具有隨機幾何缺陷的超高壓旋噴樁止水效果研究

鄭 昊,李兆平,李子超

(1.北京市政建設集團有限責任公司,北京 100089； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

引言

多年來，北京地鐵車站施工階段對地下水的控制措施主要以施工降水為主，有關統計數據表明：一個常規地鐵車站施工的日降水量達數萬立方米，甚至個別地鐵車站的日降水量達4萬～6萬m3以上，施工降水不僅浪費了大量水資源，且大規模長時間抽取地下水會導致地層固結沉降，從而對車站周邊建(構)筑物和地下管線帶來不利影響。北京是一個嚴重缺水的城市，從2016年開始，北京市開始逐漸限制在地鐵工程施工中采用降水的方式進行地下水控制[1]。因此，對富水地層地鐵車站施工應立足于“不降水、少降水”的理念。目前，在北京市地鐵工程施工中采用止水帷幕方法已成為控制地下水的主要手段。

超高壓旋噴樁止水帷幕具有結構穩定、抗滲性強等特點，關于超高壓旋噴樁的研究工作主要集中在注漿材料[2]、注漿體受力變形特性分析等方面[3-7]，也有文獻探討了滲流預測分析方法及注漿后地層止水效果[8-12]，由于超高壓旋噴注漿對地層擾動的非均勻性[13-16]，旋噴樁樁徑及垂直度控制度難度較大，但關于旋噴樁幾何缺陷的研究并不多見[17-20]。

依托北京地鐵3號線石佛營站3號豎井超高壓旋噴樁止水工程，總結了該工程中旋噴樁出現樁徑改變和垂直度偏差等幾何缺陷的分布規律，基于幾何缺陷規律建立了三維缺陷模型，并采用COMSOL有限元軟件對富水地層中存在不同幾何缺陷的旋噴樁滲流通量進行計算分析，以評價旋噴樁的抗滲性能，進而為旋噴樁設計優化提供建議。

1 豎井概況

石佛營車站3號施工豎井主要含水層為潛水(二)層，含水層主要土質為粉質黏土層，砂質粉土層，粉細砂層，圓礫、卵石層。3號豎井主要設計參數如下。

(1)豎井基坑開挖凈空尺寸為12.4 m(長)×8.1 m(寬)×28.08 m(深)。

(2)豎井采用超高壓旋噴樁作為止水帷幕，超高壓旋噴樁直徑1 100 mm，間距700 mm，咬合厚400 mm，樁長18.0 m，共設置66根，圍護結構采用倒掛井壁法施工。

(3)引孔直徑采用200 mm，引孔沉渣厚度<20 mm，施工成孔偏斜率控制在0.5%以內，定位允許誤差≯5 cm。

(4)超高壓旋噴注漿工法加固地層現場試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水灰比在1:1～1:1.5。

(5)土體加固指標：無側限抗壓強度≮2.0 MPa，滲透系數≮1.0×10-7cm/s，加固后土體應有良好的均勻性和自立性，井壁不得有明顯滲水。

3號豎井旋噴樁平面布置如圖1所示。

圖1 3號豎井旋噴樁平面布置(單位：mm)

2 旋噴樁幾何缺陷檢測結果分析

旋噴樁幾何缺陷通常表現為樁身垂直度偏差和樁徑的改變，這些缺陷的存在會導致相鄰旋噴樁之間容易出現滲水通道，從而影響止水帷幕的止水效果。

樁身垂直度偏差可用2個獨立的參數來描述，即傾斜方位角α和傾角β，如圖2所示。在單樁旋噴注漿過程中，每次安裝立柱時，噴射灌漿機的井架都要進行搬遷，鉆機推桿將重新定位(一個操作步驟)。因此，在這種情況下，每根超高壓旋噴樁的傾斜方位角α和傾角β可假定是獨立的變量；樁徑由直徑D來描述。本工程采用JL-IUDS(C)智能超聲成孔質量檢測儀對3號豎井的超高壓旋噴樁孔徑、傾斜度、成孔質量進行了檢測，該設備可通過發送超聲波并接收不同深度的反射信息，獲得此旋噴樁參數：直徑D，傾角β和傾斜方位角α。

