长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩在砂卵石含水地层基坑中的成功应用.docx

照片1积水潭医院门诊楼扩建项目场地原貌图1 积水潭医院门诊楼扩建项目规划设计总平面示意图长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩在砂卵石含水地层基坑中的成功应用习铁宏1，刘 伍2，刘兴龙3（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）摘 要：结合本工程特点，从长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩的优点、设计条件、施工控制、质量检验等方面，对该技术在含水砂卵石地层中的有效止水作用，进行了系统的介绍。作为成功实例之一，意在使此项新技术能得到更好的推 广、完善，使北京地区在含水砂卵石地层中的基坑帷幕止水工作更得心应手，减少浅部地下水排放，保护浅部地下水 资源。关键词：长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩；含水砂卵石地层；帷幕桩设计参数；帷幕桩施工控制；帷幕桩质量检验 中图分类号：TU472 文献标识码：B 文章编号：1007-1903（2013）02-0042-070 引言在北京地区，针对砂卵石含水地层中的阻水工作，当采用传统的搅拌桩工艺、旋喷桩工艺时，往往 是阻水效果很不理想，主要表现为水泥浆固化后的砂 卵石水泥土固结体均匀性差、强度低，漏水点太多， 甚至出现帷幕墙体残缺现象。因此，在北京地区针对 砂卵石含水地层中的帷幕阻水工作一直处于攻坚状 态。近几年，北京建材地质公司提出了长螺旋旋喷搅 拌帷幕桩止水技术，其最大特点是，利用长螺旋钻机 强劲的动力，增大了对砂卵石地层的搅动能力，通过 主钻杆输浆，再由钻杆底部改装后的螺旋叶片侧面出 浆孔，高压喷射水泥浆等浆液至设计标高，经多次上 下搅拌、多次喷浆，最终形成的砂卵石水泥土帷幕桩 固结体均匀性好、强度较高，止水效果明显好于常规 的单一搅拌桩工艺、旋喷桩工艺止水。此项技术正在 推广之中，并在不断完善。1 工程概况（1）位置本工程场地位于北京市积水潭医院院内，现有门 诊楼的北侧。参见照片1作者简介: 习铁宏(1978 )，男，工程师，从事岩土工程勘察、设计、施工工作。E-mail: 13910825633126.com42图2典型地层剖面示意图图3基坑支护及止水帷幕平面布置示意图2013Vo1.8 No.22013第8卷 第2期习铁宏等：长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩在砂卵石含水地层基坑中的成功应用（2）拟建物情况拟建工程为门诊楼，东西长约80.0m，南北宽约24.0m，门诊楼为地上3层，地下4层，钢框架结构，独 立基础。参见图1本工程0.00=51.85m，自然地坪相对标高 为-1.85m，垫层底标高为-16.67m，局部为-18.27m，槽 深约为14.82m，局部为16.42m。（3）地下水条件2008年10月钻孔中实测到一层地下水，地下水稳 定水位埋深为13.0m，地下水类型为层间水。含水层为 卵石层，含水层厚度约5.50m。（4）地层条件 地面绝对标高约50.00m。自上而下主要地层依次为：杂填土层，以房渣土为主，稍密，湿，厚约4.05.0m，最厚达8.0m；砂质粉土层，土黄色，湿，密实，厚约 3.04.0m；细粉砂层，土黄色，湿，密实，厚约 4.05.0m；卵石层，杂色，湿-饱和，中密，粒径一般2.04.0cm，最大8cm，级配好，中砂充填，含量2540%。厚约3.05.0m； 粉质粘土、粘质粉土层，褐黄色，饱和，中上密，厚约2.53.0m；其下略。参见图2。10.0m，湖底深约4.0m，湖内水深约1.5m。拟建物东侧为医院内道路。拟建物南侧及西侧为现有门诊楼，拟建物基础 南界距现门诊楼外墙最小水平距离约3.6m，西界距现 门诊楼外墙最小水平距离约2.7m。