外海人工島復合地基及止水帷幕旋噴樁試樁施工

呂 鵬，司錫寧，王 剛，王德亮

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

1 工程概況

1.1 工程簡介

深中通道S09合同段西人工島高壓旋噴樁分兩區域布置，分別為島隧結合部斜坡段自E1管節島內段40m(斜坡段復合地基)和島上段隧道及止水扶壁底部二次止水帷幕。西人工島斜坡段復合地基高壓旋噴樁包括A區和B區，其中A區樁頂標高為碎石底設計標高(-12.769～-13.387m)，樁底標高為-38.000m；B區樁頂標高為-16.000m，樁底標高為-37.000m，成樁直徑1m，中心間距1.5m，呈梅花形布置，樁底除滿足設計標高外需確保進入全風化花崗巖≥1.5m或砂土狀強風化巖0.5m(全風化巖缺失段落)。隧道結構底部二次止水墻設置3排連續的高壓旋噴樁形成止水帷幕，樁徑1.0m，搭接寬度為0.3m，穿透全風化花崗巖，到達中風化巖層頂面，樁頂標高為-11.427m，樁底標高為-39.927m(見圖1)。

圖1 西小島高壓旋噴樁平面布置(陰影區)

1.2 試樁位置

《深中通道西人工島詳勘報告第一冊》中地質資料內容顯示，高壓旋噴樁試驗區域選擇在與西小島二次止水帷幕地質相似的X4～X5號鋼圓筒副格旁。為確保本次試驗具有代表性，選擇隧道二次止水墻底部高壓旋噴樁樁頂、樁底標高作為試驗樁施工參數，其中樁底標高為-39.927m(進入中風化巖層頂面)，樁頂標高為-11.427m，同時終鉆標準按鉆桿鉆進持續用時5～8min、進尺<30mm設計要求進行控制。試樁實際位置如圖2所示。

圖2 試樁點區域布置

1.3 試樁目的

通過大規模工藝試樁，旨在獲得較優的施工參數，以更加科學地指導人工島內復合地基加固和二次止水帷幕正式工程實施，確保施工質量滿足要求；同時，通過試樁過程，可獲得人員工效、設備性能等信息，為工程正式施工時施工進度計劃編制、成本控制等管理提供真實數據，更好地保障現場排產和成本核算。

1.4 地質條件

根據西人工島X4～X5號鋼圓筒副格內地基未處理前XDZK26號勘探點地質勘察圖顯示，自上而下地層分布為：-8.000～-17.000m為回填砂；-17.000～-22.310m 為淤泥，N=9(N為標貫擊數)；-22.310～-23.810m 為中砂，N=9；-23.810～-30.310m為淤泥，N=9；-30.310～-31.710m為粗砂，N=20；-31.710～-33.110m為粉砂，N=25；-33.110～-35.410m為淤泥質粉質黏土，N=50；-35.410～-37.310m為砂土狀強風化花崗巖，N=50；-37.310～-38.010m為碎塊狀強風化花崗巖，N=50；-38.010～-41.710m 為中風化花崗巖，N=50。

1.5 水文條件

根據初勘抽水試驗孔的觀測數據及搜集到的近場區相關資料顯示，場區內地表水與地下水水力聯系緊密，地表水水位受潮汐影響日波動在1～3m，地下水水位略低于地表水水位0～30cm，地下水水位漲落與潮水漲落變化規律基本一致，但水位峰值稍有滯后，滯后間隔30～50min，地下水主要在補給區接受地表水補給。

1.6 驗收標準

1)二次止水帷幕 ①滲透性通過壓水試驗測試，滲透系數≤5×10-6cm/s；②樁身必須完整連續，樁徑、深度、樁身強度必須符合設計要求，加固材料的品種、標號、配合比必須符合設計要求；③加固體的無側限抗壓強度≥1.2MPa。

2)斜坡段復合地基 采用標準貫入方法檢測，平均標準貫入擊數≥20擊。

2 試樁設備

二次止水帷幕樁底要求進入中風化巖層頂面，終鉆標準按鉆桿鉆進持續用時5～8min、進尺<30mm設計要求進行控制，以入巖為主控、設計底標高為輔控原則確定樁底標高。為更直觀地判斷入巖情況，采用引孔、旋噴分體式設備進行旋噴樁施工，以引孔設備取出巖樣和終鉆標準雙控為判斷樁底標高要求，確保止水效果滿足要求。