圖2 超高壓旋噴樁傾斜參數

2.1 旋噴樁直徑分析

超高壓旋噴樁直徑與旋噴注漿施工參數、地層滲透性、強度等因素有關。如旋噴切削的地層為單一、均質地層，則理論上來講超高壓旋噴樁成樁后形狀如圖3(a)所示，直徑大小在垂直方向上始終是統一的，未產生任何波動；但在實際施工過程中，由于噴射切削的地層性質不同，即使注漿壓力、噴嘴提升速度是固定的，超高壓旋噴樁的直徑也會在垂直方向上發生波動，如圖3(b)所示，導致施工完成的旋噴樁呈葫蘆形狀，如圖4所示。

圖3 旋噴樁直徑變化

圖4 葫蘆狀超高壓旋噴樁示意

對石佛營站3號豎井超高壓旋噴樁的直徑探測數據進行統計，繪制旋噴樁直徑分布如圖5所示。圖5中，紅色曲線為直徑數據的擬合曲線。發現旋噴樁直徑大小服從平均值為1.1 m的正態分布，直徑D的變異系數(簡稱COV)約為0.1。

圖5 石佛營站試驗豎井旋噴樁直徑統計分布

為研究超高壓旋噴樁在不同地層的直徑缺陷特征，對石佛營站3號豎井旋噴樁穿過不同地層的直徑變化情況分別進行統計分析。不同地層的直徑分布統計特征如圖6所示。

圖6 旋噴切削不同地層時旋噴樁樁徑分布統計

研究結果表明，超高壓旋噴樁在不同地層中的直徑變化范圍不同，表1為石佛營站3號豎井旋噴樁穿過4種不同地層時直徑的變化情況。

表1 不同地層旋噴樁直徑缺陷變異性

由表1試驗數據可知。

(1)旋噴樁在砂質粉土、黏質粉土③1層中平均直徑最大，為1.305 m；在卵石、圓礫層中平均直徑最小，為1.06 m。對比4種不同性質的地層直徑，旋噴直徑與穿過的地層強度呈反比關系，地層強度越小，平均直徑越大；地層強度越高，平均直徑越小。

(2)粉質黏土②1，砂質粉土、黏質粉土③1，粉細砂④地層的直徑變異系數分別為0.071，0.065，0.062，直徑變異性較小；而卵石、圓礫⑥1地層的直徑變異系數為0.131，約為砂質粉土、黏質粉土③1地層直徑變異系數的2倍，其變異性更明顯。這種差異是由于卵石、砂礫層的非均質性較大所致。

2.2 旋噴樁樁身垂直度分析

盡管在安裝過程中對旋噴設備采取了多種措施保證旋噴鉆桿的垂直度，但在施工過程中鉆桿的軸線仍然不可避免地發生傾斜，對石佛營站3號豎井內旋噴樁的樁身傾斜角度檢測結果進行統計分析并做出擬合曲線，結果如圖7所示。

圖7 旋噴樁傾斜角β分布統計

由于旋噴樁樁身可向任何方向傾斜，故文中假設方位角在[-180°，180°]內服從均勻分布，負傾斜角表示傾斜軸指向相反的方向。由旋噴樁傾斜角檢測數據可知：超高壓旋噴樁樁身傾角服從平均值為0.003°，標準差為0.3°的正態分布。

3 具有隨機幾何缺陷的超高壓旋噴樁抗滲性能數值模擬

3.1 基本假定

本文數值模擬僅研究超高壓旋噴樁在滲流力作用下的抗滲性能，并假設旋噴樁旋噴切削的地層是單一、均質地層，旋噴樁直徑缺陷與旋噴深度無關。

3.2 旋噴樁幾何缺陷模型建立

評估旋噴樁的幾何缺陷影響需同時考慮軸向和直徑的隨機變化，幾何缺陷實質上是一個三維問題。與傳統二維簡化方法相比，建立三維模型有以下兩個優點。

(1)幾何缺陷的輪廓可以被明確地建模，且用于評估滲流通道的大小。顯然，當考慮旋噴樁直徑變化時，缺陷可能表現為分散的孔洞，如圖8所示，只有通過三維模型分析才能清晰表達出這些孔洞的大小和形狀；

