杭州地鐵基坑高壓旋噴加固關鍵技術參數研究

王 偉，周靜增

（1. 浙江省軌道交通運營管理集團有限公司，浙江杭州 310020；2. 杭州市城市基礎設施建設管理中心，浙江杭州 310006）

1 引言

杭州地鐵車站基坑所處地層主要屬于深厚軟黏土地層，在基坑開挖范圍內及坑底以下分布有較厚的淤泥質軟弱土層，地處繁華鬧市區的基坑周邊環境復雜多樣，由于軟弱土層具有含水量高、可塑性強、承載力低等特點，基坑開挖對圍護結構變形控制要求高，控制難度大。采用高壓旋噴樁[1-4]對坑內土體進行加固處理，增強被動區軟弱土體抵抗變形能力，確保周邊環境的安全。

陳寶軍[5]以西安地鐵3號線下穿鄭西高鐵施工為例，詳細介紹了高壓旋噴加固技術在地鐵深基坑施工中保護既有高鐵橋墩安全的成功應用；張成[6]結合大宇水泥有限公司專用線的地基處理，對二重管旋噴法加固淤泥質黏土的參數設計、施工方法進行了研究；牛虹[7]對比分析單管、雙重管、三重管施工工法，就高壓旋噴原理、噴射方式、適用范圍、參數設置進行了綜合闡述和研究，提出了常用施工參數；毛紅梅[8]結合近江站（原富春路站）實際施工情況，分析研究了高壓旋噴樁在杭州地層的施工參數及適用性；秦愛芳等[9]通過對上海軟土基坑被動區加固的實踐研究，分析旋噴加固對墻體位移、土體沉降的貢獻及效果；俞佳城[10]針對蕭甬線建設采用旋噴樁在杭州蕭山淤泥質黏土層加固的工程實踐，從施工工藝、施工技術參數及質量檢測3方面探討高壓旋噴樁的質量控制；蔣宿平等[11]針對三重管旋噴樁在不同工程施工時采用的技術參數和效果進行了研究。

本文依托杭州地鐵車站基坑工程，收集整理加固施工相關技術數據[12]，量化分析水泥土加固體關鍵指標無側限抗壓強度隨地層含水量、齡期2個關鍵影響因素的變化規律，結合實際施工經驗總結得出適合杭州軟弱地層高壓旋噴加固的設計施工關鍵技術參數，供類似工程借鑒參考。

2 工程概況

杭州地鐵1號線是浙江省和杭州市的第1條建成運營的地鐵線路，一期工程于2012年11月24日開通運營。線路貫穿城市中心區，南連錢塘江南的蕭山區和濱江區，北接余杭區臨平鎮，東通下沙技術經濟開發區，從構筑“大都市”的戰略角度，將主城區與下沙副城、臨平副城、江南副城連通。一期工程線路全長約48 km，共設31座車站，其中地下站28座，高架站3座。

杭州地區地質是由錢塘江（河口相）的河道變遷與近年代的沖刷、杭州灣海灘（海相）的沖積與沉積作用、湖沼與溺谷三者交替相互作用形成的，情況復雜多變。工程范圍內的地貌單元根據成因類型及沉積物特征屬于錢塘江沖海積平原和濱海相沉積平原，分布有深厚濱海相淤泥質軟土。軟弱土層主要為④1和④2淤泥質黏土、⑥1飽和淤泥質粉質黏土，含水量高，呈流塑狀，具有高壓縮性、高靈敏度，物理力學性質較差，局部地層有機質含量高，分布有透鏡體狀的淺層沼氣。

3 杭州地區高壓旋噴加固設計施工關鍵技術參數總結

基坑開挖后，圍護結構的受力及變形情況隨著挖深而不斷變化。大量工程實測資料[13-16]表明，在開挖面附近及坑底位置，由于軟土側向約束作用微弱，透水性差、高靈敏度的軟土被擠壓，相應位置的變形也較大。在考慮圍護結構和支撐體系經濟性的同時，為保證施工過程中基坑本身和周圍環境的安全，對基坑被動區軟弱土體進行加固處理是一種行之有效的技術處理措施，它能使坑底土的力學性質指標得到明顯提高，起到減小支護結構的內力、水平位移、地面沉降及坑底隆起的作用，并能防止被動區土體破壞及流土現象的發生。

