高壓旋噴樁止水帷幕及止水機(jī)理及質(zhì)量問題探討

馮仲康，沈　浩（四川電力建設(shè)二公司，四川　成都　610051）

?

高壓旋噴樁止水帷幕及止水機(jī)理及質(zhì)量問題探討

馮仲康，沈浩（四川電力建設(shè)二公司，四川成都610051）

高壓旋噴樁是一種地基處理加固、基坑支護(hù)止水常見的工藝。在深基坑施工中，常常與灌注樁一道組合，分別承擔(dān)基坑壁支護(hù)與止水功能，同時旋噴樁將坑壁土體加固而減少支護(hù)灌注樁體的土壓力。高壓旋噴樁作為止水帷幕在工程基礎(chǔ)施工過程中有著廣泛的應(yīng)用，但是，隨之也發(fā)生了許多止水失效或支護(hù)失穩(wěn)的案例。本文將詳細(xì)對高壓旋噴樁的止水原理、操作的重點、常見質(zhì)量問題等進(jìn)行了細(xì)致的探討，以期對深基坑施工中高壓旋噴樁止水質(zhì)量事故預(yù)防有所借鑒。

高壓旋噴樁；止水機(jī)理；質(zhì)量問題

高壓旋噴樁作為止水帷幕在工程基礎(chǔ)施工過程中有著廣泛的應(yīng)用，但是，高壓旋噴樁又是技術(shù)上不確定因素較多的方法，施工質(zhì)量與施工參數(shù)選擇和參數(shù)控制密切相關(guān)，施工者的經(jīng)驗與管理就成為防止失敗的關(guān)鍵；因此，如果不從設(shè)計及施工加強(qiáng)質(zhì)量預(yù)控和嚴(yán)格工藝施工，將極易發(fā)生止水失效或支護(hù)失穩(wěn)的質(zhì)量問題，甚至?xí)l(fā)生重大經(jīng)濟(jì)質(zhì)量及安全事故。

高壓旋噴樁作用主要有兩方面：①利用固結(jié)體本身強(qiáng)度來進(jìn)行地基處理或洞壁處理加固支護(hù)等，如隧道盾構(gòu)進(jìn)出口洞壁加固等；②利用固結(jié)體比原土體更致密來進(jìn)行基坑止水和防管涌，如在深基坑施工中，常常與灌注樁一道組合，分別承擔(dān)基坑壁支護(hù)與止水功能，同時旋噴樁將坑壁土體加固而減少了支護(hù)灌注樁體的土壓力；又如對坑底加固防止管涌或涌砂等。本文主要針對第2種情況，主要就旋噴樁基本原理、旋噴樁止水的機(jī)理和設(shè)計注意事項、止水的質(zhì)量問題等側(cè)重進(jìn)行分析探討。

1　高壓旋噴樁基本原理及工法簡介

高壓旋噴樁基本原理為利用鉆機(jī)把帶有直徑約2mm高壓噴嘴的注漿管帶至設(shè)計深度后，以15～40MPa的壓力將水、空氣、砂漿從噴嘴中噴射出來（單管法無空氣），利用形成的高壓噴射流的動壓力、脈沖力、離心力、和重力及“水楔”等作用，使土顆粒剝落，一部份隨漿液漫入地面排走，另一部份與射流漿液混合攪拌，并邊噴邊旋轉(zhuǎn)提注漿管，從而形成圓形或連續(xù)片狀并帶有一強(qiáng)度的致密固結(jié)體，從而起到地基加固、基坑支護(hù)擋土、洞壁土體加固、止水防涌等等作用。

目前旋噴樁技術(shù)有傳統(tǒng)的單管、雙管、三管法，其加固原理基本相同，主要是噴嘴與噴射介質(zhì)不同；在這基本上又出現(xiàn)不同工法，如RJP工法即在三管法基礎(chǔ)上在高壓噴射流外環(huán)繞空氣流，對土體進(jìn)行二次切削；SSS-MAN工法即加真空吸管抽出切削下來的砂石等，用泥漿及噴射壓力護(hù)壁，并用噴頭上傳感器測繪空洞或樁徑的方法，可進(jìn)行信息化管理；而MJS工法簡單來說即多管法。不管采用何種方法，高壓旋噴樁（墻）質(zhì)量影響因素主要與噴射流特性、噴嘴的直徑與形狀、土體特性及提升速度等有關(guān)：與噴嘴同樣的距離，相比于空氣中噴射，水中噴射壓力衰減相當(dāng)快，因此，一身均采用噴嘴外設(shè)置空氣環(huán)繞環(huán)，使用水、漿液與空氣同時噴射，從而增加噴射流中末段壓力來增加切削效果的目的。當(dāng)噴射壓力大于15MPa以上時，噴射壓力與噴射流速呈線性關(guān)系；同等條件下，而噴咀越大，切削深度也越增加；

