的废弃浆液都抽排汇入到废液池中，当浆液都凝固结块后再进行外运处理，保证施工过程中场地的整洁。

4 工法特点

相比传统的二重管及三重管法施工，本工程采用双轴施工，一杆到底，同时完成两根咬合旋喷桩作业，减少了止水帷幕搭接接头。利用钻杆移动时，高压水泥混合在压缩空气为介质的条件下进行旋喷，与切割土体混合凝固形成咬合形式的旋喷桩止水帷幕。形成的止水帷幕强度和防水效果都很好，能够为后续基坑开挖作业提供一个干燥的环境，保证开挖工作安全进行，从而加快施工进度，减少环境污染。其技术关键特点在于以下方面：

1)搭接接头减少，止水效果好。双轴施工可以同时完成两根咬合旋喷桩作业。较常规施工方法而言，操作简单，减少止水帷幕搭接接头，对建筑工程基坑止水防渗效果更为显著，为基坑开挖施工安全增加保障。

2)浆压大、流量大、桩径大。新二重管法以压力大于35 MPa的高压水泥浆和0.8 MPa左右压缩空气作为介质，随着钻杆的提升和旋转进行旋喷，混合体凝固后形成咬合旋喷桩止水帷幕，成桩质量较好，直径可达1 m。

3)速度快、质量高。新二重管旋喷桩双轴施工方法，在外部条件允许的情况下，采用一杆到底的施工方法，操作简单。这样既可提高施工速度，又可提高成桩质量，成桩速度快，桩身垂直度控制较好。

4)节约材料、减少污染。新二重管旋喷桩双轴施工方法进行防渗处理，较常规二重管和三重管都有较大的优势。该方法在保证旋喷桩施工质量的同时，节约水和水泥用量，降低工程造价，减少废弃泥浆排放量，降低环境污染。

本项目综合考虑工程实施中遇到的难点，通过对施工方法调整，采用新二重管高压旋喷桩双轴施工方法进行防渗处理，施工质量较好，环境污染程度较轻，较常规二重管和三重管都有较大的优势。

5 施工效果

5.1 成桩效果

先根据设计的配比和喷浆量在试验点进行打桩试验，根据试桩试验的结果，对材料的配比和添加量、仪器设备的转速、提速、压力等相关施工参数进行调整以保证围护桩的质量和效果。

在施工完成后对帷幕桩进行了现场检查验收，经检查，桩身质量较好，水泥和土体混合均匀。

5.2 防渗效果

为了保证基坑开挖过程中的安全，项目对整个施工过程实施了现场监测，监测的内容分为两大部分，包括围护结构本身的监测和相邻环境的监测。其中针对地下水位的监测可以对地下结构开挖期间或开挖后支护结构的止水状态进行监控，防止支护结构渗漏水引起大量水土流失，从而导致周围地面沉降、周边建筑物破坏或地下管线破坏，同时也可以用来检验止水帷幕的防渗效果。

针对地下水位的监测从基坑开挖第一层土开始，进行了为期一月两天一次的监测，后来则进行一天一次的监测一直持续至2018年12月份，期间市民健身中心站地下水位监测点监测数据变化量较小，变化速率和累计变化量均在可控范围内。表4为市民健身中心站地下水位监测报表，图7为地下水位累计变化曲线图。

表4 市民健身中心站地下水位监测报表

从监测结果来看，该工法在青岛市地铁8号线市民健身中心站得到了成功应用。施工的成桩质量较好，提高了旋喷桩止水帷幕施工质量，且形成的止水帷幕对建筑工程基坑止水防渗效果更为显著，有效控制了基坑开挖侧壁渗漏水严重的问题，为后期基坑开挖支护提供干槽作业环境，保障基坑开挖安全施工。

通过项目的成功实施，表明此施工工法已具备了较高的成熟度与可靠性，在保证旋喷桩施工质量的同时，又能降低施工成本、加快施工进度同时还能够减少环境污染。

6 结语

新二重管高压旋喷桩双轴施工工法在青岛市地铁8号线(B1包)土建07工区市民健身中心站得以成功应用，证明了该工法可用于滨海堆积区，并适用于水文地质以地下水位高、渗透系数大、工程地质穿越回填土、淤泥质地层、强风化岩层的复杂综合地质环境的基坑工程。

从施工效果来看，该工法保证了施工的质量和安全，在防渗方面也有较好的表现，除此之外对环境造成的污染程度也较轻，相较于传统常规二重管和三重管，对高水位大渗透特殊地质条件下的基坑施工效果更好，实现了质量、工期、安全、环保理念，符合国家提倡的绿色生产，经总结形成了一套成熟的施工工艺，有广泛的推广应用前景。