止水帷幕技术在管线施工中的应用.pdf

第 2 1卷第 4期 2 0 0 3年 7月 市 政 技 术 mu ni c i p a l en g i n e e rin g te c hn o l o g y v0 1 2 1 no 4 j u l y 2 0 0 3 文章 编号 ：1 0 0 9 7 7 6 7一( 2 0 0 3 ) 0 4 0 2 1 9一o 6 止水帷幕技术在管线施工中的应用 田志勇 ( 北京市排水集团， 北京市崇文区， 1 0 0 0 6 1 ) 摘要：通过对清河污水处理厂进退水方沟沟槽支护工程设计、 施工的一些主要问题、 处理方法及其结果的阐述， 表明 止水帷幕技术可较好地应用于高地下水位深沟槽管线的施工。 关键词：护壁桩高压旋喷桩止水帷幕 中圈分 类号 ：t u 9 9 2 0 5 文 献标 识码 ：c ap p l i c a t i o n o f w a t e r s t o p cu r t a i n te c h n i q u e i n p i p e li n e co n s t r u c t i o n ti a n zh i y o n g 作为 国际化 大都市 、中国政 治文化 中心 的北京 市 ， 为积极准备 2 0 0 8年奥运会 ， 一大批污水处理厂开 始筹建 ， 而与其配套的污水管线工程也在紧张而有序 地施 工 着 。 作为污水处理厂的主要配套工程污水管线 ， 贯穿于城市 的各个 角落 ，而又作 为重力流管线 ， 它 的 埋深在各种市政管线之 中属于 比较深的一类 ：浅者 34 i n ， 深则 91 0 i n ， 而且它的周围往往又有各种建 筑物、 构筑物或其他市政管线 ， 为其施工带来很大 的 困难 。 就管线施工本身而言 ， 可以有不 同的施工方法 ： 明开法 ( 大开槽 ) 、 顶管法 、 盾构法、 浅埋暗挖法等 。它 们各适用于不同的地质条件及周边的环境条件。 其中 明开法施工相对来说是比较经济 的一种施工方法 ，但 由于其工作条件的特殊性 ， 受地质、 水 、 环境和施工等 多种因素影响 ， 其沟槽支护结构必须认真设计与施工 ， 才能为管线施工创造有利条件。下面以灌注桩与高压 旋喷桩相结合共 同形成止水帷幕技术为例加以说明。 1 工 程概 况 1 1 工程简介 清河 污水 处理厂进退水 管线工程退水方沟 ( 2 2 4 0 02 2 0 0 m m) 位 于规 划 路永 中西侧 3 i n ， 全 长 1 1 2 9 m， 埋深约为 4 m； 进水方沟 ( 2 8 0 02 7 0 0 m m) 位于规划路永中东侧 4 m，全长 1 0 9 4 in ，埋深约为 9 0 i n ， 结构形式全部为现浇钢筋混凝土方沟。 进水方沟东侧 自北 向南沿线有 多处民用及 公共 建筑。建筑物地基形式除一处为独立柱基础外 ， 其余 为条形基础 ， 基础埋深在 1 5 m左右 ， 建筑物距进水 方沟最近处为 1 1 it i 。 见图 1 。 1 2水文地质情 况 1 2 1地质土层情况 根据地质勘察报告提供 的资料显示 ， 该地层 比较 复杂且土质变化大 ， 在支护结构埋深范围内， 具体组 成土层如下 ： 层： 厚度为 1 3 0 3 9 0 m的轻、 中亚粘土， 碎 石填土层 ， 废渣土层 层： 新近沉积的重、 轻亚砂土， 中、 轻亚粘土层 层： 细粉砂层 层： 卵石、 圆砾层 ， 细砂层 层： 第四纪沉积的轻、 中亚粘土层， 重亚粘土层， 粘土层 ， 亚砂土层 ， 细 、 粉砂层及重亚砂土 ， 轻亚粘土层 1 2 2地下水文情况 地 下水静 止水 位标 高为 3 5 4 1 3 7 6 3 i n ( 埋深 1 3 03 7 0 i n ) ， 因受周 围环境 条件 的影响 ， 地下水位 变化较大。