2　高壓旋噴樁止水機(jī)理與設(shè)計注意事項

高壓旋噴樁噴射水泥與土體攪拌混合，28d齡期后，土體已完成被水泥水化物和土體間化合物所包圍，形成密簇結(jié)構(gòu)；60d齡期后，通過構(gòu)造分析，大塊土體的空隙中長滿水化物與土反應(yīng)的結(jié)晶，特別是鈣釩石針狀結(jié)晶很快生長交織成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并包裹土體，從而形成致密的水泥-土骨架結(jié)構(gòu)，大大改善土體強(qiáng)度和減少孔隙率，從而阻斷旋噴樁內(nèi)外的水層交流，形成止水帷幕。

止水旋噴樁徑的選擇與布置：一般而言，作為利用強(qiáng)度時的旋噴樁設(shè)計與按地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中樁基設(shè)計差不多，仍遵從土力學(xué)基本原理，但由于旋噴樁不同于其他樁，因地質(zhì)條件多變形和水泥土性質(zhì)的特殊性，故而存在理論計算上的不確定性，且旋噴樁作為止水帷幕作用時，往往與灌注樁組合，并非利用其抗壓和抗剪強(qiáng)度，因此，樁徑的計算或選擇往往結(jié)合機(jī)械、灌注樁間隙、土體性質(zhì)等因此綜合考慮，一般而言，作止水作用的單管法樁徑小于600mm，雙管法樁徑在600～800mm，三管法樁徑在800～1200mm，如采用上述其他工法時，樁徑可達(dá)2～3.5m。

高壓旋噴樁作基坑止水作用時，常與灌注樁結(jié)合應(yīng)用，常用布置如圖1中兩種，但由于（b）種灌注樁間相切（接）布置一般而言，不容易在兩種樁間像理論一樣完整相切或相接，故而應(yīng)用（a）種排樁方式較多。

圖1

作止水帷幕時，樁的間距不僅取決于樁的直徑，也取決于樁的垂直度。當(dāng)為排樁布置時，就要根據(jù)工程要求和條件確定相鄰樁的搭接寬度，按照國家規(guī)范，樁間搭接不小于300mm；有時，針對工程地質(zhì)與地下水情況，要求進(jìn)行更多搭接寬度的安全儲備，有時甚至采用雙排樁或三排樁。

雖然高壓旋噴樁僅作止水作用時，不關(guān)注基樁身強(qiáng)度（坑壁位移變形或滑坡等）和穩(wěn)定性（如坑底涌土、滑坡等），但本人認(rèn)為，須對管涌現(xiàn)象進(jìn)行計算，尤其是砂性土質(zhì)基坑。在砂性土質(zhì)中開挖時，如果存在較大的水頭差，向上滲流地下水壓力超過砂有效重量，加之措施不當(dāng)，極易造成坑底破壞而形成管涌，使止水失效，如圖 2中（a）；另如果在粘性土質(zhì)下臥砂性土質(zhì)且存在較大的承壓水頭時，也極易造成基坑底隆起，如圖2中（b）。

圖2

（1）對于（A）基坑管涌的計算：

基坑底部砂土的極限動力水坡度為：

式中：ic——極限動水坡度壓力；

GE——土比重；

e——土的孔隙率。

如果水力坡度大于此值，則會發(fā)生管涌現(xiàn)象。而實際驗算中采用高壓旋噴樁兩側(cè)水頭損失的流線長度來近似計算動力水坡降i：即i=H/（H+h2）。

如果i＜ic，則安全；反之則需要采取措施。

（2）如果對于（B）情形，如果驗算i＞ic，則基坑底會隆起，則需要加長樁嵌入長度h2，或者在基底加固或壓重（如采用砂石等）。

3　高壓旋噴樁的試驗與檢測

作為高壓旋噴樁的檢測試驗一般為承載力檢測、樁身完整性檢測（透水性檢測），主要有開挖檢測、室內(nèi)試驗、鉆孔檢測、載荷試驗等。由于本文主要討論高壓旋噴樁的止水作用，因此，在此對承載力檢測不作敘述。

設(shè)計時，須進(jìn)行室內(nèi)試驗與試樁，即地質(zhì)取樣后，以標(biāo)準(zhǔn)稠度求得理論旋噴固結(jié)體的配合比，做標(biāo)準(zhǔn)試件并進(jìn)行物理與力學(xué)性試驗，進(jìn)而得出設(shè)計的理論配合比。并以此進(jìn)行漿液配方，試樁后進(jìn)行補(bǔ)充試驗并重新調(diào)整配合比與漿液配方。

施工成樁后，重點進(jìn)行樁身完整性和樁間接合檢測。一般采用開挖查看、巖芯取樣和滲透試驗：開挖檢查主要查看樁身是否存在斷樁或縮頸以及相鄰成樁的搭接情形等。巖芯取樣可檢測樁身固結(jié)體的密實度與完整性，看是否存在滲透路徑。而透滲試驗一般有鉆孔壓力注水與抽水觀察兩種，鉆孔壓力注水試驗方法，即是對取芯孔注入壓力水，保持一段時間，觀察壓力是否降低，從而確定樁身是否滲透，而試驗鉆孔的部位除樁芯外，還應(yīng)在相鄰樁搭接間鉆孔檢測；而抽水試驗即在樁兩側(cè)注水，看水面是否有變化來檢測樁的滲透性。

