富含地下水的巨厚砂層圍護結構施工技術

張 魯 ，王義軍

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕作為地鐵車站的圍護結構目前應用比較廣泛，但在富含地下水的巨厚砂層中以鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕作為圍護結構進行深基坑施工的結構形式極其少見，且常用于軟土地區的基坑圍護。本文在某大廈深基坑工程的設計與實踐［1］、無錫蘇寧廣場三軸水泥土攪拌樁施工技術［2］的研究基礎上，進一步研究如何保證鉆孔灌注樁在厚砂層中不坍孔和相鄰三軸攪拌樁進入風化巖層、阻斷隔水層的施工設備改進和技術參數。

1 工程概述

南昌市軌道交通1號線珠江路站外包總長度467.2 m，設計為地下2層的島式站臺車站，采用單柱雙跨或雙柱三跨的鋼筋混凝土箱形結構，標準段內凈寬17.7 m，基坑挖深 15.51 m，南北兩端頭井凈寬23.1 m，開挖深度分別為16.8 m 和 17.8 m，車站主體和附屬都采用明挖順作法施工，中心里程處頂板覆土深度約為2.5 m。

工程所處地區距離贛江僅800 m，地質條件復雜(10～12 m厚的砂層，滲透系數為10－7m/d)，地下水位埋深4.16～6.50 m，地下水主要受贛江水體的側向補給，地下水量豐富。

圍護結構采用 φ 1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁+φ 850@600 mm的三軸攪拌樁止水帷幕，鉆孔樁與攪拌樁間隙采用雙液注漿加強止水。鉆孔灌注樁樁長為23 m和23.6 m，嵌入中風化巖層不小于3 m，三軸攪拌樁進入中風化巖層50 cm(樁長約21 m)。

2 工程地質及水文環境

2.1 工程地質

施工場區大地構造隸屬我國東部華南揚子準地臺南緣，緊鄰華南加里東褶皺帶，地質構造復雜，斷裂及其裂陷盆地均很發育。處于江南臺隆構造單元的萍鄉—樂平臺陷北緣，構造上主要受贛江大斷裂控制，第四系覆蓋層以下的白堊系及下第三系中存在著一些北東向、近南北向和北西向緩傾斜背斜和向斜構造。

場地地層由人工填土、第四系全新統沖積層、下部為第三系新余群基巖。按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為①2素填土、②1粉質黏土、②2粉砂、②2－1淤泥質粉質黏土、②4中砂、②5粗砂、②6礫砂、⑤泥質粉砂巖(見圖1)。

圖1 地層特性及特征表Fig.1 Characteristics of stratum

2.2 水文環境

本工程擬建場地根據地下水含水空間介質和水理、水動力特征以及賦存條件，地下水類型主要為上層滯水、松散巖類孔隙水和紅色碎屑巖類裂隙孔隙水。

上層滯水主要賦存于填土層之中，主要接受降雨入滲補給、下水管的滲漏補給，水位及富水性隨氣候變化大，無連續的水位面。

松散巖類孔隙水主要賦存于第四系全新統沖積層的砂礫石層中，為潛水，地下水位埋深較淺。水位埋深4.10 ～6.50 m，標高14.10 ～15.46 m。地下水位埋深年變幅1～3 m，地下水主要接受贛江水體的側向補給，受人為開采影響較小，平水季節及枯水季節，地下水向贛江排泄;汛期，贛江補給地下水，地下水與贛江水力聯系密切，地下水量豐富。

3 鉆孔灌注樁施工技術

3.1 試樁研究

為確保鉆孔灌注樁成孔過程不塌孔，避免影響相鄰鉆孔灌注樁和三軸攪拌樁的成樁。進行鉆孔灌注樁試成孔施工:

1)核對地質資料，檢驗所選設備、機具、選擇合理的施工工藝和參數。

2)監測孔壁的穩定性。

3)確定施工參數。

3.1.1 試驗過程及措施

1)準備優質膨潤土或黏土，使其易于成漿，縮短攪拌時間，膨潤土或黏土在水中浸透并攪拌均勻，在鉆進前空轉30 min，使其產生充足的原漿。

2)在鉆進過程中放慢鉆進速度，特別是在粉砂、中砂、粗砂及礫砂地層，應盡量控制進尺速度，保持4 m/h的進尺，以確保形成良好的泥漿護壁及樁孔垂直度。

3)控制孔內泥漿面高度不低于護筒底以上20 cm，以免出現塌孔現象。地下水位標高為14.1～15.46 m，護筒頂標高一般為19～19.5 m，保證孔內泥漿液面標高(19 m左右)，提高孔內的水壓力，使孔內形成正壓，有利于泥漿黏附于孔壁上，達到更好的護壁效果。