常用的土體加固方法有坑內降水、水泥攪拌樁、高壓噴射注漿、壓力注漿和化學加固等，其中較為常用的是水泥攪拌樁，因其較為經濟且攪拌均勻、完整性好使得加固質量易于控制，但水泥攪拌法對坑底以上土體進行空攪或注水攪拌，對開挖范圍內上層土體擾動較大，一般地鐵基坑坑內加固多采用高壓噴射注漿法。

高壓噴射注漿法是以旋轉的高壓噴嘴將水泥漿液噴入土層與土體混合，漿液與土以半置換或全置換凝固形成連續搭接的水泥加固體，具有施工占地少、振動小、噪聲較低等特點。依據漿液噴射移動方向，一般分為旋噴、定噴和擺噴3種形式。根據機具設備條件，高壓旋噴樁有單管法、二重管法和三重管法，后2種方法在杭州地鐵基坑工程加固中都有成功的應用。二重管成樁直徑為800 mm左右，三重管有效直徑可達到1 000～1 200 mm，三重管成樁施工的均勻性、完整性比二重管效果好，但三重管法施做時因高壓水流切割土體泛漿量較大，對上部土體的擾動較大，杭州地鐵坑內加固大多采用二重管法。

地鐵狹長型基坑內被動區加固的布置形式主要為滿堂加固、裙邊加抽條、裙邊加固、抽條加固，以裙邊加抽條方式居多，裙邊和抽條的寬度約為3 m，加固深度為坑底以下約3 m。

結合基坑坑內加固實施的實際情況，根據鉆孔取芯檢測結果，在滿足設計要求28天無側限抗壓強度不小于1.0 MPa強度指標的前提下，綜合分析水泥土強度的變化規律和主要影響因素，總結出適合杭州地鐵基坑工程淤泥質軟弱土層的二重管高壓旋噴加固設計施工關鍵技術參數建議值：

（1）水灰比：1 : 1。個別車站在用灰比例較大時存在堵管的情況，具體施工可結合所處地層和現場情況適當調整。

（2）漿液壓力：25～28 MPa。個別基坑為了擴大樁徑而加大壓力，但泛漿量較大。具體施工可根據泛漿量和現場情況適當調整。

（3）空氣壓力：0.7 MPa。

（4）提升速度：10～20 cm/min。個別基坑旋噴加固的提升速度達到25 cm/min及以上，導致加固體噴漿不到位，加固質量檢測不合格，芯樣有不連續或局部夾泥的情況，綜合考慮后建議上限值不超過 20 cm/min。

（5）轉速：15～20 轉/min。

（6）水泥摻量：20%～25%。該范圍值基本能滿足無側限抗壓強度1.0 MPa的設計要求，考慮泛漿等損失，建議施工時取大值。

（7）樁徑間距：φ800 mm@600 mm。二重管高壓旋噴樁的樁徑間距取值能滿足基坑坑內加固和止水帷幕的要求；如果工程對止水帷幕有更高要求，建議將樁間距減小到400～500 mm。

（8）適用土層：④、⑥、⑧層淤泥質地層；杭州軟弱地層以④1、④2、⑥1、⑥2、⑧1層淤泥質地層為主，坑底以下加固地層范圍主要是④、⑥層。

4 加固強度關鍵指標敏感度分析

4.1 旋噴加固設計施工的客觀影響因素

（1）基坑圍護設計計算中常用的土體物理力學指標為凝聚力C、內摩擦角φ、基床比例系數m值，旋噴加固體因現場缺乏詳細土工實驗數據而有所缺失，一般設計取值以28天無側限抗壓強度值作為加固體強度設計標準。

（2）JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規范》[17]要求旋噴加固在大面積施工前必須先進行試樁，確定技術參數后再進行施工?？紤]到試樁后需要28天的等強時間，結合杭州地鐵2號線建設一路站3 次試樁分別在7 天、14天時取芯試樣不能成型的實際情況，施工單位在工期壓力下很少做試樁，一般做法都是根據地層情況先擬定經驗參數，施工28天后取芯檢測予以驗證，根據檢測情況調整參數或局部補充注漿。

（3）加固體取芯檢測一般在基坑開挖之前進行，由于各個車站加固體施工完成到基坑開挖之間的工期受各種因素影響長短不一，取芯檢測沒有嚴格按28天的要求進行，一般都是在基坑開挖之前檢測強度滿足設計標準即可。