地下水属潜水 ， 历年最高水位标高接近 自 然地 面。 1 3深基坑施工难点 ( 1 ) 该工程施工区域地下水位很高， 降水质量直 接影响工程的质量和进度。 维普资讯 2 2 0 市政技术 第 2 l 卷 图 1 管线平 面位置示 意图 ( 2 ) 进水方沟埋深大且与退水方沟高差大 ， 进水 方沟沿线 东侧有大量重要建筑物和一条 d n 4 0 0上水 干线 ， 施工过程中需采取措施以防建筑物产生不均匀 沉降。 ( 3 ) 施工现场地下水位较高 ， 地质情况 以粉细砂 和卵砾古石为主。根据地质勘测报告 ， 渗水系数 值 达 7 51 5 0 m d 。因施工 中的降水井影 响半 径较大 ( 达 1 0 0 m) ， 进水方沟沟槽距周边建筑物较近 ， 所 以， 若不采取有效的防渗处理措施 ， 势必造成周边建筑物 的不均匀沉降。 2 护壁桩 的设计 与施工 该工程支护结构主要采用钢筋混凝 土灌注桩加 横 向支撑方案。 2 1 护壁桩 的布置( 见 图 2 ) 图 2 护壁桩布 置及沟槽立 面示 意图 ( 1 ) 因进水方沟东侧有一条现况 d n 4 0 0上水 ， 距 离进水方沟结构东墙外边仅有 1 0 m，为保证其正常 使用， 拟在进水方沟与 d n4 0 0 上水之间施工 o 6 0 0护 壁桩。为了不扰动退水方沟地基 ，在进退水方沟之间 且位于退水方沟地基 以下部分亦打 06 o 0护壁桩 。 ( 2 )护壁桩均采用 c 2 0混凝土。除特殊要求外 ， 桩径均为 6 0 0 m l n 。 桩间距为 1 2 m。 桩顶设置连粱 ， 以便提高护壁桩的整体稳定性。 2 2护壁桩的计算 2 2 1 基本情况 以护壁桩最不利荷载处为计算点，护壁高度为 8 2 2 m。根据地质勘察报告 ，主动土压力区平均摩擦 维普资讯 2 0 0 3 年第 4 期 止水帷幕技术在管线施工中的应用 2 2 1 角 p 。 =3 0 ， 被动土压力区平均摩擦角 t p p =2 2 。 ， 天然重 度 - y =1 8 5 k n m 3 。 槽东侧 由于做止水帷幕 ， 所以地下 水位为常水位， 即液面距地面为 2 5 m ； 降水后槽底地 下水位为槽底以下 0 5 i n ，即液面距地面为 9 5 i n 。 2 2 2护壁桩计算 所有桩长计算按桩顶 以下 2 7 i n处做支撑考虑 ， 桩顶荷载按 p= 2 o k n m 计算 ( 考虑 1 i n 厚的土层 产生 的荷载 ) ， 见图 3 。 一 2 ) ， l 、 j i j j l a r i = 卫 i f i f l丘 t i f l 耳 i 、 f i c d f g 图 3 主动土压力系数 ： = t g 2 ( 4 5 。 一 p 。 2 ) = t g 2 ( 4 5 。 一3 o 。 2 ) = 0 3 3 被动土压力系数 ： = t #( 4 5 。 + p p 2 ) ： t g ( 4 5 。 + 2 2 。 2 ) ： 2 2 0 系数 l l ， =口 h：2 7 8 2 2=0 3 2 8 系数 k=p h=2 0 1 8 58 2 2=0 1 3 据公式 ： g = ( 3+ 2 w一 3 l l， ) ( 1 +1,0 ) ( 2 +2 1,0 3 l l ， ) + 3 k( 1 + ) ( 1 + 一2 l l ， ) 带人数值 ： 0 1 5= ( 3+2 w一 3 0 3 2 8 ) ( 1 + 2 x( 2+ 2 1 ,0 30 3 2 8 ) +30 1 3( 1+ ) ( 1 + 1,020 3 2 8 1 解得 ： 1,0 ：0 5 1 所 以， 桩人土深 t =i ,oh=0 5 1 8 2 2=4 1 9 n l 桩长 =8 2 2+ 4 1 9=1 2 4 1 n l ， 取 1 2 4 n l 2 2 3 护壁桩最大弯矩计算 h t =1 5 m( 地下水位以上 的部分) = 1 2 4 1 1 5 =1 0 9 1 m( 地下水位以下的部分) 土的浮重度 ； 水 的重度 ； 图 3中，a c d e是地下水位以上土所引起 的土压 力 ； de f是地下水位以下土所引起 的土压力 ； e f t 是 地下水引起的压力 ； 则 ： 桩后主动压力 ( 包括作用于桩后 的土压力及水压 力) ： e | l =( h l +2 h 2 ) 0 5 h i +( + - ) o 5 h 2 2 ：( 1 5+ 2 1 0 9 1 ) 0 51 8 5 1 5 x 0 3 3 + ( 9+1 0 ) 0 51 0 9 1 0 3 3 ：1 0 6 7 8+3 7 3 1 5=4 7 9 9 k nm e | 2 =p( h+t ) =2 01 2 4 1 0 3 3 =81 9 k nm 桩前被动压力 ( 包括作用 于桩前的土压力及水压 力) ： 近似取桩前地下水位 与槽底高程一致 ， 则 ： = 0 5产( - y + - y ) =0 5 4 9 1 ( 9+1 0 ) 2 2=3 6 6 9 k n m 取 =0 ( 1 2 4 1 2 7 ) t=1 2 4 1 | l 3+1 2 4 1 | 2 2 41 9 3 t =2 0 4 0knm 假设距桩顶 处剪力为零 ， 则 1 2 + p i ll t=0 = 一腿+【 ( p k , ) +2 】 n ) = 一2 00 3 3+ ( 2 0 0 3 3 ) +21 8 5 0 3 32 0 4 0 】 1 8 5 0 3 3 =71 7 n l l ：t ( h一口 一p k , 2 6 =2 0 4 0( 7 1 72 7 ) 一2 0 0 3 3 71 7 2 1 8 50 3 3 7 1 7 3 6 =91 1 8 1 6 9 6 5 37 51 = 3 6 7 05 k n n l 2 2 4护壁桩配筋 ( 略 ) 2 2 5支撑计算 ( 略 ) 2 3护壁桩 的施工 2 3 1 施工测量。 开工之前做好交接桩及测定校核 工作 ， 建立沿线水准点及方 向桩 ； 做好栓桩 、 固定水准 点工作 ； 钻孔时要 由专职测量人员定线排距 。 2 3 2 护壁桩均采用 c 2 0混凝土 。 除特殊要求外桩 径均为 q 6 0 0m m， 桩间距为 1 2 n l 。 2 3 3 护壁 桩顶做水平 钢筋混凝 土连梁 ，尺 寸为 6 0 0 mm 40 0 n l lrno 2 3 4 护筒埋设。为控制桩位 ， 防止孔口坍塌， 抬高 孔压力以稳定孔壁和固定钢筋笼等 ，钻机安装就位 维普资讯 市政技术 第 2 1 卷 前必须埋设护筒。护筒用厚 8 mm钢板卷成 ，内径为 8 0 0 ll ll n ，埋设护筒顶高出地面2 0 0 3 0 0 m m，长度 1 8 m， 埋设时必须保证护筒 中心与桩 中心偏差不大于 5 e m， 垂直度小于 1 。 布埋护筒后 ， 必须将护筒 四周用 土回填捣实， 防止护筒下沉。护筒埋设好后， 测量护筒 顶面标高， 做好原始记录， 桩孔深度以护筒顶为基准。 2 3 5 护壁桩的施工均采用旋挖钻机 ( 本工程采用 r一 4 1 2 h d型) 成孔。施工前钻机按指定位置就位 ， 在 技术人员指导下调整桅杆及钻杆角度 ， 钻机安装就位 后精 心调平 ， 确保施工中不发生倾斜位移 。 