4)加強泥漿工藝參數的采集和控制，鉆機在穿越砂層時，及時檢測泥漿比重、黏度和含砂率。若發現黏度下降，及時在孔內投放膨潤土或優質黏土［3－5］。

5)調整泥漿比重，新漿比重控制在1.1～1.3 g/ml之間，循環泥漿比重控制在1.2～1.5 g/ml之間，必要時加入適量重晶石，且盡量選用優質膨潤土或黏土泥漿護壁［3－5］。

6)在淤泥質黏土、粉土中鉆進，由于泥漿黏性大，鉆錐所受阻力也大，易糊鉆。易選用尖底錐鉆，中等轉速、大泵量、稀泥漿鉆進;相同的，在砂、礫層中鉆進也選用尖底錐鉆，反循環鉆進，來提高進尺速度。

7)成孔過程中，必須嚴格控制樁壁的垂直度，不大于1/100，且加鉆桿時，可每次增加1.5 m鉆桿進行鉆進，以免磨盤以上重量偏大造成鉆機上部晃動過大，出現擴孔或偏斜。如發現偏斜，應立刻進行糾偏，確保樁壁的垂直度。

8)接、卸鉆桿的動作要迅速，以免停鉆時間過長，造成孔壁坍塌。

9)導管安裝完成后，進行清孔，直接從導管中泵入泥漿，采用反循環換漿、清渣，清孔時間為20 min左右，根據現場實際情況確定，保證樁底沉渣厚度≤100 mm。

3.1.2 試驗結果

1)樁孔無坍方，地面以下19～20 m范圍(礫砂層)內局部出現5 cm左右的擴孔。

2)該樁孔護壁在進行超聲波檢測時能形成較完整的波段，表明該樁孔護壁效果良好，所配置的泥漿可以滿足該種地質樁孔護壁的要求。

3)該樁孔垂直度總偏差為10 cm，地面至以下20 m范圍向西側傾斜5 cm，地面以下20 m位置至孔底范圍向南側傾斜5 cm。

樁孔垂直度檢測計算結果見表1。

表1 樁孔垂直度檢測計算Table 1 Measurement and calculation of pile hole

3.2 經驗總結

根據試驗得出的技術數據，并通過對826根鉆孔灌注樁的施工不斷進行技術參數調整和總結，分析得出鉆孔灌注樁在巨厚砂層地質條件下的施工工法和參數。

3.2.1 施工方法

采用GPS－15型鉆機(鉆頭選用雙腰帶三翼籠式合金鉆頭)，正、反循環相結合回轉鉆進、清孔工藝，泥漿(根據地層土質的區別采用原土造漿和人工拌制添加膨潤土泥漿)護壁和導管法灌注水下混凝土。

3.2.2 施工技術

10～12 m厚的砂層，地質條件較特殊，為保證鉆孔樁施工質量，在0～7 m的鉆進過程中采用正循環鉆進施工;當鉆進至砂層時，改用泵吸反循環鉆進施工［6］。

1)采用正循環鉆進的地層。0～7 m范圍內為素填土和黏土層，采用正循環鉆進，具備一定的自造漿能力，可以補充和優化部分泥漿，保持泥漿的良好性能。

2)采用反循環鉆進的地層。①鉆進砂層和風化巖層后，在砂層中鉆進不能自生成護壁泥漿。②正循環鉆進是從泥漿池里將泥漿通過鉆桿輸送到孔中，護壁漿液再從樁口自然地溢出循環，循環過程中同時把鉆渣帶出來，帶動過程中對孔壁形成的泥皮會產生一定的沖刷，不利于泥漿護壁，尤其在厚砂層中會嚴重坍孔。③正循環這種自然循環的排渣方式只能排出一部分鉆渣，對于較大顆粒的石渣無法通過循環排出去，而反循環是將渣土從鉆桿中間的管道直接抽出，具有良好的排渣能力，并且不會對形成的泥皮產生沖刷，可以把顆粒很大的石子吸出。

3.2.3 施工參數

選取具有代表性相同的地質情況的鉆孔灌注樁進行施工參數分析。結果見圖2和圖3，表2和表3。

圖2 鉆進曲線圖Fig.2 Drilling curve

圖3 成樁工序時間圖Fig.3 Pile forming process

表2 鉆進速度匯總表Table 2 Summary of drilling speed

表3 二清泥漿性能指標Table 3 Secondary-cleaning slurry performance

鉆孔灌注樁的成樁質量按表4技術參數進行控制。

表4 鉆孔樁施工技術參數表Table 4 Construction parameters of cast-in situ concrete pile

4 三軸攪拌樁施工技術

4.1 施工方法

攪拌樁止水帷幕采用三軸攪拌機進行施工，鉆機選用日本進口的DH－608型三軸攪拌樁機，材料采用P42.5級普通硅酸鹽水泥。三軸攪拌樁采用跳槽重復套打的連接方式施工［2，7］，施工順序見圖 4。