（4）影響水泥土加固強度的主要因素有齡期、土層含水量、水泥摻量、水泥標號、土層有機質含量、外摻劑等，單獨某一個基坑很難做到系統性試驗驗證，收集的加固體檢測數據在不同基坑之間因地層條件、齡期等因素可比性較差。

本文結合實際施工情況，主要就土層含水量、齡期2個關鍵指標對加固體強度的敏感度進行分析，以期找出相對變化規律。

4.2 強度隨土層含水量的敏感度分析

湘湖站所處地層主要為④2淤泥質粉質黏土、⑥1淤泥夾淤泥質黏土、⑧1淤泥質粉質黏土層，軟弱土層深厚、含水量高、富含有機質。湘湖站北二基坑和南二基坑實施的旋噴加固分別為基坑外周圈高壓旋噴止水帷幕和坑底軟弱土體旋噴加固，北二基坑加固體強度與土層含水量、齡期的變化曲線分別如圖1、圖2所示。湘湖站南二基坑加固體強度與土層含水量、齡期的變化曲線分別如圖3、圖4所示。

圖2 北二基坑加固體強度隨齡期變化曲線

圖3 南二基坑加固體強度隨土層含水量變化曲線

從圖1～圖4關系曲線圖可以看出，加固體的抗壓強度隨齡期的增長而增長，隨土層含水量的增加而減小，不同齡期的變化趨勢基本相同；湘湖站北二基坑止水帷幕加固在水泥摻量為30%的情況下，當土體含水量在30%～50%范圍內每降低10%時，加固體無側限抗壓強度提高約33%；湘湖站南二基坑內旋噴加固同樣在水泥摻量相同的情況下，當土體含水量在40%～50%范圍內時，含水量每降低10%，加固體無側限抗壓強度提高約38%。

圖1 北二基坑加固體強度隨土層含水量變化曲線

圖4 南二基坑加固體強度隨齡期變化曲線

上海市工程建設規范《地基處理技術規范》（DG/T J08-40-2010）（以下簡稱“上海規范”）中給出的經驗數據，土層含水量在50%～85%范圍內，含水量每降低10%時，水泥土強度可提高30%。湘湖站北二基坑、南二基坑的水泥土強度與土層含水量的經驗關系比上海規范的經驗數據略高，初步分析其原因和旋噴樁水泥摻量高達30%有關。

4.3 強度隨齡期的敏感度分析

4.3.1 30～60天強度隨齡期的敏感度分析

鳳起路站坑內加固范圍為坑底以下5 m，水泥摻量為20%，設計樁徑φ850 mm@600 mm，加固體無側限抗壓強度設計要求不小于1.2 MPa。鳳起路站加固體無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線如圖5所示。

圖5 鳳起路站加固體強度隨齡期變化曲線

由圖5曲線可以看出，加固體強度隨齡期的增長而增大，60天齡期的無側限抗壓強度較30天的強度增長約 12%，即fcu60=?1.12×fcu30。

上海規范中給出的經驗數據為fcu60= （1.15～1.46）×fcu28，浙江大學龔曉南院士在其著作《復合地基理論及工程應用（第三版）》（以下簡稱：龔曉南著作）中給出經驗關系為fcu60=（1.25～1.35）×fcu30。相比而言，鳳起路站加固體強度增長幅度與上海規范的下限值接近，比龔曉南著作的經驗值要低。

4.3.2 60～90天強度隨齡期的敏感度分析

湘湖站南二基坑加固體取樣時間分別有68天、99天和105天，其無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線詳見 圖 4。

近江站旋噴加固深度為坑底以下3 m范圍，加固體無側限抗壓強度設計要求不小于1.2 MPa，坑底地層⑥1淤泥質粉質黏土和⑥2粉質黏土的含水量分別為39.8%和32.5%。63天強度分別為2.2 MPa、2.6 MPa，91天強度分別為2.7 MPa、2.8 MPa。

從2個基坑的加固體強度數據來看，加固體強度在60天后仍隨齡期增長而不斷增大。在60～90天齡期內，湘湖站加固體無側限抗壓強度提高約8%，即fcu90= 1.08×fcu60；近江站加固體無側限抗壓強度關系為fcu91=（ 1.04～1.27）×fcu63。

上海規范中未直接給出60天和90天齡期的水泥土強度關系，根據其和28天強度經驗關系：fcu60=（1.15～1.46）×fcu28和fcu90=（1.43～1.80）×fcu28，可推算出90天和60天齡期水泥土強度關系為fcu90= 1.23×fcu60。

