高压旋喷桩止水帷幕在工程中的应用

□北京城乡建设集团工程承包总部  宋立艳 党淑凤 胡美瑜

【摘  要】 常营三期剩余地块公共租赁住房项目一标段工程，包括住宅楼及配套，其中2^#地下车库及6^#、7^#住宅楼基槽内的集水坑和电梯井（共17座）基底标高在地下水位以下。考虑到降水施工对支护系统的威胁及对基底的扰动，决定采用高压旋喷桩止水帷幕进行止水，坑内疏干井配合施工的方案。该方案经过与各类其他方案对比，即保证了基坑安全，且经济合理。

1   工程概况及地质条件

1.1 工程概况

常营三期剩余地块公共租赁住房项目一标段工程位于北京市东五环外朝阳区常营乡，包含5^#-7^#住宅楼、15-18^#配套商业、13^#小学、1-2^#地下车库、1^#人防出入口、19^#开闭站。其中2^#地下车库和6^#、7^#住宅楼基本设计条件见下表：

表一  基本设计条件一览表    

1.2 地层岩性及分布特征

根据现场勘察及室内土工试验成果，将本次勘探深度范围内(最深50.00m)的地层，按其成因年代划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类，并按地层岩性及其物理力学数据指标划分为9个大层及亚层，现分述如下。

表层为人工堆积之厚度0.40～5.60m的房渣土、碎石填土①层，粘质粉土素填土、粉质粘土素填土①1层。

人工堆积层以下为第四纪沉积之粘质粉土、砂质粉土②层，粉质粘土、重粉质粘土②1层，粘质粉土、砂质粉土②2层；粉质粘土、重粉质粘土③层，粘质粉土、砂质粉土③1层及粉砂③2层；细砂、中砂④层，粉砂、细砂④1层及粘质粉土、粉质粘土④2层；粉质粘土、粘质粉土⑤层，重粉质粘土、粘土⑤1层，粘质粉土、砂质粉土⑤2层及细砂⑤3层；细砂、中砂⑥层，粉质粘土、重粉质粘土⑥1层，圆砾⑥2层，砂质粉土⑥3层；粉质粘土、粘质粉土⑦层，有机质粘土、有机质重粉质粘土⑦1层，细砂、中砂⑦2层及粘质粉土、砂质粉土⑦3层；细砂、中砂⑧层及粘质粉土、粉质粘土⑧1层；粘质粉土、粉质粘土⑨层及重粉质粘土、粘土⑨1层。

1.3 水文地质条件

1.3.1 勘探期间实测地下水位

勘探期间(2012年2月及8月)于钻孔内实测到3层地下水，各层地下水水位情况及类型参见下表。

表2  地下水水位量测情况一览表         

根据场区地层及区域地下水位长期监测资料分析，工程场区埋深6m内的粉土层具有赋存台地潜水的条件。受场区环境条件、勘探季节等因素影响，本次勘探钻孔内未测到该层地下水。

1.3.2 地下水位动态变化规律

工程场区台地潜水天然动态类型属渗入－蒸发、径流型，主要接受大气降水入渗及管道渗漏等方式补给，以蒸发及地下水侧向径流为主要排泄方式，其水位年动态变化规律一般为：6～9月份水位较高，其他月份水位相对较低，其水位年变幅一般为4～5m。工程场区层间水天然动态类型属渗入－径流型，主要接受地下水侧向径流方式补给，以地下水侧向径流及越流为主要排泄方式，其水位年变幅一般1m左右。

工程场区承压水（第1层承压水受区域地下水位下降影响，局部显潜水特征）天然动态类型属渗入－径流型，主要接受地下水侧向径流及越流等方式补给，以地下水侧向径流及人工开采为主要排泄方式，其水位年动态变化规律一般为：11月份至第二年3月份水位较高，其他月份水位相对较低，其水位年变幅一般为3～4m。

