临海复杂地质条件旋喷桩止水帷幕工法.doc

临海复杂地质条件旋喷桩止水帷幕工法 1. 前言图1.1青岛国际帆船中心陆域建筑包括，奥运村、运动员中心、媒体中心、后勤保障中心、陆域停船区地下车库等工程（见图1.1），是第29届奥运会帆船比赛基地，建筑总面积为161806，其中地下建筑面积达66559。该工程位于青岛市东部的临海地段，原地貌形态为海滨平原，后经人工回填改造而形成陆域，现场地形较平坦，地面标高为2.39m4.08m。地层结构与地质构造简单，上部覆盖第四系土层1.5m14.0m，主要为人工填土（内含抛石、块石、碎石以及红砖块与混凝土碎块等建筑垃圾，土质不均匀）、粉细砂、粗砂、粉质粘土和碎石土等，其中有最大断面尺寸超过3m的抛石。其下为分布广泛且完整坚硬的花岗岩。场区地下水主要补给来源为海水的侧渗补给和大气降水的垂直入渗补给，其排汇方式表现为时段性向海径流排泄，其中近海地段的地下水直接与海水相通。地下水位埋深为1.70m3.60m，海水潮汐高低差约4.5m。受潮汐影响，地下水位日变幅200500，地下水动态年变幅为1.5m左右，一般地下水变化较海水变化滞后13小时。为了保证该工程深基坑和地下工程的施工，2004年7月12月，青岛建设集团置业分公司及集团所属的海川建设集团项目部成员在集团公司的组织下，研究并应用了适合临海地下水特点的和抛石、碎石等复杂地质条件下的旋喷桩止水帷幕技术，本工法就是在此基础编写形成的。由青岛建设集团公司、青岛海川建设集团公司、青岛施运机械施工有限公司共同完成的以高透水性抛石、碎石层旋喷桩止水帷幕技术为核心的 “临海复杂地质条件下深基坑工程综合技术的研究与应用”于2007年1月通过了青岛市科技局组织的专家鉴定，该项技术整体水平达到国际先进，并获得了2005年度山东省建筑业技术创新二等奖，目前已申报2007年省市科技进步奖。2. 工法特点2.1 本工法采用传统的旋喷桩，通过分段成孔、注浆再成孔等技术创新解决了在临海复杂地质条件下的成孔及成桩的质量，止水效果好，能够保证近海地段深基坑的正常施工。2.2 本工法采用小型地质钻机成孔，施工机具简易，操作方便，占用的工作面较小，能够调集大量的设备，有利于加快工程进度。2.3 深层搅拌桩和长螺旋灌注桩在碎石和抛石层中不能成孔，而旋喷桩可以在临海复杂地质条件下成孔，且造价低于长螺旋灌注桩。3. 适用范围本工法适用于在含有碎石、抛石的填土，砂层、粉砂、粉土等地下水丰富的临海地段和具有类似土层的内陆地段深基坑工程的止水帷幕施工。基坑开挖深度不宜超过12m。4. 工艺原理利用地质钻机穿透碎石、抛石层，并采用套管护壁、分段成孔、注浆再成孔等技术措施，再使用双管法和三重管法高压旋喷技术使水泥浆液与碎石、抛石等土层结合形成止水效果良好的两两相切的旋喷桩连续地下帷幕，来保证基坑及地下工程的正常施工。5. 止水帷幕设计5.1 内放坡结合止水帷幕内放坡结合旋喷桩止水帷幕是本工法最适宜的边坡支护形式。在施工场区较为开阔时，均可以采用内放坡挂网喷浆的支护形式。对于回填土、砂土层等，可按1:1自然放坡；对于强风化岩，可采用1:0.5自然放坡，见图5.1。图5.1 内放坡结合止水帷幕5.2 双排旋喷桩为了确保止水效果，在成桩困难的块石、碎石区域，可采用双排旋喷桩止水帷幕。对开挖深度为56m，又无法放坡的地段，也可采用双排旋喷桩的方案，其内排桩嵌入基底23m即可。此桩兼做止水帷幕和重力式挡土墙，见图5.2。图5.2 双排旋喷桩5.3 旋喷桩止水结合锚杆支护对开挖深度为712m，又无法放坡的地段，可采用单排或双旋喷桩结合锚杆、土钉支护的方案，见图5.3。