现门诊楼地上3层， 地下1层，独立柱基，基础埋深3.6m。参见图1（6）业主特殊要求 拟建物北侧紧邻积水潭，因其景观特殊（前身为具有380年历史的诚亲王新府花园，园内积水潭具有典 型的南方园林风格，玉兰花开映柳绿，荷塘月色照亭 台，非常爽心悦目，是积水潭医院的标志性景观）， 建设单位决定在施工期间保持湖中水体及景观现状， 施工中不得抽排、污染湖水。2 基坑支护及止水方案本工程基坑深度约14.82m，局部16.42m，基坑安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数取1.1。根据场内 地层条件、基坑周边环境及基坑深度，在基坑开挖及 使用过程中，既要保正基坑侧壁本身的安全，也要保 护比邻的已有门诊楼的安全，同时，必须对地表湖水 及地下潜水进行控制，达到基坑干槽作业。经方案比选，本次选用“支护排桩+桩顶挡土墙+ 旋喷搅拌帷幕止水桩方案”。参见图3。限于篇幅，本次仅介绍基坑北侧的支护+止水方案。（5）拟建物周边环境情况拟建物北侧为著名的积水潭人工湖，拟建物 地下室外墙北侧东段距湖岸仅1.0m，西段距湖岸约2.1 基坑北壁东段支护方案基坑北侧壁采用桩锚支护结构，桩顶设挡土墙，43图4基坑北壁东段支护及止水帷幕工程剖面示意图2013第8卷 第2期2013Vo1.8 No.2技术应用高度2.0m，桩径800mm，桩间距1.60m，嵌固深度5.0m，设2道锚索。参见图4、表1。表2基坑北侧壁止水层位与基坑关系基本资料统计表（北京地区止水帷幕条件）2）止水帷幕桩进入下卧相对隔水层深度计算：本旋喷搅拌帷幕桩进入下卧粉质粘土、粘质粉土层的长度应满足下式：l 0.2Dhw - 0.5bl 帷幕进入隔水层的长度，当 l 1.50m时， 宜取 l =1.50m。本工程实际采用1.90m；hw 基坑内外水头差值，本工程考虑电梯井 埋深，拟将坑内层间潜水基本疏干， hw 取5.5m；b 帷幕的厚度，本工程取0.394m；计算过程： 1.9 0.2 5.5 - 0.5 0.394 = 0.9031.50经验算，帷幕进入隔水层的长度满足要求。参见 图5、表3。表1基坑北壁东段支护参数统计简表表3坑北侧壁搅喷桩设计参数统计表2.2 基坑北壁东段帷幕止水方案（1）基坑北壁止水层位需要阻止2层水体进入基坑，即，阻止积水潭湖水 侧向渗漏至拟建基坑，同时阻止坑底附近的层间潜水 涌入基坑（见表2）。（2）“长螺旋旋喷搅拌帷幕桩”设计1）布桩：旋喷搅拌桩布置在护坡桩中心线以外100mm，与护坡桩咬合成墙，形成止水帷幕。44搅喷桩桩顶埋深（m）2.0（高于湖内水位 0.50m）桩底标高（m）29.60桩长（m）18.45直径（m） 1000桩间距（m）1.60插入隔水层深度（m）1.90长螺旋钻具螺旋片直径（mm）800咬合控制搅喷桩外移距离（mm）100咬合宽度（mm） 100浆液控制普通硅酸盐水泥 PO42.5；水灰比 1.0，水泥总体掺量为土的天然重度的20%（重量），根据需要可适量掺入水玻璃或膨润土；注浆压力 10 15Mpa；注浆流量 160L/min；钻进和提升速度：20 40cm/min；旋转速度：5 17 转 /min；桩顶挡土墙24 砖砌挡墙，水平间距 3.2m 设置一根240240 构造柱，墙顶设置 240240 压梁。护坡 桩桩 径800mm桩 长17.82m桩顶标高48.0m嵌固深度5.0m桩 距1.6m桩体强度C25连梁截面尺寸800600mm砼强度C25锚 索锚 位第一道：-6.35m； 第二道：-11.95m直 径150mm水平间距1.6m（1 桩 1 锚）长 度第一道：22.0m；第二道：18.0m锚固段长度第一道：14.0m；第二道：12.0m腰梁规格2 根 25b 工字钢拉杆材料第一道：3 根 75 钢绞线；第二道：4 根 75 钢绞线；注浆材料水灰比为 0.5 的 P.O42.5 纯水泥浆预加力第 1 道：250KN；第 2 道：400KN桩间土锚喷挂 2mm 厚度规格钢板网， 喷射 50mm 厚 C20 混凝土。