對比可知，在同一水泥摻量情況下，近江站加固體強度增長關系上限值與上海規范比較相近，但湘湖站加固體增長幅度較上海規范小，分析其強度低的原因和湘湖站地層有機質含量高達7%～10%有關。

4.3.3 90天以上強度隨齡期的敏感度分析

打鐵關站采用裙邊+抽條加固形式，坑底地層為④3淤泥質粉質黏土、含水量45.7%，加固深度為坑底以下4 m，設計樁徑為φ1 000 mm@700 mm，旋噴樁水泥摻量為20%，28天無側限抗壓強度設計要求不小于1.2 MPa。加固體無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線如圖6所示，因部分齡期強度資料缺失，分別繪制47～67天時間段和151～165天時間段內的強度變化增長曲線。

由圖6可以看出，加固體抗壓強度從47天到67天增加了12%，從151天到165天增加了28%。

圖6 打鐵關站加固體強度隨齡期變化曲線

上海規范指出，水泥土強度齡期超過28天后，強度仍有明顯增長。當齡期超過90天后，水泥土強度增長緩慢；180天的水泥土強度約為90天的1.25倍，而180天后水泥土強度增長仍未終止；龔曉南著作給出了水泥摻量15%時，從90天到150天齡期內的水泥土無側限抗壓強度增長了20%。

從打鐵關站加固體實測強度來看，150天后的強度增長幅度比90天范圍內的增長幅度還要大，明顯和一般的工程經驗不太吻合。

4.4 粉砂地層強度指標分析

余杭高鐵站北端頭井坑底③8粉砂地層，土層含水量 25%，采用高壓旋噴樁裙邊加固，加固深度為坑底以下3 m范圍，水泥摻量25%，樁徑間距為φ800 mm@600 mm。加固體無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線如圖 7所示。

圖7 余杭高鐵站加固體強度隨齡期變化曲線

由圖7可以看出，粉砂地層的水泥土強度隨齡期的增長較快，在土層含水量為25%情況下，齡期從46天增長到60天時，加固體無側限抗壓強度提高了約22%，明顯比軟弱土層的增長幅度大。

4.5 個別異常指標分析

西湖文化廣場站坑底地層為⑥1淤泥質粉質黏土和⑥2淤泥質粉質黏土，含水量分別為37.3%和33.1%，加固范圍為坑底以上3 m至坑底以下3 m。水泥摻量為20%，設計樁徑φ800 mm@600 mm，加固體無側限抗壓強度要求不小于1.2 MPa。加固體37天的抗壓強度檢測結果為1.9 MPa，60天的抗壓強度平均值為2.1 MPa。

從以上相關數據可以看出，文化廣場站加固體的強度比設計值和同齡期其他基坑的指標數值高出很多，指標表現異常，原因分析如下。

（1）由于芯樣取芯和檢測之間有一定的放置時間，晾曬時間對試樣強度影響較大，導致加固體抗壓強度和實際情況不符。

（2）結合文化廣場站地層條件，旋噴樁施工提升速度為25～30 cm/min，明顯高于常規經驗值及其他類似地層旋噴樁施工參數，檢測芯樣也出現部分樁體芯柱不連續、局部加泥的情況。

（3）檢測結果中，有多數齡期短的試樣抗壓強度反而大于齡期長的試樣抗壓強度，顯然是不合理的。

5 結論及建議

（1）結合杭州地鐵基坑工程實踐經驗，對基坑被動區軟弱土體進行高壓旋噴加固處理，能有效控制基坑變形、減小支護結構的內力。

（2）適合杭州淤泥質軟弱地層的二重管高壓旋噴加固設計施工關鍵技術參數建議值：①水灰比：1 : 1；② 漿液壓力：25～28 MPa；③空氣壓力：0.7 MPa；④提升速度：10～20 cm/min；⑤轉速：15～20 轉/min；⑥水泥摻量：20%～25%；⑦樁徑間距：φ800 mm@600 mm。

（3）加固體抗壓強度隨土層含水量、齡期2個關鍵指標的相對變化規律：①在水泥摻量取30%時，軟弱土層含水量在30%～50%范圍內每降低10%，加固體無側限抗壓強度增長約33%～38%；②在相同水泥摻量情況下，加固體60天強度較30天時增長約12%，90天強度較60天時增長約5%～8%，90天后強度仍在增長但相對較為緩慢。