为了防止锚杆或土钉施工时造成透水，该方案适宜于地下水与海水不直接贯通的地段，其锚杆应采用自进式锚杆。图5.3 旋喷桩止水结合锚杆5.4 旋喷桩结合桩锚支护对开挖深度超过10m，且土质均匀，无碎石和抛石的土层，近海距离超过50m的基坑工程，采用了长螺旋压浆灌注桩、锚杆与旋喷桩结合的支护形式，见图5.4。图5.4 旋喷桩结合桩锚杆5.5 设计计算桩径、桩距、桩的排数、桩的入土深度、锚杆与土钉支护结构的设计应结合工程的地质、边坡等条件，进行旋喷桩的渗透性试验并经相应的计算确定。6. 工艺流程及操作要点6.1 工艺流程平整场地放线钻1序孔插管喷射作业钻2序孔插管喷射作业帷幕结束。6.2 操作要点6.2.1 施工准备（1）止水帷幕桩施工前应清除成孔范围内的障碍，防止施工受阻或成桩偏斜。当清除范围较大或较深时需将覆土压实、整平。不宜通过排水清除地下水位以下的障碍，防止引起大面积的边坡坍塌。（2）在帷幕桩施工前做工艺试桩，通过试桩熟悉施工区域的土质状况，确定钻进深度、喷浆提升速度、喷浆速率、钻进状况等工艺参数。表6.2.1为奥运帆船比赛基地工程所使用的旋喷桩工艺参数。（3）施工前先确定止水帷幕桩孔的位置，钻机的钻杆头对准孔位的中心并保证其要求的垂直度，确保桩身垂直度偏差不大于1%。表6.2.1 二管法高压旋喷工艺参数土层浆量L/min浆压MPa气量L/min气压MPa提速cm/min转速/S抛石层903640300.75615碎石层9036300.76815砂层9034300.61012156.2.2 成孔及注浆（1）由于土质条件差，钻机成孔时应采用膨润土配制的泥浆护壁。旋喷注浆管需插入地层预定深度，插管过程中为防止泥浆堵塞喷嘴，边射水、边插管，为防止压力过高将孔壁射塌，设计水压力不超过1Mpa。喷管插入预定深度后由下而上进行喷射作业。（2）旋喷施工时严格控制喷杆的提升速度，根据进场的设备型号按工艺参数控制提升速度，保证成桩直径达到设计要求。旋喷钻杆的旋转和提升必须连续不中断，确保水泥浆沿桩长均匀分布。（3）施工中发生意外中断注浆或提升过快现象应立即暂停施工，重新下钻至停浆面或少浆桩段以下500mm的位置再注浆提升，保证桩身完整，防止断桩。相邻桩施工的时间间隔一般不超过24h，如时间间隔过长，可适当增加后序桩的水泥掺量。6.2.3 碎石及抛石层的成桩施工（1）近海地段，形成止水帷幕前不得排水超深开挖，以防止海水带走碎石、块石间的细粒土，造成边坡坍塌和旋喷桩成孔的困难。（2）由于土层中有大量坚硬的花岗岩块，钻头消耗量大，成孔速度慢，会经常出现卡钻和掉钻头的现象，施工中可采用钢粒钻、金刚钻、合金钻和潜孔钻成孔。为避免钻孔未穿透抛石层，留下透水的隐患，应对比成孔深度与地质报告中岩面的深度，并鉴别抛石岩性和地层基岩的岩样。施工中在穿越抛石层时钻杆晃动厉害，进入基岩后，则钻杆进尺平稳。（3）对于泥浆护壁难以成孔的部位，可采用钢套管跟进护壁成孔。随着钻进，随下入和孔径相配套的钢套管支撑孔壁，达到深度后，向套管内下设PVC护壁花管，拔出钢套管，将喷头下到设计位置进行高压喷浆。（4）在不含细粒土的碎石、抛石间成孔及高压喷浆时，会出现塌孔和严重漏浆的情况，施工中可采用调整喷头的提升速度，适当延长喷射时间，并在喷浆的同时从孔口填充砂料等措施。在抛石层旋喷时，如出现水泥浆大量流失不能成桩的情况，施工中可先采用高压注浆填充碎石及块石间空隙，即：在抛石间注入了细石混凝土或水泥浆、砂和占水泥用量5的水玻璃（速凝剂），然后再成孔、旋喷的方法。