所選用的設備均采用電控程序控制水泥漿制漿及原材料稱量，并具備可實時顯示壓漿流量、壓力及氣壓功能。具體設備型號如表1所示。

表1 主要施工機具型號及技術參數

3 試樁技術參數設置

3.1 參數設計思路

本次試樁采用雙高壓三管法，共計開展18組對比試驗，總體按3種思路進行設計。

第1～4組、第14組、第18組主要為驗證止水帷幕成樁及抗滲效果，按止水帷幕設計樁徑及樁距設計為四樁或三樁咬合，成樁樁徑1m，咬合30cm。其中，第1～3組綜合考慮施工質量、成樁效率及經濟性按水泥用量依次遞減設計施工參數，水灰比均為1∶1，通過調整提桿速度降低水泥用量；第4組降低水灰比至1.5∶1，砂層以下部分采用重復噴射工藝，增加土體切割次數，砂層以上單次噴射。第14組采用改變提升速度來比較成樁效果。第18組采用新型大流量泵，噴射流量增大，提速加快，驗證成樁效果。

第5～7組按斜坡段復合地基高壓旋噴樁布樁方案進行試驗，各樁均采用不同參數，其中布樁中心間距為1.5m的正三角形，成樁樁徑1m。第 8～10 組施工技術參數與第5～7組一致，布樁間距調整為2m，以驗證有效樁徑。

第11～13組按斜坡段復合地基高壓旋噴樁布樁方案進行試驗，其中布樁中心間距為1.5m的正三角形，成樁樁徑1m。第15～17組采用大流量泵按樁間距1.5m正三角形布置，采用不同參數驗證單樁成樁效果。

3.2 具體施工參數

第1組試驗樁在中砂層(-22.310m)以下采用雙泵噴漿，噴漿量140L/min，提升速度按10cm/min控制，水泥用量約1 064kg/m(不考慮損耗，下同)；中砂層(-22.310m)以上按單泵噴漿，噴漿量70L/min，提升速度按10cm/min控制，水泥用量約532kg/m，如表2所示。第2組試驗樁中砂層(-22.310m)以下采用雙泵噴射，噴漿量140L/min，提升速度按12cm/min控制，水泥用量約886kg/m(不考慮損耗)；中砂層(-22.310m)以上按單泵噴漿，噴漿量70L/min，提升速度按15cm/min控制，水泥用量為354.7kg/m。第3組試驗樁中砂層(-22.310m)以下采用雙泵噴射，噴漿量140L/min，提升速度按15cm/min控制，水泥用量為709kg/m(不考慮損耗)；中砂層(-22.310m)以上按單泵噴漿，噴漿量70L/min，提升速度按10cm/min控制，水泥用量約532kg/m。第4組試驗采用1.5∶1水灰比，按單泵70L/min，提升速度按10cm/min，樁底中砂層(-22.310m)以下采用重復噴射一次的工藝，水泥用量386.4kg/m。第5組及第8組試驗采用1∶1水灰比，按單泵75L/min，提升速度按10cm/min，水泥用量570kg/m。第6組及第9組試驗采用1∶1水灰比，按單泵70L/min，提升速度按12cm/min，水泥用量443.3kg/m。第7組及第10組試驗采用1∶1水灰比，按單泵70L/min，提升速度按15cm/min，水泥用量354.7kg/m。第11組試驗樁提升速度為12cm/min，漿壓35MPa，流量為70L/min，回填砂層(-17.000m)以下進行復噴，復噴提升速度為15cm/min；復噴段水泥用量約700kg/m，如表3所示。第12組試驗樁提升速度為10cm/min，漿壓35MPa，流量為70L/min，回填砂層(-17.000m)以下復噴，復噴提升速度為15cm/min；復噴段水泥用量760kg/m。第13組試驗樁提升速度為10cm/min，漿壓35MPa，按單泵70L/min，水泥理論用量600kg/m。第14組試驗樁SY-29，SY-30 2孔提升速度為12cm/min，SY31提升速度為10cm/min，漿壓35MPa，按單泵70L/min，3孔均在回填砂層(-17.000m)以下進行復噴，各孔復噴提升速度為15cm/min，其中提升速度12cm/min單位水泥用量約520kg/m，提升速度10cm/min水泥用量約600kg/m。第15組試驗樁提升速度為20cm/min，漿壓33MPa，漿流量約170L/min。第16組試驗樁提升速度為25cm/min，漿壓33MPa，漿流量約200L/min。第17組試驗樁下部基巖提升速度16cm/min(-35.410m 以下)，上部淤泥砂層提升速度20cm/min(-35.410m 至樁頂)，漿壓33MPa，漿流量約170L/min。第18組試驗樁SYB-35及SYB-36提升速度25cm/min，漿壓33MPa，漿流量約200L/min；SYB-37提升速度20cm/min，漿壓33MPa，漿流量約170L/min。

