旋喷桩在顶管工程软弱土体加固中的应用

韩月波，苗晶露

（天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204）

1 背景介绍

我国工程建设中经常会遇到软弱土层，尤其在滨海地区。这些地区软弱土层大范围存在，具有土层含水量高、抗剪强度低、压缩性大、渗透系数小等特点，无论作为建筑物基础或是地铁、箱涵等盾构、管道顶进的承载土体，其处理方式均是工程中的重点和难点。旋喷桩作为处理软弱土层的一种有效方法，目前许多学者已经进行了研究。杨凤灵等[1]采用现场试验的方法研究高压旋喷桩对提高地基承载的作用，得到高压旋喷桩复合地基在垂直荷载作用下桩、土共同承担上部荷载，能大幅度提高地基承载力的结论。苏弦[2]通过工程实践指出高压旋喷桩对软土地基是一种有效的地基加固方法，可以提高软土地基强度和承载力。林赞波[3]介绍了采用高压旋喷桩进行顶管基础加固处理的方法，工程实践证明高压旋喷桩加固顶管基础可有效提高软弱土层强度，避免顶管施工过程中出现“冒头”“下沉”等施工问题，以保证顶管施工质量。

笔者通过天津市南水北调中线滨海新区供水一期工程穿越紫阳道泥浆池工程实例，对采用旋喷桩技术处理软弱土体的案例进行介绍，为同类项目设计与施工提供借鉴。

2 基本情况

2.1 工程概况

天津市南水北调中线滨海新区供水一期工程是天津市内输配水工程的重要组成部分，工程任务是向天津市滨海新区的永定新河以南地区输送引江原水。

输水工程起点位于南水北调中线天津干线末端的曹庄泵站，终点为天津市东丽区津滨水厂，管线沿西南外环绿化带、海河右堤脚布置，总长约36.2 km。输水干线全长约34.7 km，输水规模为22.3 m3/s，采用2 根直径2 600 mmPCCP 管道，局部辅以钢管，工作压力0.5 MPa，管顶覆土厚2.0～3.0 m，两管中心距4.5～6.0 m。津滨水厂支线全长约1.5 km，输水规模为6.3 m3/s，采用1 孔直径2 200 mmPCCP 管道，局部辅以钢管。

2.2 紫阳道泥浆池概况

紫阳道与煤气厂铁路之间为取土坑，坑内注满了工程泥浆废料，四周回填了工程垃圾和生活垃圾。泥浆池长约400 m，宽约60～130 m，一侧紧邻外环河右堤，另一侧为垃圾回收站，池面高程1.8～3.8 m，池底高程-1.2～-5.72 m。

3 地质勘探成果分析

为了精确掌握泥浆池池底高程、土质情况，开展补充勘查为穿越设计提供依据，也为施工设备进出场提供条件，沿管线路径填土筑路。筑路范围为两管道外层各5 m，筑路后地面高程3.58～4.07 m。泥浆池范围400 m 内沿管线布设4 个静探孔，桩号为S2+900、S3+020、S3+215、S3+265。经静探，各土层分布情况详见表1。

表1 勘探成果

静探结果显示，桩号S2+900—S3+265范围内全部为泥浆池，中间最深，两端略浅，池底最深高程为-5.72 m，泥浆厚度达8.3 m。管道布置应尽量埋于原状土中。

4 穿越工程设计

4.1 穿越方案比选

从设计角度上，紫阳道泥浆池穿越可选择调线方案、换填明挖方案和顶管暗挖方案。其中，调线方案简单、安全，但是受规划用地限制无法实施；换填明挖方案需要进行泥浆置换和回填土预压，由于征地困难、施工进度限制等原因难以实施；顶管暗挖方案虽然也存在泥浆池土体加固、顶管两端斜管段稳定、两侧深顶坑支护等难题，但是都可以通过工程措施进行处理。顶管暗挖方案不仅满足工程进度要求，工程投资相对明挖方案增加较少，而且主要增加在管道等主体工程保护上，因此推荐该方案。

4.2 地质条件分析及处理措施

顶管适宜在地层岩性稳定，土质均匀、软硬适中的地质条件下穿越。穿越管体在原状土层中穿越，上覆土层较厚，自重应力大，管周围压大，管侧摩阻力较大；加上泥浆层厚度7 m 左右，结构力小，不能自稳，直接作用在管顶上部2 m 厚原状土层上，增加了管上土层压力，从而增大了管围压和管周摩擦力。顶管线路长约400 m，摩擦力随之会更大，增加了施工难度，可能会顶不动，若增大注浆压力则会对管周土扰动范围过大，导致管道上浮。

为此，采取如下工程处理措施：①加密注浆管，减小注浆压力，可保证输水管周围土体润滑层厚度不致过大且稳定，应力均匀，从而确保钢管不易偏斜；②缩短顶管距离，分段施工；③采取必要措施加固管周土体，保证管道顶部形成土拱，减小上部泥浆荷载压力。