为了防止注浆料被海水冲走，应在低潮位时进行高压注浆。图6.2.3 利用潮汐差分段成桩工艺图（5）利用潮汐差分段成桩施工。在近海与海水贯通的抛石和碎石层中，如因漏浆、塌孔等原因而无法成桩时，可在涨潮前将最低潮位的段桩完成，待涨潮水位达到旋喷位置时停止旋喷，防止水泥浆被海水带走。此时，将喷管调至上部透水性较差的土层，完成段的旋喷。待潮位降至段桩顶部以下时，立即成孔并在段桩顶部下300开始旋喷，旋喷至涨潮的水位时再停止，往复几次直至完成段桩的旋喷，见图6.2.3。7. 材料与设备7.1材料7.1.1 泥浆。沿海地区土体的稳定性较差，而且与海水贯通，地下水中含有浓度较高的Na、Ca等阳离子。因此，钻孔过程中，为了防止塌孔及护壁泥浆中的粘土凝聚、沉淀分离，应采用膨润土配制优质的护壁泥浆，泥浆的性能指标见表7.1.1。为了提高护壁泥浆的黏度，利于成孔，可掺加35%的火碱取代膨润土。表7.1.1 护壁泥浆性能指标相对密度粘度含砂率胶体率稳定性PH值1.552628s4950.03g/cm28107.1.2 旋喷桩固化剂及材料要求。可采用P.O32.5R水泥，直径1.2m的帷幕桩每延米用量为450550kg；喷射用水泥浆的水灰比可取0.81.5，常用1:1.051:1.1。7.2 设备钻孔可采用普通地质钻机，注浆可采用双管法和三重管法的高压注浆设备，其中双管法是在三重管法基础上改进的，有别于双重管法高喷技术，其特点是：喷射半径长，节省材料，工效高，减少环境污染。奥运帆船比赛基地的奥运村及运动员中心工程的止水帷幕施工共安排了6个机组，每个机组配备GX-300工程钻机2台，CYP液压台车一台及GNB-90B高压泥浆泵一台。8. 质量控制8.1 标准及规范使用本工法所涉及的规范、规程及标准如下：建筑基坑支护技术规程JGJ120-99建筑地基基础工程施工质量验收规范GB50202-2002建筑地基处理技术规范JGJ79-2002 J220-20028.2 质量控制要点及措施8.2.1施工前应检查水泥、外掺剂等的质量，桩位，压力表、流量表的精度和灵敏度，高压喷射设备的性能等。8.2.2 施工中应检查施工参数（压力、水泥浆量、提升速度、旋转速度等）及施工程序，并严格按照工艺参数和材料用量施工，如实做好各项记录。8.2.3为保证桩位正确和桩身的垂直度，应严格控制钻机的定位和垂直度。钻孔入岩应不小于500mm，以确保基岩面与帷幕的结合密实，保证止水效果。成孔后须由业主、监理、勘察单位验收合格后方可终孔，并做好记录，由各方签字认可。8.2.4旋喷注浆时，通过控制提升速度和相邻桩施工的时间间隔，保证桩身和帷幕墙体的完整性。9. 安全措施9.1 止水帷幕施工所用的设备功率较大，用电量较高，施工时严格根据相关规定进行临电设置，对用电设备进行“三级”保护，电缆线必须架空或埋入地下0.5m，并加强过程检查。施工用电动机具均应有保护接零。9.2 由于设备较大且现场移动频繁，设备移位及就位时重点进行安全防控。9.3 空压机的安全阀、压力表、调节器、温度表必须灵敏可靠，指示正常，各类施工机具自身的安全防护装置必须齐全有效。9.4 完成止水帷幕前，不得进行强制性的排水开挖，以免引起边坡的坍塌。9.5 执行本工法时，还应遵守相关的安全技术规范和操作规程。10. 环保措施10.1 施工现场应控制泥浆污染、扬尘污染和噪声污染，其中噪声指标应控制在夜间55dB、白天75dB。10.2 钻孔护壁泥浆应设泥浆池，以循环使用，节约材料，减少污染。