历史高水位调查：

拟建场区1955年以来最高地下水位接近自然地面；近3～5年最高地下水位标高为25.00m左右。

拟建场地地层及地下水情况如图1所示。

图1 拟建场地地层及地下水情况图

2  方案选择

据现场实测（2013年6月4日），地下水位埋深为-12.50m（绝对标高15.1m），现场基坑大部分基底标高为-11.8～-12.01m，均位于地下水位约0.50m以上，只有2^#地下车库集水坑及电梯井基底标高为-12.55m～-13.05m，和6^#、7^#电梯井及集水坑基底标高为-14.30m，位于地下水位约1米以下。因此，局部必须采取降水或止水措施，才能确保下道工序正常施工。

根据勘察报告，基底以下为细中砂④层，细中砂④层以下为相对隔水层粉质粘土、粘质粉土⑤层。由于当时土方已挖至基底标高以上约1.0m，地下水易造成流砂，降水井可能造成地面塌陷，扰动地基土。尤其在基坑系统附近进行降水井施工，成井过程对护坡桩和土钉墙支护系统将造成较大威胁，风险过大，后果严重，因此基坑支护系统附近不宜选取降水方案。经与其他方案对比，为确保基坑安全和降水效果，最终决定采用高压旋喷桩止水帷幕止水方案。在止水帷幕完成后，为尽快满足土方开挖条件，在集水坑、电梯井中部设一口管井，疏干止水帷幕内残余水。管井深度6.0m，管井开孔600mm，孔内设400mm无砂滤管，壁厚50mm，无砂滤管周围填充滤料。管井成井后进行抽水作业。集水坑、电梯井土方完成后采用级配砂石将管井回填。

根据现场实际情况和集水坑、电梯井深度及位置，决定在6^#、7^#住宅楼集水坑和2^#车库北侧靠近护坡桩位置的集水坑及比较深的电梯井采取高压旋喷桩止水帷幕方案。

3  止水帷幕设计

3.1高压旋喷桩止水帷幕简介

止水帷幕是工程主体外围止水系列的总称。是用于阻止或减少基坑侧壁及基坑底地下水流入基坑而采取的连续止水体。常见的止水帷幕有高压旋喷桩止水帷幕和深层搅拌桩止水帷幕。

旋喷桩兴起于二十世纪七十年代的高压喷射注浆法，八、九十年代在全国得到普遍应用。实践证明，此法对处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、沙土、人工填土、碎石土及防渗等，具有良好的效果。高压旋喷桩施工技术是利用钻机，把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后即在地基中形成比较均匀、具有一定强度（0.5～8.0PMa）的圆柱体，达到加固地基和防渗的目的。

高压旋喷桩止水帷幕设置在集水坑或电梯井开挖线外约1.0m左右，止水帷幕深度进入粉质粘土、粘质粉土⑤层约1.0m。如图2所示。

图2 典型桩位剖面图

高压旋喷桩止水帷幕设计：止水帷幕设计桩径600mm，搭接咬合200mm，根据相对隔水层埋深情况，2^#地下车库设计施工桩长7.5m，6^#、7^#住宅楼设计施工桩长8.30m。以高压旋喷桩桩底进入粉质粘土、粘质粉土⑤层约1.0m为准，形成闭合止水帷幕体系。如图3所示。

图3 旋喷桩布置示意图

采用喷射注浆，注浆压力为20MPa，水灰比为1.0～1.2。由于细中砂④层比较密实，钻进困难时采取引孔钻机解决。

3.2工艺特点

（1）施工机具设备简单，施工简便。

（2）具有较好的耐久性，且料源广阔，价格低廉。

（3）噪声小，无污染。

（4）高压喷射流切割破坏土体作用。喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体，使土体出现空穴，土体裂隙扩张。

（5）混合搅拌作用。钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷嘴移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动，与浆液搅拌混合形成新的结构。

（6）充填、渗透固结作用。高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。

（7）压密作用。高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并可对土层产生一定压密作用，使旋喷桩桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。旋喷桩固结体情况如图4所示。