积水潭湖水潜 水水位埋深（m）2.51.3含水层土质填土层卵石、圆砾层含水层厚度（m）1.55.5水位与基坑底标高关系高于基底 12.3m高于基底 1.8m基底与 其下隔水 层关系距离（m）/3.7 5.0隔水层土质及厚度/粉质粘土，厚度约 2.5m图5搅喷桩与护坡桩接触关系大样2013Vo1.8 No.22013第8卷 第2期习铁宏等：长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩在砂卵石含水地层基坑中的成功应用3.2 工艺流程（见图6）（1）施工顺序本次施工采用先施工搅喷桩，后施工支护排桩 的新型施工顺序理念，即“先软后硬”，进一步验证 “先软后硬”的咬合效果优于“先硬后软”的传统施 工顺序做法；搅喷桩采用跳打的方式（隔一打一），防止串 浆，后续支护排桩也应采用跳打的方式进行施工。正 常情况下搅喷桩施工3天后可施工护坡桩，相邻的搅喷 桩施工时间间隔不宜少于48小时；（2）桩位校验 施工前对桩位进行校验，保证帷幕桩的位置准确；（3）引孔用 800mm直径长螺旋钻具引孔，钻机移至桩位， 钻机调平、调直，钻至设计标高，回填钻出的粉土、 粘性土至适当高度，防止提钻后孔内坍塌；引孔完毕后，将长螺旋钻具更换为喷搅复合钻 具，组装调试旋喷设备，确保设备运转正常，注浆管 路畅通；（4）搅浆 按照设计水灰比，对水和水泥重量进行计量，按单根桩长计算出单根桩水泥用量，为该桩所配的水泥 浆要全部用完，不得有剩余，这样，桩身强度才有保 证。在搅浆桶里搅拌均匀后，经60目振动筛过滤后， 放入储浆池中；储浆池中放置泥浆泵，对水泥浆进行不间断搅 拌，防止水泥浆沉淀；注浆泵泵头用细目纱网罩罩住，防止吸入粗颗粒 物而堵塞钻头喷嘴；（5）搅拌、旋喷 复合搅拌钻具向下钻进，同时开动注浆泵，泵送高压水泥浆至孔内，边旋喷边搅拌，本次工程采用4喷3搅的喷搅方式； 改装后的长螺旋钻机钻进2个回次，第1个回次下钻和提钻过程中各进行1次搅拌和旋喷，第2个回次下 钻过程中进行1次旋喷（不搅拌），提钻过程中进行1 次定喷（并搅拌）；搅喷高度比设计顶标高高0.31.0m，以消除浆液 析离影响；2.3 止水帷幕内残留水处理方案对于止水帷幕内存在的残留水，采用在基坑内布设疏干井抽排至地面；对于槽壁产生的局部渗水，采 用槽壁插管导流，槽底明沟汇集，自集水井抽排至地 面。基坑外侧四周设置水位观测井，观测井同时兼作 应急预案中的水位控制措施，必要时，可作为抽水井 使用。（1）疏干井：井径600mm，无砂水泥管 400mm，外缠80目尼龙网，管外充填石屑，井深21.0m，间距约10.0m，共布设8眼；（2）观测井：井径600mm，无砂水泥管 400mm，外缠80目尼龙网，管外充填石屑，井深21.0m，间距15.020.0m左右，共布设14眼，观测井采 用降水管井结构。3 长螺旋旋喷搅拌帷幕桩的施工控制3.1 施工准备（1）平整、压实场地极为重要，这是保证钻杆垂直度的关键；（2）放线定桩位；（3）水泥用PO42.5，进场复试，并保管好，防 潮、防结块；（4）施工机械及附属设施：液压步履式改装长螺 旋钻机、往复式高压注浆泵、配电柜、搅浆筒、振动 筛、滤网等；（5）检查喷射工艺是否适合地质条件，在施工前 须进行工艺试喷，试喷在原桩位位置，试喷桩孔数量 不得少于2孔，必要时调整喷射工艺参数；45照片2基坑支护及止水帷幕施工完毕效果2013第8卷 第2期2013Vo1.8 No.2技术应用根据砂卵石地层强度及砾径大小，为使砂卵石水泥土更均匀、强度更高，必要时需增加喷搅次数，个 别工程已达到68次喷搅；（6）冒浆情况 在喷射注浆过程中，注意观察冒浆情况，及时了解土层变化情况、喷射注浆的大致效果及喷射参数是 否合理。采用喷射注浆时，冒浆量小于注浆量的20% 时，属正常现象；超过20%或完全不冒浆时，应查明 原因，并采取相应措施。若因地层中存在较大空隙引 起的不冒浆，可在浆液中掺加适量速凝剂或增大注浆 量；如冒浆量过大，可减少注浆量或加快提升和回转 速度，也可缩小喷嘴直径，提高喷射压力。