表2 第1組施工參數

表3 第11組施工參數

4 施工流程

高壓旋噴樁施工流程如圖3所示。

圖3 高壓旋噴樁施工流程

4.1 試樁前準備

1)原材料抽檢 水泥進場前，需檢查其廠家產品合格證及質量檢測報告，滿足要求后方可進場。進場后對同批次產品每500t(少于此數額也應抽驗1組)抽驗1組進行質量檢查。

2)設備、儀器校定 試樁施工技術參數涉及較多，是否按要求進行操作直接影響施工質量，因此試樁施工前應將所用施工設備、檢測儀器進行全面校定，以獲得更真實數據。

3)制漿、排漿區域合理規劃 水泥漿拌制系統應布置在水泥罐附近，便于作業，主要包括水泥漿拌制設備、水泥漿儲存設備、水泥漿輸送設備、相關管線等。試樁施工過程中正常會產生10%～20%的返漿量，返漿正確處理直接關系旋噴樁施工組織計劃實施，因此要因地制宜，統籌規劃廢漿池，及時有效處理廢漿液。

4)鉆桿刻度標識 施工前，應對所使用鉆桿標識刻度，便于施工過程中復核施工參數標高，確保施工質量滿足要求。

4.2 施工工序

1)造孔 將地質鉆機移至指定孔位、對位孔中心偏差≤50mm，用水平尺調整機身水平，立軸豎直，墊牢墊穩機架，保證鉆孔垂直度≤1%(止水帷幕鉆孔垂直度≤1/200)。經檢測合格，方可開動鉆機。鉆進時考慮到上部回填砂層松散，需膨潤土攪制泥漿進行護壁。同時，每5m用水平尺或垂直方向吊鉛錘等方式測量機身水平度和立軸垂直度，如發現傾斜，則停機找平后再鉆孔，詳細記錄地層及鉆機情況。造孔直徑110～130mm。

2)下噴射管 將噴射機移至成孔處，先進行地面漿、氣試噴，檢查各項參數符合要求后，將噴射管(直徑89mm)下至設計樁底標高，在下噴射管時應帶有10～15MPa壓力進行下放，防止噴嘴堵塞。

3)旋噴提升 當噴射管下至設計樁底標高后，送入符合要求的漿、氣，在樁底原位旋轉靜噴3min，待孔口正常返漿后再旋噴提升，當提升至砂層頂標高后改用單泵噴射。鉆桿的旋轉和提升應連續進行，不得中斷，鉆機發生故障后應停止提升鉆桿和旋轉，以防斷樁，并立即檢修排除故障。

4)鉆機移位 噴射管出孔口后，應及時清洗注漿泵及輸送管道，然后將鉆機移位。

5 試樁施工關鍵點控制

1)注漿前應使用泥漿比重計檢測泥漿密度，滿足要求后方可注漿；同時，在注漿過程中，應定時檢測注漿密度和孔口返漿密度，如發現同設計要求存在異常，應暫停施工，查明原因后及時采取措施處理。

2)做好引孔實時記錄，復合地基參數停鉆標準為達到設計底標高要求，二次止水帷幕參數停鉆標準為鉆桿連續5～8min進尺<3cm時終止鉆進，并通過孔底取出土樣進行綜合判斷是否鉆至設計標高。