圖4 攪拌樁施工示意圖Fig.4 Construction of mixing pile

其中陰影部分為套打1根攪拌樁，保證止水帷幕的連續性和接頭的施工質量，三軸攪拌樁的搭接以及施工設備的垂直度修正是依靠重復套鉆來保證，從而達到止水作用。

4.2 施工技術(鉆頭改進)

水泥土攪拌樁一般在軟土和砂層地質中進行施工，但要攪拌樁入風化巖層在國內范圍來看相對較少［2－5，7］。在類似的地質條件下進行三軸攪拌樁止水帷幕施工，且三軸攪拌樁止水帷幕必須嵌入中風化巖層(單軸飽和抗壓強度為6.95 MPa)，這樣對三軸攪拌樁止水帷幕的施工提出了非常高的要求。

常規的三軸攪拌樁施工方法及施工設備無法滿足進入風化巖層的要求。經過多次的內部討論和征求多方專家的意見，分析得出三軸攪拌樁不能入巖的關鍵原因是三軸攪拌樁的鉆頭結構形式。對三軸攪拌樁的鉆頭進行改進后效果非常明顯，詳見圖5。

4.3 施工參數

三軸攪拌樁止水帷幕采用改進后的三翼鉆頭進行施工，通過現場施工記錄統計對施工參數進行詳細分析，詳見圖6—8。

通過對833幅三軸攪拌樁的施工數據進行總結，分析得出在厚砂層及風化巖層中的施工參數見表5。

5 結論

1)在富水巨厚砂層和風化巖層的地質條件下進行鉆孔灌注樁施工要注重施工工藝和施工設備的選擇，同時選取合理的施工參數進行控制，避免在厚砂層中出現嚴重坍孔的現象，為后續基坑施工做好充分準備。

2)在富水巨厚砂層和風化巖層的地質條件下進行三軸攪拌樁施工要采取變化施工流程(如套打1根)和施工設備的選擇、改進鉆頭形式等措施，確保三軸攪拌樁止水帷幕能嵌入中風化巖層，隔斷隔水層和滲水通道，達到很好的止水效果。

表5 攪拌樁施工參數Table 5 Construction parameters of mixing pile

3)在如此復雜的地質條件下，對鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕的圍護結構形式的技術研究和施工過程中關鍵性施工參數進行調整，確定鉆孔灌注樁及三軸攪拌樁在富水巨厚砂層中采取的施工方法和控制措施，確保深基坑施工的安全，同時為同類地質條件下深基坑圍護結構工程施工提供一定的參考。

［1］ 黃炳德，翁其平，王衛東.某大廈深基坑工程的設計與實踐［J］.巖土工程學報，2010(S1):372 －378.(HUANG Bingde， WENG Qiping， WANG Weidong.Design and application of deep foundation pit of a project［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010(S1):372 － 378.(in Chinese))

［2］ 盧庶，李公璞，曹光，等.無錫蘇寧廣場三軸水泥土攪拌樁施工技術［J］.施工技術，2010(1):79 －82.(LU Shu，LI Gongpu，CAO Guang，et al.Application of tri-axial cementsoil mixing piles in Wuxi Suning plaza［J］.Construction Technology，2010(1):79 －82.(in Chinese))

［3］ 趙芮，高濤.鄭州市地鐵標準基坑開挖圍護結構計算［J］.黑龍江水利科技，2010(2):67.

［4］ 張蕾春，楊德桔，趙滇生，等.杭州漢嘉國際大廈深基坑施工技術研究［J］.浙江建筑，2011(6):53 －56.(ZHANG Leichun，YANG Deju，ZHAO Diansheng，et al .Study on deep foundation pit construction technology of Hangzhou Hanjia International massion［J］.Zhejiang Construction，2011(6):53 －56.(in Chinese))

［5］ 華燕.大直徑鉆孔灌注樁在砂性土層中施工的關鍵技術［J］.建筑施工，2011(6):38 － 39，47.(HUA Yan.Key construction technology for large diameter bored piles in sandy soil layer［J］.Building Construction，2011(6):38 －39，47.(in Chinese))

［6］ 鄭俊喜.深基坑圍護過程中存在的問題與對策分析［J］.科技信息:科學教研，2008(10):81－128.

［7］ 周磊，李艷，蔣鎮華.上海東蘭小區A－2地塊商務樓基坑工程［C］//建筑結構——第二屆全國建筑結構技術交流會論文集.上海:上海建筑設計研究院有限公司，2009.