7cm/s；3.4 截水帷幕的质量检测（1）在注浆施工完成28天以后，对帷幕固结体的搭接部位钻取固结体芯样，检测帷幕深度、固结体的 单轴抗压强度及完整性，监测点数量不宜少于总注浆 孔的1%；（2）观测基坑内外水位变化；（3）现场开挖，检验帷幕截水效果；3.5 基坑侧壁局部点漏水的应急措施（1）开挖后如发现漏水，应及时采取堵漏措施，视情况可首先采用插管实现有序排放，然后再进行堵 塞；当漏水量小，可采用堵漏灵等速凝材料封堵；当 漏水量大，可在实现有序排放后，在漏点处支模板打 混凝土补丁，并留出带阀门的水管，待补丁强度足够 大后，可将阀门关闭，即可达到止 水目的。（2）当出现漏水严重，上述办法难以控制时， 须启动附近水位观测井进行抽水，降低基坑内外水头 差，再进行妥善处理；4 施工效果基坑开挖后，在基坑北侧壁临积水潭湖面部位，基本无渗水现象，浅部阻水效果较好；在基坑侧壁下 部，原层间潜水水位至槽底部位，也没有出现明显的 渗漏现象，对卵石层潜水含水层止水效果也很好。说明本基坑采用“支护排桩 + 桩顶挡土墙 + 旋喷3.3 质量检验本次帷幕桩施工按下列条件控制：（1）桩径：设计桩径1000mm；（2）桩长：200mm；（3）桩顶标高：30mm，-20mm；（4）垂直度允许偏差：0.5%；（5）桩位允许偏差：在护坡桩间时，10mm；（6）咬合宽度：100mm； 根据建筑基坑支护技术规程 JGJ120-2012中7.2.7条款，本工程搅拌桩长18.40m10.0m，咬合宽度 应200mm；（7）桩体强度：1.5Mpa，渗透系数1.0x10-462013Vo1.8 No.22013第8卷 第2期习铁宏等：长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩在砂卵石含水地层基坑中的成功应用搅拌帷幕止水桩方案”可行，现场施工控制到位，再次验证了“长螺旋旋喷搅拌帷幕桩”止水的可行性， 值得推广及进一步完善（见照片2）。响，在止水帷幕设计方案及施工组织方案中必须提供有效的应急预案，以防止危险情况发生及危机事态扩 大、失控，除各种堵漏措施外，在基坑外侧适当多布 设观测井兼应急降水井的措施，对于帷幕止水工程， 非常必要。（7）施工顺序的重要性 先施工搅喷桩，后施工支护排桩，这样的效果是，两种桩接触更紧密，咬合更好，止水效果明显好 于传统的先支护桩，后搅喷桩施工顺序。（8）对帷幕止水桩提高咬合效果的建议在帷幕止水方案设计过程中，宜采用较小的 “垂直度允许偏差” ，较小的桩位允许偏差，作为 设计控制指标，保证两项均出现最大偏差时，帷幕 墙体厚度仍不小于200mm，据此，合理设置理论咬 合宽度；从帷幕桩止水的有效性及安全性方面分析，对 于深度大、复杂的含水砂卵石基坑，采用搅喷桩与支 护排桩咬合成止水帷幕墙方案，当场地条件准许时， 宜改为在基坑支护结构之外，单独布设搅喷帷幕止水 桩，这样可以避免不同桩型间的咬合困难，及避免两 种桩型咬合时受基坑水平变形影响，两种桩体抗变形 能力不同，而引起相邻两桩咬合部位拉开，引起阻水 失败。此种布桩阻水形式，需解决好支护桩的锚索穿 越帷幕时的密闭问题。5 结论通过本项帷幕止水工程，笔者对深基坑帷幕止水设计及施工工作有了更进一步的认识 ：（1）本工程存在的最大缺陷 搅拌桩与支护排桩咬合长度设计值仅100mm，不满足新规范要求200mm，加大了施工风险。（2）“长螺旋旋喷搅拌帷幕止水桩”的优点 此项技术的优点具体表现在：长螺旋钻机具有强大的动力，对砂卵石地层具有充分的搅动作用；长螺旋钻具持续上旋，带出了部分原位卵石，再向 孔内回填粉土，实现了孔内原位卵石的部分置换，有 利于形成均匀性更好的水泥土固结体；高压旋喷所 用水泥用量较大，有利于形成强度较高的水泥土固结 体；高压旋喷后的桩径明显大于钻具直径，加大了 咬合厚度。（3）方案比选的重要性 根据拟建工程特点，通过分析、比选工作，选择出最适宜的基坑支护及帷幕止水设计方案，这是保证 基坑帷幕止水工作成功的最关键性一环，并且，在多 数情况下，基坑支护设计与基坑帷幕止水设计是相互 关联的，必须统一考虑。