4　高壓旋噴樁止水質(zhì)量問題分析及施工注意事項

高壓旋噴樁作為止水帷幕，在工程中廣泛應(yīng)用，但也出現(xiàn)了相當(dāng)多止水帷幕失效的案例，經(jīng)過總結(jié)，止水帷幕止水失效及坑底管涌隆起等質(zhì)量問題，主要原因大致有如下：

（1）旋噴樁嵌入深度不夠，水降流線過短；

（2）試驗不充分，配合比及漿液用量等不合理而造成固結(jié)體不致密；

（3）旋噴過程中提升速度、噴漿設(shè)計不合理、不連續(xù)噴漿而造成樁身完整性差，如縮頸斷樁等，造成樁間搭接差或脫離，從而形成滲透薄弱環(huán)節(jié)；

（4）樁機(jī)定位及垂直度不夠而造樁身傾斜，故而造成相領(lǐng)樁間搭接不夠或樁身分岔現(xiàn)象；

（5）采用旋噴樁與灌注樁相切（接）布置時，兩者不可能完全理論相切或相接，從而出現(xiàn)滲漏薄弱環(huán)節(jié)；

（6）灌注樁擋土支護(hù)設(shè)計不合理，造成坑壁變形過大，造成旋噴樁剪切變形或破壞，從而形成涌水通道；

（7）粘土下承壓水壓力較大時，樁嵌入深度不夠或坑底無壓重，造成隆起。

具體以某國外中央電廠海邊引水渠工程施工為例：

委內(nèi)瑞拉中央電廠海邊引水渠工程，渠壁采用雙排灌注樁，雙排間距7m，灌注樁直徑φ800，間距1000mm，樁端全面進(jìn)入持力層，深度必須不小于3m，樁長不得小于24m；該樁主要起支護(hù)與承重作用；渠壁采用300mm C35現(xiàn)澆混凝土掛板，懸掛于外排灌注樁上。在外排灌注樁內(nèi)側(cè)布置高壓旋噴樁，直徑650mm、樁搭接長度170mm、樁長不小于13m，樁端進(jìn)入5～2層粉砂層不小于3m。渠深7.8m，底部開挖后鋪層砂礫石。在渠兩內(nèi)側(cè)布置降水點，開挖前將水降至渠底開挖面以下。

灌注樁、旋噴樁及內(nèi)側(cè)井點降水分別由西安某樁基公司承擔(dān)，冠梁及掛板由某電建單位承擔(dān)。

2014年11月下旬，所有樁基完畢移交冠梁及掛板施工單位；2015.3.25暗溝與引水渠西南角開挖至-7m，發(fā)現(xiàn)涌砂，樁機(jī)施工單位加強(qiáng)降水繼續(xù)施工，并用大石頭砂漿修補(bǔ)漏點，業(yè)主要求繼續(xù)施工。2015年7月22日工程全部施工完畢，過程中即發(fā)現(xiàn)坑底樁間多處涌漏砂情況。8月7日施工單位向業(yè)主書面上報坑壁底涌砂事宜；8月9日樁機(jī)施工單位拆除降水井，地下水上升至坑底以上300mm。8月10日業(yè)主同意引水渠進(jìn)海水，即發(fā)現(xiàn)西北角有渾水現(xiàn)象。8月12日海水注入至設(shè)計標(biāo)高-1.000m位置，至8月15日，雙排灌注樁間即出現(xiàn)多處直徑1～3m的塌陷孔。

至此，方引起業(yè)主及樁基施工單位重視，離整個廠房系統(tǒng)調(diào)試時間所剩不多。業(yè)主牽頭現(xiàn)場緊急分析原因后，主要由于旋噴樁未有效搭接、旋噴樁與灌注樁間未致密相接、內(nèi)外側(cè)水頭壓差原因造成，并即采取措施如下：重水設(shè)置攔壩，抽干渠內(nèi)海水，將掛板現(xiàn)澆混凝土接至坑底。這樣直接耽擱寶貴工期近3個月，直接經(jīng)濟(jì)損失800萬元。

［1］張 兵.淺議高壓旋噴樁止水帷幕的施工質(zhì)量控制［J］.四川建材，2012，10，16.

［2］徐鋒.高壓旋噴樁止水帷幕施工質(zhì)量控制探討［J］.中國水運（下半月刊），2011，02，15.

［3］施利斌.超深旋噴樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的工程應(yīng)用研究［D］.浙江工業(yè)大學(xué)，2015，05，01.

沈浩（1979-），男，高級工程師，碩士生，主要從事土建工程管理工作。

U655.4

A

2095-2066（2016）13-0163-02

2016-4-2

馮仲康（1976-），男，高級工程師，碩士生，主要從事土建工程管理工作。