2 3 6 开钻时 ，前几个 回次一定要轻压慢转 、慢放 慢提 ， 特别是到护筒底部时 ， 注意不要挂碰护筒 。 由于 桩孔 直径小 ， 随时注意泥浆池 ， 保持孔 口周边干净 。 在 钻进时， 一定要保持浆面不得低于护筒顶 4 0 e m； 在提 钻时须及时向孔 内补浆以保证水头。 2 3 7 钻进过程中 ，应严格控制进尺 ，并根据地层 调整泥浆性能 ，对于粉粘 、粘土层采用稀泥浆 ( 密度 1 2 0 1 2 5 g e m ) ； 对杂填土、 粉土 、 卵砾石层采用 稠泥浆 ( 粘度 1 8 2 5 s ， 密度 1 2 51 3 0 g e m ) 。 2 3 8 在钻进过程 中应防止超径 ，保证垂直度 ，采 用小压力慢转速旋挖 ， 不可进尺太快 ；同时由于泥浆 护壁须给一定的护壁时间。 2 3 9 钻进过程 中要经常检查钻头尺寸。 2 3 1 0 浇注混凝土时 ，施 工人员和质控人员应认 真计算导管长度 ， 确保导管埋在混凝土 中 11 5 m， 确保不发生断桩事故。 2 3 1 1 注意事项 ( 1 ) 打桩 的施工机械必须 由有操作证者操作 ； ( 2 )吊车放钢筋笼时设有上 岗证的专人指挥 ， 在 操作范围内禁止无关人员停 留； ( 3 ) 护壁桩钢筋 内环筋焊接长度不小于 1 0 d 。焊 完后 由质检人员进行检查 ， 确认合格后 方可用于钢筋 笼绑扎。 3 止水帷幕的设计与施工 主要采用 高压施喷桩 与钢筋混凝土灌注桩相结 合的方法 ， 共同形成止水帷幕 。 3 1 止水帷幕的必要性 由于该工程特殊的周边环境 ，如果考虑大面积施 工降水， 降水井一般应布置于距建筑物6 m处。 根据地 质勘测报告 ，该土层渗水系数 值达 7 51 5 0 m d ， 施工中的降水井影 响半径较大 ( 达 1 0 0 m) ， 建筑物地 基土在失水的情况下会出现沉降， 又由于降水漏斗的 形成， 这种沉降是不均匀的， 当不均匀沉降达到一定 程度时 ， 建筑物地基将被拉裂 ， 直接影 响建筑物 的安 全。 因此 ， 必须采取有效的防护措施， 保证建筑物的安 全。 该工程拟在建筑物与进水方沟之间做一道止水帷 幕 ，只在帷幕 的西侧进行施工降水 ， 降水井位于进退 水方 沟之 间护壁 桩 的西侧 ，直径 为 3 0 0 n l n l ，深 1 1 m， 间距为 1 0 m， 目的在于保持帷幕东侧地下水位 不变或变化不大 ， 见 图 3 。 3 2施工布置 根据施工现场实际情况 ， 进水方沟东侧建筑物密 集 ， 考虑到降水井 的影响半径及此段基坑的支护措施 为护壁桩 ，采用在 0 o mm护壁桩之 间打高压旋喷 桩形成止水帷幕 ， 护壁桩中心间距为 1 2 m， 桩外径 间距 为 6 0 0 mm。 护壁桩施工结束后 ， 在两护壁桩之间 打一根 8 0 0 12 1 1 1 1 的高压旋喷桩 ， 与两边护壁桩 咬合 ， 共同形成防渗止水墙 ， 见图 4 。 图 4 高压旋喷桩平面示意图 工程采用单重管法旋喷注浆。 喷射介质为水泥浆 液。 3 3 旋喷桩设计直径及嵌固深度计算 依据 建筑地基处理技术规范 规定 ， 旋喷桩的直 径为 ：粘性土 0 n5 ， 取 0 5 0 8 m； 砂土 1 1 n 2 0 ， 取 0 50 9 m。故取 0 8 m。 依据 建筑基坑支护技术规程 规定 ， 落底式竖 向 截水帷幕插入下卧不透水层， 其插入深度按下式计算： l =0 2h w 一0 5 b 式中 ： 一帷幕插入不透水层 的深度 ； 一 作用水头 ( 取 7 5 m) ； 6 一帷幕厚度 ( 取 0 5 m) ； 则 ： l=1 2 5 m。 