3.3工艺原理

高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液为20MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。

根据喷射方法的不同，喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。本工程采取单管法，单层喷射管，仅喷射水泥浆。

单管旋喷桩机注浆施工示意如图5所示。

3.4工艺流程

高压旋喷桩施工工艺流程如图6所示。

4 操作要点

4.1施工前准备

（1）在设计文件提供的各种技术资料的基础上作补充工程地质勘探，进一步了解地基土的性质、埋藏条件。

（2）准备充足的水泥加固料和水。水泥的品种、规格、出厂时间经试验室检验符合国家规范及设计要求，并有质量合格证。严禁使用过期、受潮、结板、变质的加固料。一般水泥为普通水泥32.5，水为自来水。

（3）试桩试验。根据试验确定的施工喷浆量、水灰比，制备水泥浆液，在试验点打1～2根试桩，并根据试桩结果，调整加固料的喷浆量，确定搅拌桩搅拌机提升速度、搅拌轴回转速度、喷入压力、停浆面等施工工艺参数。

（4）施工前先进行场地平整。

（5）按照设计图纸进行桩位放线，止水桩桩位放线依据设计图纸及测绘院给定的桩位坐标，用木桩定出桩位，用白石灰做出明显标识。经复核及监理工程师检验合格后，方可进行钻孔。做好桩位控制线图，记录控制线与桩位之间的距离，以便及时恢复桩位，进行检验。施工时，注意对控制线的保护。

4.2施工工艺

钻机就位——→钻孔——→旋喷桩机就位——→插管——→高压旋喷注浆——→拔管——→机具冲洗——→桩机移位

（1）钻机就位：移动钻机到指定桩位，将钻机安放在设计孔位上，要求平稳、竖直，垂直误差小于1.5%。同时，开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。根据现场试验桩实际水泥用量及现场搅浆设备的容量，确定水泥和水的放入量，并派专人监督、检查，确保水灰比。首先将水加入桶中，再将水泥和外掺剂倒入，开动搅拌机搅拌10～20分钟，搅拌浆液必须在各种机具设备试运转正常后进行，并防止浆液沉淀。而后拧开搅拌桶底部阀门，放入筛网（孔径为0.8mm），过滤后流入浆液池，待压浆时备用。

（2）钻孔：采用地质钻机进行预钻孔，钻孔过程中应详细测量并记录实际孔位、孔深及地层变化情况。在钻进过程中，不可进入太快，由于采取泥浆护壁，因此，要给一定的护壁时间。预钻孔钻至设计深度，要求钻孔位置与设计孔位偏差小于50mm。

（3）旋喷桩机就位：预钻孔完成后，进行提钻移机，旋喷桩机就位，要求桩机安放平稳，钻杆保持垂直，其倾斜度不大于1.5%。

（4）插管：将旋喷管垂直插入到预定深度。插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可采取边射水边插管的办法，但要控制水压力小于1Mpa，以防孔壁坍塌。

（5）高压旋喷注浆：

①施工前检查注浆设备和管路系统，并进行调试，压力和排量必须满足设计要求，管路系统的密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂物；吸浆软管必须采用铠装橡胶管，高压泵与钻杆间由耐高压软管连接。接头使用高压卡口接头，并有密封圈压紧。

②喷射注浆时，先空载启动高压泵，并同时向孔内送水，使泵压逐渐升高至规定值。待畅通后，开始注浆。待水泥浆的前峰已流出喷头并在孔口返浆后，再开始提升注浆管，自下而上连续进行喷射注浆。

③注浆过程中必须时刻注意检查注浆压力、旋转和提升速度等参数是否符合要求，并且做好记录。

⑤喷射注浆过程中如需拆卸注浆管，应先停止提升、回转和送浆，然后逐渐减少水量，最后停机。拆卸完毕继续喷射注浆时，开机顺序也要遵守前面的规定，同时，旋喷管分段提升的搭接长度不小于0.2m，以防旋喷体脱节。