4.3 顶管中心高程确定

紫阳道泥浆池顶管高程的确定受到以下三方面因素影响。

（1）顶管必须在原状土层中顶进。地勘资料显示，紫阳道泥浆池底高程为-5.72 m，因此顶管应在-5.72 m以下施工。

（2）根据《给排水顶管施工规程》（CECS 246-2008）要求，管顶覆盖土层厚度在不稳定土层中宜大于管道外径的1.5 倍，并应大于1.5 m。本工程管径2.6 m，覆土厚度应不小于4.0 m。但是，按照管道埋深在淤泥底以下4.0 m 设计，考虑到管中心高程为-11.0 m，管顶总的覆土厚度约为13.2 m，由此初步进行钢管结构计算，极限壁厚40 mm 的钢管也很难满足该设计条件的结构安全，因此顶管高程应适当上抬。

（3）顶管段两端连接管段埋深较浅，顶进深度越大，两端斜管段高差就越大，衔接管段稳定性也越差，施工也更困难。因此，在条件允许下应尽量减小管道埋深，同时减小衔接管段高差。

根据以上三方面分析，拟定管中心高程为-9.0 m，淤泥底以下覆土厚度为2.0 m，大于《给排水顶管施工规程》（CECS 246-2008）要求的1.5 m。但是，由于原状土层厚度太小，无法形成土拱，为保障顶管施工的顺利进行、避免顶管机头上抬或者偏移和保证管道安全，需对土体进行加固处理。

4.4 顶进长度确定

紫阳道泥浆池总长约400 m。为了减小顶进的摩阻力、降低注浆压力、避免注浆压力过大顶穿原状土层造成管道上浮或偏斜，确定顶管段由两端向中间顶进，中间设接收坑，两端顶进各200 m。

5 土体加固方案

5.1 加固范围

泥浆坑内主要为建筑用废弃泥浆，呈流塑状态。为了保证顶管安全，考虑坑底高程极不规则，确定加固范围为整个顶管段，长度400 m，宽度为管道外皮外各4.5 m，深度为管底以下2.4 m、管顶以上4.0 m，总深度9.0 m，如图1—2所示。

图1 土体加固纵断面

图2 土体加固横断面

5.2 加固方案

水泥搅拌桩由于设备高、重量大，成孔困难，达到设计强度标准所需周期长，所以土体加固不宜采用。高压旋喷桩适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、黄土、砂土、素填土和碎石土等地基，具有处理深度较大（国内目前处理深度30 m 以上）、施工设备简单、轻便、噪声和振动小、施工速度快、机械化程度高和成本低用途广等优点，在国内外已经得到广泛应用[4]。基于以上优点，考虑到管顶泥浆池内填土筑路强度可以满足高压旋喷桩施工要求，所以推荐采用该桩型进行土体加固。

泥浆池顶管段加固范围大，高压旋喷桩工程量相应较大。为了避免高压旋喷桩施工浪费和加固土体强度过高造成顶进困难，因此对不同水泥掺量的高压旋喷桩进行试桩，并委托有资质的相关单位对试验桩抽芯检验。试验报告成果如下：高压旋喷试验桩共计10 根，水泥掺量5%的1 根、8%的2 根、10%的2根、12%的3根、15%的2根，桩径585～615 mm，平均桩径600 mm，各抽芯芯样基本情况如下。

（1）地表以下2.0～3.0 m桩身范围内，含灰量大，芯样成短柱状或散体状，强度较高，均匀程度一般。

（2）地表以下3.0～8.0 m桩身范围内，含灰量大，芯样成柱状，含灰均匀，芯样强度约在0.55～2.0 MPa，上部强度大，下部强度低。高压旋喷试验桩芯样无侧限抗压强度，详见表2。

表2 高压旋喷桩无侧限抗压强度统计 MPa

（3）地表以下8.0 m桩身范围内，含灰量较少，芯样成柱状，含灰基本均匀，芯样较软。

（4）水泥掺量较大的桩，从抽芯结果看比其他桩身的芯样含灰及强度略高，但不明显。

拟定的加固范围高压旋喷桩长度9.0 m，顶进处为桩身4.0～7.0 m 位置，正是高压旋喷桩含灰均匀、强度较大的部位，因此加固范围和顶进高程比较合理。根据不同水泥掺量旋喷桩的强度比较，选择水泥掺量12%的高压旋喷桩进行加固，强度适中，管道上部土体强度较高，可以形成土拱，减小管顶覆土压力；管周加固土体强度略低，便于顶进施工。采用桩径0.6 m、间距0.5 m、咬合0.1 m 的布置方案，可以达到土体均匀加固的目的，避免局部土体强度过高或过低而造成施工困难。

6 结语

实践证明，紫阳道泥浆池土体加固设计方案节省了工期，保证了工程顺利实施，加固后的土体对主体管道具有保护作用。通过试桩检验，分析确定了高压旋喷桩加固范围、水泥掺量等主要参数，在工程实际中验证了其取值的合理性，施工顶进效果良好。