(2)二維模型分析得到的概率分布不能代表整個三維模型壁面的概率分布。

圖8 旋噴樁隨機幾何缺陷產生的分散空洞

為驗證存在不同幾何缺陷的超高壓旋噴樁止水效果，設計了3種模型進行對比研究，并設置對照組無缺陷樁模型。

(1)無缺陷模型

無缺陷樁模型的超高壓旋噴樁軸線垂直，直徑均一，無任何幾何缺陷。該模型長22 m，寬5 m，高18 m，超高壓旋噴樁模型直徑1 100 mm，咬合厚400 mm，樁長18 m，無缺陷模型示意如圖9所示。

圖9 無缺陷模型示意

(2)直徑缺陷模型

對3號豎井內旋噴樁直徑統計分析可知，旋噴樁直徑服從平均值為1.1 m、標準差為0.11 m的正態分布。將旋噴樁直徑在垂直方向上的變化模擬為豎向隨機過程，利用隨機數發生器程序隨機生成20組服從上述規律特征的數據，即為20根直徑缺陷旋噴樁在垂直方向上變化的直徑數據，直徑缺陷模型示意如圖10所示。

圖10 直徑缺陷模型示意

(3)垂直度缺陷模型

根據統計，3號豎井內旋噴樁傾斜角度服從平均值為0.003°、標準差為0.3°的正態分布。同理，將旋噴樁傾角模擬為隨機過程，利用隨機數發生器程序隨機生成一組服從上述規律特征的數據，即為20根垂直度缺陷旋噴樁的傾角數據，20根角度缺陷旋噴樁的傾斜方位角在[-180°，180°]內服從均勻分布，垂直度缺陷模型示意如圖11所示。

(4)直徑和垂直度均存在缺陷模型

在實際施工時，直徑缺陷與角度缺陷現象往往同時存在，為能更準確地描述幾何缺陷對止水效果的影響，將上述兩種模型的直徑缺陷和角度缺陷綜合分析，建立雙缺陷模型，如圖12所示。

圖12 雙缺陷模型示意

3.3 計算參數選擇

采用COMSOL有限元軟件來模擬水流穿過超高壓旋噴樁及周圍土層的滲流作用，各介質的物理力學參數如表2所示。

表2 水、地層及結構物理力學參數

4 模擬結果分析

4.1 幾何缺陷影響分析

COMSOL有限元分析軟件提供了滲流量提取功能，滲流量大小是評價超高壓旋噴樁抗滲性的一個重要指標。為研究具有隨機幾何缺陷的超高壓旋噴樁止水效果，對直徑1 100 mm旋噴樁的3種缺陷模型及對照組無缺陷模型在不同咬合厚度時的滲流量進行了計算，根據滲流量數值計算結果繪制滲流量變化曲線，如圖13所示。

圖13 直徑1100 mm旋噴樁在不同咬合厚度時4種模型的滲流量變化曲線

滲流量變化曲線得到如下結論。

(1)隨著旋噴樁咬合厚度增加，4種模型滲流量均逐漸減少。

(2)在咬合厚度相同時，4種模型的滲流量排序為雙缺陷模型>直徑缺陷模型>垂直度缺陷模型>無缺陷模型。與兩種缺陷同時存在相比，單一缺陷對旋噴樁滲流量影響較小，兩種缺陷同時存在對旋噴樁的抗滲性能影響最大；直徑缺陷相比于角度缺陷，對旋噴樁的抗滲性能影響更大。

(3)當咬合厚度為0時，4種模型滲流量均超過400×10-6kg/(m2·s)，這是因為相鄰旋噴樁還未咬合，地下水極易流經旋噴樁間未經旋噴處理的區域，因此，4種模型滲流量均處于較高水平；當咬合厚度由0增加到50 mm時，3種缺陷模型滲流量的變化速率大致相同，無缺陷模型滲流量的變化速率更大，滲流量由400×10-6kg/(m2·s)突降到16×10-6～17×10-6kg/(m2·s)，其主要原因是無缺陷模型樁軸線垂直以及在垂直方向上直徑沒有改變，當模型樁咬合后，滲水通道均被填充處理；且在咬合厚度由50 mm增加到400 mm過程中，無缺陷模型滲流量較3種缺陷模型的變化非常小。