注浆机注浆时溢出的水泥浆需提前挖坑引流，避免无序流淌，待溢出的水泥浆硬化后及时清理外运。10.3 搅拌及喷射细石混凝土时控制扬尘及细石混凝土对周边环境的污染，搅拌机设置围护棚遮挡，喷射混凝土时操作面周边范围内应进行遮盖。10.4 冲洗出场区的车辆，防止污染周边的市政道路，冲洗污水应流入现场的明沟及沉淀池中。10.5 规范场区管理。按照标准化工地的要求规范场区管理，使进入场区的材料、设备、拆除的周转材料等按照要求有序堆放。11. 效益分析以下是本工法在奥运帆船比赛基地的奥运村、运动员中心工程中应用的效益分析。11.1 经济效益。奥运村和运动员中心采用的是以高压旋喷止水帷幕+自然放坡为主的基坑围护方案。该方案虽然增加了部分土方开挖量，但支护费用大大降低，奥运村和运动员中心基坑开挖、止水帷幕的总造价为1432万元，综合费用较桩锚围护体系减少239万元。较桩锚围护体系减少钢材用量约300t。较桩锚围护体系土方开挖增加43000m3，占总量的14.3。11.2 工期分析。由于旋喷桩可穿过碎石及抛石层，并与之结合形成渗透性很低的止水帷幕，其固结体的渗透系数可以达到10-710-8cm/sec。因此，采用旋喷桩止水帷幕，仅通过设置明沟、盲沟、集水井就解决基坑内的明水，保证了正常的施工和整个奥帆赛工程的工期。陆域停船区地下工程为地下1层，挖深7.5m，面积15070，采用旋喷桩止水帷幕，基坑内共设集水井8个，排水用水泵8台，经计算整个基坑的排水量为20m3/h。奥运村及运动员中心工程，地下工程面积近4.2万，基坑深度11m，自2004年8月26日开始基坑开挖和止水帷幕施工，10月5日插入地下室混凝土结构施工，至2004年10月31日基坑开挖全部结束，仅用了2个月。11.3 节能和环保。采用本工法较桩锚围护可以减少钢材用量，有利于节能和环境保护。由于旋喷桩止水帷幕的渗透性较低，使基坑周边的水位降低很小，不能造成基坑周边土层的固结沉降，保证了周边环境的安全。11.4 社会效益。采用本工法可以保证工期和基坑的安全，在临海复杂地质条件和其他类似地质条件的基坑施工中进一步推广应用将产生良好的社会效益。12. 应用实例12.1 第29届奥运会青岛国际帆船中心奥运村、运动员中心12.1.1 工程概况本工程原地貌形态为海滨平原，后经人工回填改造而形成陆域，现场地形较平坦，地面标高为2.593.78m，总的地势为东略高西略低。主要岩性为人工填土、粉细砂、粗砂、粉质粘土和碎石土等。其下为分布广泛且完整坚硬的花岗岩，属建筑抗震有利地段，场地的稳定性良好。场区内地下水类型为第四系孔隙潜水弱承压水，主要赋存于砂层中，接受大气降水补给和海水侧渗补给，稳定水位埋深2.20 m3.30m，水位标高0.44m1.45m。地下水与海水有密切的水力关系，在场区西南部地下水直接与海水相通，受潮汐影响，地下水位日变幅5-10cm。地下水动态年变幅为1.5米左右。根据青岛海洋地质工程勘察院勘查报告，基坑开挖深度范围内地层地质情况分述如下：第层：填土 层厚0.704.90m，层顶标高2.593.78m。第层：粉细砂 层厚0.404.70m，层顶标高-2.774.00m。第层：粗砂 层厚0.805.70m，层顶标高-4.893.44m。第层：粉质粘土 层厚0.503.60m，层顶标高-7.881.88m。第层：粗砂 层厚0.502.30m，层顶标高-8.681.30m。第层：砂质粘土 层厚0.400.80m，层顶标高-5.930.86m。