根据北京市勘察设计研究 院 9 9市 0 8 2号岩土工 程勘擦报告， 考虑地层分布的不均匀性 ， 粘土层位于 地面以下 1 01 2 m， 故工程 中取高压旋喷桩长 1 4 1 1 1 。 维普资讯 2 0 0 3年第 4期 止水帷幕技术在管线施工 中的应用 2 2 3 3 4高压旋喷桩施工 3 4 1 施工机械设备选型及技术参数 选用 2台单管高压旋 喷设备及配备件 ， 主要技术 参数如下 ： a c f 一 7 o o型高压 注浆泵 ，罗马尼 亚产 ， 自重 7 5 0 0 k g ， 额定电机功率 7 5 k w， 注浆压力大于 4 0 m p a ， 流 量为 8 01 5 0 l rai n ， 泵输入速度为 2 2 8 6 8 4 r ra i n 。 x p 一3 o型旋喷钻机 ， 西安产 ，自重 7 1 0 k g ， 额定 电机功率 1 8 k w， 旋喷深度 为 3 0 m， 喷嘴 1 2个 ， 喷 嘴直径 2 53 2 m m， 旋转速度为 1 o2 5 r rai n ， 提 升速度为 1 o3 5 c m mi n 。 其他附属设备 ： j b 一8 o型搅拌机 自重 2 7 0 k g 额定功率 6 k w s h 一3 1 o型排 污泵 自重 1 5 0k g额定功率 2 5 k w b x 2 3 2 5型搅拌机自重 1 0 0 k g 额定功率 3 3 k w 3 4 2施 工 工艺 高压喷射注浆 ： 利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻 入土层的预定位置 ， 然后将浆液 以高压流的形式从喷 嘴里射出 ， 冲击破坏土体 ， 高压流切割搅碎土层 ， 呈颗 粒状分散 ， 一部分被浆液带 出钻孔 ， 另一部分则与浆 液搅拌混合 ， 随着浆液 的凝固 ， 组成具有一定强度 和 抗渗能力 的固结体 。喷射流 以 3 6 0 。 回转 ， 且喷射流 由 下而上提升时 ， 固结体 的截面形状为圆形 。 ( 1 ) 测量定孔位 ： 用经纬仪精确定出桩位并编号 ， 由监理验收后方可施工 ； ( 2 ) 机具就位 ： 桩尖对准拟成桩桩 中心 ， 校正机身 水平 ， 使钻杆垂直。 要求将钻头对准孔位中心， 同时钻 机平面应放置平稳 、水平 ，钻杆垂直度不小于 1 1 5 ： ( 3 ) 钻孔、 贯入注浆管： 用旋喷钻机钻孔到设计深 度 ， 拔出钻杆 ， 插入 中1 o 8 n u l l 旋喷管 ， 在插管过程中， 为防止泥砂堵塞喷嘴 ， 可用较小的压力边下管边射水 ； ( 4 ) 喷射注浆、 复喷： 自下而上进行旋喷作业 ， 旋 喷头部边旋转边上升， 在高压泵作用下 ， 将水泥浆均 匀连续地送入被搅拌的土中。 此时旋喷作业系统的各 项工艺参数 ， 都必须严格按照要求加 以控制 ， 并随时 作好旋喷时间、用浆量 、冒浆情况 、压力变化等的记 录 ； 在第一次喷射完成后 ， 重新将旋喷管插入到孔 中 进行第二次喷射 ； ( 5 ) 拔管、 冲洗 ： 旋喷管被提到设计标高时 ， 该孔 的喷射 即完成 ， 将卸下 的旋喷管逐节拆下 ， 进行 冲洗 ， 以防浆液在管内凝结堵塞 。 3 4 3技术要求 ( 1 ) 注浆压力 ：2 o2 5 mp a ； ( 2 ) 水灰 比：1： 1 ； ( 3 ) 水泥掺入量 ：( 3 0 0 2 0 ) k g m； ( 4 ) 旋转 速度 ：2 o2 2 r ra i n， 提升 速度 2 0 2 4 c mmi n； ( 5 ) 水泥采用普硅 4 2 5 。 