3)做好每個孔位注漿實時記錄，包括孔位、孔深、壓力、流量、提升速度、旋轉速度、泥漿密度等關鍵控制點記錄，過程中出現異常情況應如實記錄，便于后續成樁檢測分析。

4)每次旋噴時均應先噴漿后旋轉和提升，以防止漿管扭斷。

5)配制水泥漿時，應先放水再放水泥，每次投料后拌合時間≥3min，待泥漿密度檢測合格后儲存至集料罐中使用。

6)高壓噴射注漿過程中如出現壓力表、流量表異常，孔口長時間不返漿或長時間大量冒漿(持續>20%漿量)等異常情況，應暫停施工，查明原因并及時采取措施。

7)噴射注漿時，突然中斷電、水、漿、氣體時，應及時搶修。搶修正常后，注漿管應重新下至停供位置以下0.5m 噴射。因故停噴>3h，應及時清洗設備和管道，以防水泥漿堵塞。

8)注漿過程中，噴射管需分段接長，要求噴射管分段提升的搭接長度≥0.3m。

9)二次止水帷幕施工時，當提升噴射管至設計樁頂以下1.0m深度時，放慢提升速度至設計高程，提高成樁質量，保證整體滲透性滿足要求。

10)試樁期間，應及時進行工效統計及水泥、淡水、膨潤土等原料消耗統計和廢漿出運效率統計。

6 試驗檢測

6.1 取芯及標貫檢測

西人工島二次止水帷幕及斜坡段復合地基高壓旋噴樁試樁在樁身強度達到28d后進行取芯及標貫檢測，取芯檢測情況如表4所示，高壓旋噴樁取芯率如表5所示。標貫貫入度共計檢測6根，檢測結果表明，按試樁工藝實施，平均標貫擊數均≥20擊，具體檢測部位如表6所示。

表4 取芯檢測情況匯總

表5 高壓旋噴樁取芯率匯總

表6 現場標貫檢測情況匯總

6.2 無側限抗壓強度合格率分析

統計旋噴樁28d無側限抗壓強度，取芯成功的止水帷幕試驗樁強度均達到1.2MPa，且合格率>90%，如表7所示。

表7 28d無側限抗壓強度檢測情況匯總

6.3 注水試驗

選取試樁參數中止水帷幕第1組3孔搭接處兩點進行注水試驗，如圖4所示。按每進尺5m洗孔進行注水試驗，經檢測1，2號檢測點平均滲透系數3.03×10-6cm/s<5×10-6cm/s，滿足要求。二次止水帷幕取芯注水試驗檢測結果如表8所示。

表8 二次止水帷幕取芯注水試驗檢測結果

圖4 注水試驗位置示意

6.4 試驗參數選用分析

6.4.1止水帷幕成樁檢測分析

經取芯檢驗發現，第1組(SY-01～SY-04)、第4組(SY-13～SY-16)、第14組(SY-29～SY-31)試驗取芯結果較好。其中，第1組取芯率、樁身強度、滲透系數均滿足設計要求。由于二次止水結構質量高低直接關系到西小島是否滿足干基坑施工作業條件，抗滲及防突涌作用較突出，為更好地保證二次止水結構止水效果，計劃在正式工程中采用第1組參數進行施工。

6.4.2高壓旋噴樁復合地基檢測分析

第5～7組(SY-17～SY-19)取芯結果一般，樁身標準貫入度滿足平均標貫擊數≥20擊要求，三樁形心部位平均標貫擊數≥20擊。第12，13組取芯結果較一般，但樁間平均標貫擊數≥20擊。第15組(SY-32)與第17組(SY-34)取芯結果一般，樁身下半段不連續，離樁邊距10cm進行標貫檢測，其檢測結果均滿足設計要求，平均標貫擊數≥20擊。第3組止水帷幕施工參數粗砂層以上(-31.700m)成樁效果良好，底部粗砂層(天然標貫擊數>20擊)成樁效果一般，水泥用量較適中，成樁質量較一般單樁成樁質量更優。

綜上所述，為確保島隧結合部地基加固質量，優選第3組參數作為施工參數。

7 結語

本次大規模工藝試樁開展，通過噴漿泵數量、提升速度控制水泥漿用量，通過水灰比調節水泥漿濃度，水泥漿用量、濃度直接影響成樁質量，且在砂層區域較明顯。水泥漿用量不足或水泥漿濃度較低，在砂層區域樁體呈現不連續現象，透水性較高，不滿足止水帷幕成樁要求。通過本次工藝試樁施工，選定了適合本工程二次止水帷幕和地基加固的工藝參數，為工程實體施工質量奠定堅實基礎。