⑥喷射注浆结束后，对旋喷体顶部浆液析水收缩出现的凹穴，应及时用水泥浆补灌。

现场高压旋喷桩施工情况如图7所示。

图7 现场高压旋喷桩施工

（6）拔管：喷射注浆桩达到设计深度后，继续用注浆泵注浆，待浆液达到设计要求的超灌量后，即可停止注浆，然后将注浆泵的吸水管移至清水箱，抽吸一定量的清水将注浆泵和注浆管路中的浆液顶出，然后停泵。拔管要迅速，不可久留孔中。

（7）机具冲洗：卸下注浆管后，向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至基本干净，并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。注浆泵、送浆管路和浆液搅拌机等都要用清水清洗干净。

（8）桩机移位：移动桩机进行下一根桩的施工。

4.3主要施工技术参数

（1）浆液压力20MPa，浆液比重1.30～1.49，旋喷速度20r/min，提升速度0.2～0.25m/min，喷嘴2个，喷嘴直径2～3mm，浆液流量80～100L/min。注浆管外径45 mm。

（2）水泥用量为150～175kg/m，水灰比为1.0～1.2。

（3）高压旋喷桩止水帷幕设计桩径600mm，搭接咬合200mm。

（4）高压旋喷桩止水帷幕设计桩长（以止水帷幕桩底进入粉质粘土、粘质粉土⑤层约1.0m）：

    2^#地下车库施工桩长7.5m（施工场地标高按-11.50m计算）；

    6^#、7^#住宅楼施工桩长8.30m（施工场地标高按-10.85m计算）。

5  质量控制要点

（1）正式施工前应认真做好试桩工作，确定合理的施工技术参数和浆液配比。

（2）旋喷注浆过程中，冒浆量小于注浆量的20%为正常现象，若超过20%或完全不冒浆时，应查明原因，调整旋喷参数或改变喷嘴直径。

（3）钻杆旋转和提升必须连续不中断，拆卸接长钻杆或继续旋喷时要保持钻杆有10～20cm的搭接长度，避免出现断桩。

（4）在旋喷注浆过程中，如因机械故障中断注浆，应重新钻至桩底设计标高后，重新旋喷注浆。

（5）制作浆液时，水灰比要严格按设计控制，不得随意改变。在旋喷注浆过程中，应防止泥浆沉淀，浓度降低。不得使用受潮或过期的水泥。浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时，应有筛网进行过滤，过滤筛孔要小于喷嘴直径1/2为宜。

（6）在旋喷注浆过程中，若遇到孤石或大漂石，桩可适当移动位置（根据受力情况，必要时可加桩），避免畸形桩或断桩。

（7）旋喷注浆过程中，应按要求做好施工记录。

6 结语

（1）该项施工中应注意控制高压旋喷桩的搭接效果（主要是桩间距和桩垂直度控制）和桩长。

（2）当旋喷管提升接近桩顶时，桩头部分需要进行处理，应从桩顶以下1.0m开始，慢速提升旋喷，旋喷数秒，再向上慢速提升0.5m，直至桩顶浆面。

（3）在高压旋喷桩止水帷幕施工过程中，实际现场开挖未发现大面积渗水、漏水、涌水及流砂现象，高压旋喷桩止水帷幕均达到设计及施工止水要求。

（4）由于工期紧、工程重要性程度高，在进行高压旋喷桩止水帷幕设计和施工中，遵循技术可行、安全可靠、经济合理的原则，因地制宜地采用此种高压旋喷桩止水帷幕，既满足了基坑开挖施工的需要，又保证了周边环境安全，也节省了投资，取得了良好的技术经济效果。

（5）此次高压旋喷桩止水帷幕施工，成功解决了复杂环境下不便直接降水的难题，为今后大面积基坑止水施工积累了经验，提供了参考。

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院. JGJ 120-2012建筑基坑支护技术规程[S] . 北京:中国建筑工业出版社，2012.

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