上述計算結果表明：旋噴樁幾何缺陷是導致注漿加固體滲漏水的重要因素，現場施工過程中須采取措施減少幾何缺陷的出現。

4.2 臨界咬合厚度分析

為進一步研究旋噴樁咬合厚度與滲流量之間的關系，計算了4種模型在不同直徑、不同咬合厚度時的滲流量，并根據計算結果繪制了滲流量隨咬合厚度變化曲線，如圖14所示。

圖14 滲流量變化曲線

由圖14可以得到如下結論。

(1)直徑缺陷旋噴樁模型、垂直度缺陷旋噴樁模型和雙缺陷旋噴樁模型的滲流量均隨著咬合厚度增加而減少，最后趨于平緩，不同的是無缺陷旋噴樁模型的滲流量隨咬合厚度增加，減緩趨勢較小。

(2)根據豎井施工資料，石佛營站3號豎井止水帷幕采用直徑1 100 mm，咬合厚400 mm的超高壓旋噴樁。從圖14(b)～圖14(d)可以看出，對于直徑缺陷旋噴樁模型和垂直度缺陷旋噴樁模型，當咬合厚度達到250 mm時，繼續提高咬合厚度對于滲流量的減小效果影響并不顯著；對于雙缺陷旋噴樁模型，咬合厚度需達到300 mm，可忽略提高咬合厚度對滲流量的影響?；诖?，提出了超高壓旋噴樁“臨界咬合厚度”的概念：當旋噴樁咬合厚度小于臨界咬合厚度時，提高咬合厚度對滲流量的影響顯著；當旋噴樁咬合厚度達到臨界咬合厚度時，提高咬合厚度對滲流量影響很小。

(3)在實際工程中，旋噴樁多以雙缺陷同時存在的情況出現。因此，建議在相同地層條件下施工時，旋噴樁采用300 mm臨界咬合厚度。

(4)咬合厚度設計應能保證該咬合厚度下的估計滲流量低于工程排水能力。對于基坑工程，排水能力通常限制在50×10-6kg/(m2·s)之內。從圖14(b)～圖14(d)可以看出，直徑缺陷模型、垂直度缺陷模型以及雙缺陷模型中排水能力控制線對應的樁咬合厚度分別為150，150，200 mm，小于臨界咬合厚度300 mm，因此，超高壓旋噴樁采用300 mm的臨界咬合厚度，既滿足排水設計要求，也降低了生產成本。

5 結論

依托石佛營站3號豎井超高壓旋噴樁止水工程，對旋噴樁幾何缺陷檢測結果進行分析，總結了旋噴樁樁徑和軸線傾斜度的分布規律，建立了可考慮超高壓旋噴樁缺陷的三維有限元計算模型，研究了隨機幾何缺陷對旋噴樁止水效果的影響規律，主要結論如下。

(1)旋噴樁直徑服從平均值為1.1 m，標準差為0.11 m的正態分布；樁軸線傾角服從平均值為0.003°，標準差為0.3°的正態分布；傾斜方位角在[-180°，180°]內服從均勻分布。

(2)在旋噴直徑和咬合厚度相同時，4種模型滲流量排序為雙缺陷模型>直徑缺陷模型>垂直度缺陷模型>無缺陷模型。與兩種缺陷同時存在相比，單一缺陷對旋噴樁滲流量的影響較小，兩種缺陷同時存在對旋噴樁的抗滲性能影響最大。

(3)提出超高壓旋噴樁“臨界咬合厚度”概念，為合理設置旋噴樁參數提供了依據。

(4)旋噴樁幾何缺陷是導致注漿加固體滲漏水的重要因素，施工過程中須采取有效措施減少幾何缺陷的出現。