3 5工 艺流 程 ( 见 图 5 ) 图 5 高压旋喷桩施工工艺流程图 3 6质量控制标准 认真执行 建筑基坑支护技术规程 ； 建筑地基 处理技术 规范 。施工后 渗透 系数 要求达 到 1 o 1 0c m s o 4观测点布置 为确保沟槽 的安全 ， 及时处理施工过程中发生的 问题 ， 在距建筑物较近 的护壁桩顶连梁上设置 了水平 位移观测点并在每个建筑物上布 2个沉降观测点 ； 在 建筑物沿线 ，不被施工及社会影 响的地 方布水 准基 点， 用于建筑物沉降观测， 以及时发现情况。 为验证止 水帷幕的止水效果 ，止水帷幕 的东侧每 5 0 m布一 口 中3 o o m m、深 8 m的井用于观测地下水位 ， 并在建筑 物周 围布置回灌井。 在沟槽开挖过程中进行全方位监测 ， 实施科学 的 信息化施工， 发现异常情况立即采取应急措施 ， 已确 保 沟槽及邻 近建筑物 的安全。 维普资讯 2 2 4 市政技术 第 2 1卷 5体会及建议 ( 1 ) 深基坑支护方案的制定 ， 必须全面分析地质 勘察报告 、 周边环境 、 管线结构特点 ， 并从工程造价 、 工期、 安全等各个方面综合考虑， 进行多方案 比较 ， 抓 住主要矛盾 ， 确定最合理的施工方案。 该工程 的施工方 案在市区内或施工区域狭窄的地方是值得推荐的。 ( 2 ) 由于高压旋喷桩的桩径主要由注浆压力控制 ， 在不同的地层需采用不 同的注浆压力。 在砂卵石层尤 其卵石较大的地层其成桩效果不是特别理想 ， 该工程 在开槽过程 中发现部分旋喷桩在砂卵石层与护壁桩 咬合不是很 紧密 ， 甚至局部有较 大的孔洞 ， 出现流沙 现象 ， 采取的补救措施是及时调整开槽 的速度并在开 槽过程 中迅速往漏水处填塞编织袋 ， 较大孔洞部位填 沙袋 ， 然后打人注浆管压力注入水泥浆或水玻璃 。根 据工程的实际情况 ， 护壁桩的间距最好应控制在 0 2 0 4 m， 护壁桩与高压旋喷桩间咬合应在 2 o3 0 e m， 这 样止水效果会更为理想 。 ( 3 ) 按照施工方案 ， 沟槽开挖分两次进行 ， 第一次 开挖 4 m左右 ， 然后做支撑 ， 再进行第二次开挖 。 由于 支撑做完后第二次开挖无法使用机械 ， 而人工开挖工 程量又太大且工期不允许 ，因此在实 际施工过程 中， 采用一次挖到设计标高 的方法 ， 利用地基空 间影响效 应一次开挖长度不超过 6 m，立 即进行支撑施工 ，然 后开挖下一段 。 开始施工时由于管理不善使得开挖长 度过大造成局部 2根桩倾斜位移超过 3 e m， 经及时调 整后基本达到了设计 的要求 。 ( 4 )由于该工程 长达 1 2 k m，为 了加快工程进 度 ， 在现场施工条件允许的条件下 曾在退水管线 的下 游采用护壁桩护坡、 护壁桩外侧做深层搅拌桩止水的 施工方案。深层搅拌桩是采用水泥做固化剂， 通过特 制的深层搅拌机械， 将地下土层和水泥强制搅拌， 利 用水泥和土之间一系列的物理 一 化学反应 ， 形成整体 性并有一定强度的防渗连续墙 。 由于该工程所在地 区 土层多为砂卵石层 ， 在实际施工过程中螺旋钻头多次 损坏甚至折断在土层 中不能取 出， 深层搅拌机械很难 达到设计深度， 最后还是采用高压旋喷桩完成此段工 程的止水帷幕。 ( 5 ) 清河 污水处理厂污水管道工程由于其地质条 件复杂、地下水位高而给施工带来很大的困难 ，因此 深基坑的防护是成为工程 的关键 。 防护的最终 目的在 于结构施工过程中不发生塌槽和漏水现象 ， 既能使结 构顺利施工 ， 又能使周围建筑物地基不受到破坏 。选 择护壁桩与高压旋喷桩相结合的施工方案 ， 既加快 了 施工进度又降低了工程造价 ，从观测井实测数据看 ， 止水 帷幕东侧地下水位共下降了 1 m