（4）精心设计的重要性 在进行基坑支护设计及帷幕止水设计时，对岩土层的物理力学指标的合理取值，设计过程中的精准计 算，对计算结果的再分析，及最后的综合确定，是保 证设计方案是否科学、合理、安全、经济的前提。（5）施工质量控制的重要性 帷幕止水工程最终能否成功，与现场施工质量控制有直接关系，桩点放位、桩孔的垂直度、咬合宽 度、桩体的均匀性、强度、施工顺序、进入隔水层深 度等一系列关键数据、环节，都需要在施工中严格执 行、精准实施，否则，再好的设计方案也起不到很好 的止水作用。（6）有效的应急预案的重要性 受地质条件复杂性，及施工过程中的意外情况影参考文献1 JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程. 北京：中国建筑工业出版社.2012.2 JGJ79-2002, 建筑地基处理技术规范. 北京：中国建 筑工业出版社.20083 工程地质手册编委会. 工程地质手册（第四 版）.北京：中国建筑工业出版社.20074 JGJ106-2003. 建筑基桩检测技术规范，北京：中国 建筑工业出版社.20085 周志达，袁野.长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩技术 在工程中的应用. 工程勘察2011年01期.6 王兵.长螺旋钻机旋喷搅拌水泥土止水帷幕桩施工 中常见的质量问题及质量控制措施. 中国非金属矿工业 导刊.总第79期.2009第6期.472013第8卷 第2期2013Vo1.8 No.2技术应用The Successful Application of “Long Spiral Rotary Jet Mixing Pile Water-StopCurtain” in the Foundation Pit Engineering of Sand and Gravel Water-bearingLayersXI Tiehong1，LIU Wu2 ，LIU Xinglong3（Beijing Geo-Engineering Design Research Institute, Beijing 101500）Abstracts: Based on the project characteristics，and the technical advantages, design conditions,construction control, quality inspection etc of “long spiral rotary jet mixing pile water-stop curtain”，this paper introduces in detailed this technology effective sealing effect on the sand and gravel water-bearing layers. As one of the successful examples，this new technology could be generalized and improved. In this case, it would work better in sealing effect on Beijing sandy gravel water-bearing layers，reduce the shallow groundwater discharge，and protect the shallow groundwater resources.Keywords: Long spiral rotary jet mixing pile water-stop curtain； Sand and gravel water-bearing layer； The design parameters of the pile water-stop curtain；Construction control of the pile water-stop curtain； Quality inspection of the pil