第层：强风化花岗岩 层厚0.313.20m，层顶标高-10.192.60m。第层：中风化花岗岩 层厚0.26.6m，层顶标高-18.890.78m本工程设二层地下室，有地下连廊相通，地下室总建筑面积约为41000m2，基坑开挖深度约为11米，工程地下水位以下部分约为8.5米。12.1.2 施工情况根据工程的地质情况及紧张的工期要求，本工程采用两两相交的高压旋喷桩作为止水帷幕，并采用高压旋喷止水帷幕+自然放坡+集水明排的方法作为本工程深基坑工程的围护技术。高压旋喷桩直径1200mm，相邻两桩中心距1000mm，本工程止水帷幕于2004年8月26日开始施工，至2004年9月29日上午最后一根桩施工完毕，完成整个止水帷幕的交圈封闭,共施工帷幕桩983根，总桩长为9056m。其间根据工程平面布局开阔的特点实施了分层及分区流水作业施工，从2004年8月26日开始到2004年12月底，在以上方法成功实施的前提下，本工程共完成土石方爆破挖运共计296415m3，PVC防水卷材施工面积31000m2，钢筋制作加工安装量共计9458T，混凝土浇筑量共计53200m3，成功的完成了41000m2的地下室结构施工。12.1.3 工程监测与结果评价本工程围护体系采用本方法施工完毕后总共近9000m2的围护坡面上总共发现明水渗流点11处，坡面渗水用水泵顺利排出坑外。在土石方爆破开挖过程中及地下结构施工过程中委托专业单位采用全站仪对边坡稳定进行监测，共在具有代表性的不同部位设置观测点20个，从2004年9月27日开始至2004年11月17日共进行了15次位移监测，经对监测点位移图进行分析，最大位移11mm，从第11次观测（2004年10月30日）开始边坡位移开始稳定不再扩展，且坡顶无可见性裂缝出现。本工艺的实施为整个地下室施工创造了安全和相对干燥的施工环境。12.2 青岛市石老人海水浴场地下停车场及更衣室工程12.2.1工程概况本工程场区位于东海路以南，现石老人海水浴场内。基坑北侧为东海路，其它三侧为海水浴场沙滩；地下建筑物外墙距东海路人行道路芽石距离约为7m，其它三侧地域开阔，有足够放坡空间。其中地下停车场建筑面积3770m2，地下一层，层高4.5m，框架结构，包括地下停车场及更衣室，相对标高0.000等于绝对标高值（黄海系）-0.400m；地下更衣室A、B建筑面积2500 m2，地下一层，层高4.5m，框架结构，包括地下停车场及更衣室，相对标高0.000等于绝对标高值（黄海系）0.000m。地下车库基坑开挖深度约为4.56m，地下更衣室A、B基坑的开挖深度约为6m。场区地形较平坦，呈现南低北高阶梯状，地面标高0.224.50m。地貌属滨海堆积平原潮间带。场区第四系厚度较大，成分较简单，主要由第四系全新统人工填土，第四系全新统海湘沉积层，第四系上更新统洪冲积层组成，基岩为燕山晚期粗粒花岗岩。勘探揭露的场区地层情况简述如下：第层素填土，层厚1.003.50m，层底标高-0.622.69m。第1层中粗砂，层厚0.704.30m，层底标高-1.810.97m。地基承载力特征值fak=200Kpa，变形模量E0=15Mpa。第2层卵石，层厚0.605.20m，层底标高-1.812.86m。地基承载力特征值fak=250Kpa，变形模量E0=15Mpa。第3层中细砂，层厚1.205.70m，层底标高-8.09-2.14m。地基承载力特征值fak=200Kpa，变形模量E0=15Mpa。第层淤泥质粉细砂，层厚0.706.60m，层底标高-10.67-5.50m。地基承载力特征值fak=100Kpa，变形模量E0=6.0Mpa。第层粉质粘土，层厚0.504.50m，层底标高-13.29-5.95m。地基承载力特征值fak=180Kpa，压缩模量ES1-2=5.0Mpa。第层粉质粘土，揭示层厚0.505.50m。地基承载力特征值fak=200Kpa，压缩模量ES1-2=8.0Mpa。第层砾砂，层厚2.304.10m，层底标高-13.84-13.16m。地基承载力特征值fak=250Kpa，变形模量E0=20.0Mpa。第层花岗岩强风化带，仅场区东侧局部钻孔揭露。地基承载力特征值fak=800Kpa，变形模量E0=35Mpa。场区地下水主要为海相沉积层中孔隙潜水，透水性良好，主要赋存于第、层砂土中，第、层为相对隔水层。地下水自北向南径流。稳定水位埋深0.503.00m。12.2.2 施工情况根据工程的地质情况及工期要求，本工程采用两两相交的高压旋喷桩作为止水帷幕，并采用高压旋喷止水帷幕+自然放坡+集水明排的方法作为本工程基坑工程的围护技术。高压旋喷桩直径1200mm，桩中心距1000mm，相互之间咬合200mm，旋喷桩深度进入到隔水层第层粉质粘土层500mm，竖向将地下水隔断。本工程止水帷幕于2005年3月26日开始施工，至2005年4月28日下午最后一根桩施工完毕，完成整个工程止水帷幕的交圈封闭,共施工帷幕桩950根，总桩长为10185.4m。12.2.3 工程监测与结果评价本工程围护体系采用本方法施工完毕后总共近5000m2的围护坡面上总共发现明水渗流点6处，坡面渗水用水泵顺利排出坑外。在土方开挖过程中及地下结构施工过程中委托专业单位采用全站仪对边坡稳定进行监测，共在具有代表性的不同部位设置观测点12个，从2005年4月12日开始至2004年10月20日共进行了20次位移监测，经对监测点位移图进行分析，最大位移8mm，从第12次观测（2004年7月28日）开始边坡位移开始稳定不再扩展，且坡顶无可见性裂缝出现。本工艺的实施为整个地下室施工创造了安全和相对干燥的施工环境。12.3 第29届奥运会青岛国际帆船中心媒体中心12.3.1 工程概况第29届奥运会青岛国际帆船中心媒体中心工程位于青岛市市南区燕儿岛路1号，原青岛北海船厂内。本工程三面临海，其中西侧地下室外墙外边线距离媒体中心前护岸前沿线16m，南侧地下室外墙外边线距离主防波堤外边线14m，东侧地下室外墙外边线距离主防波堤外边线6m。根据钻探资料，本场区的岩土组合为：上部(最大12.5m)为第四系松散土层，主要岩性为人工填土、粉细砂、中粗砂和碎石土等。第四系以下为中生代燕山晚期岩浆岩，主要岩性为中粗粒花岗岩(风化层)，并穿插有中细粒花岗岩脉。根据岩性、结构与物理力学性质的不同，可将本区勘探深度范围内的地层自上而下划分为5个工程地质层，依次描述如下：第层-填土层该层在场区内分布广泛，层厚1.006.70m，层顶标高2.394.08m。灰褐、黄褐色，稍湿湿，松散状态。以素填土为主，部分为杂填土，主要成分为花岗岩风化砂混中粗砂，内含块石、碎石以及红砖块与混凝土碎块等建筑垃圾，土质不均匀。回填时间为10年左右。第层-粉细砂该层在场区内分布局限，主要分布于场区的西侧临海部位，层厚2.005.00m，层顶标高-3.01-0.88m，层顶埋深4.306.50m。褐黄灰褐色，湿饱和，松散状态，土质较均匀，分选良好，多见贝壳碎片，少含淤泥成分，见小砾石。第层-中粗砂该层在场区内分布局限，层厚3.303.40m，层顶标高-5.660.07m，层顶埋深3.