潛噴注漿樁在復雜地層截水帷幕中的設計與應用

曹 巍,白永明，羅 曦，呂 軍,張非凡,張 勛

（1.北京榮創巖土工程股份有限公司，北京100085；2.北京中鐵十二局集團有限公司，北京 100085）

0 引 言

地下空間技術不斷發展，基坑工程日益加深，地下水控制問題已經成為制約其質量與安全的決定性因素。傳統降水方案對地下水資源造成極大的浪費，且因水位下降引發的地面沉降等次生災害，影響和破壞是深遠的。隨著各地區地下水控制政策的出臺，截水帷幕的地下水控制方法興起并在基坑工程中廣泛應用。大量的工程實踐證明，截水帷幕是一種可行又不浪費和污染地下水資源的優選方法。常見的截水帷幕可分為墻式和樁式，分別以地下連續墻和高壓旋噴樁為典型代表。前者整體截水效果好，但施工難度大、造價高；后者多采用高壓旋噴樁技術，與鉆孔灌注樁咬合搭接形成的“截水+支護”聯合體，相對經濟和高效。

深層攪拌樁（水泥土墻）截水效果尚可，但一般適用于軟土地層，在巨厚砂層、卵礫石等復雜地層無法施工；高壓注漿目前作為防滲堵漏手段較為常見，但在截水帷幕中應用較少。

傳統的高壓旋噴樁工法應用較廣的有單管法、雙管法及三重管法，此類工法優點是設備和工藝都比較簡單、造價較低、使用范圍較廣；不足之處是其在復雜地層中成孔困難，需采用其他設備引孔后再進行旋噴注漿，施工效率低，成孔垂直度偏差較大，引孔后孔壁易坍塌，且有注漿盲區，從而導致截水效果較差[1]。

潛孔沖擊高壓噴射注漿樁技術是將潛孔沖擊工藝與高壓噴射工藝進行有機組合，可在深厚砂層、卵礫石層、碎石層、拋石層等地層中順利成孔并一次性噴射高壓漿液，可解決在復雜地層中施工截水帷幕的難題。該工藝成樁質量好、施工效率高、截水效果好、節能環保、造價較低[2]。

1 技術原理及工藝流程

1.1 技術原理

潛孔沖擊高壓噴射注漿樁技術（簡稱DJP）是利用潛孔錘高頻振動作用和高壓水、氣動能共同沖擊破壞土體，然后通過鉆桿帶動噴射口旋轉、提升，將高壓噴射的水泥漿液與土體充分混合形成水泥土固結體的技術。由該工法形成的水泥土樁體稱為潛孔沖擊高壓噴射注漿樁[3]（簡稱潛噴注漿樁），見圖1、圖2。

圖1 DJP成孔示意圖Fig.1 DJP hole drilling

圖2 DJP噴漿示意圖Fig.2 DJP jet grouting

潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝的原理是多種機理共同作用。首先沖擊鉆頭沖擊下沉過程中沖擊器頭部噴出大量高壓空氣，在地層深處頻繁產生氣爆，同時鉆頭產生高頻振動沖擊。氣爆作用可以有效的破壞土體結構，加大旋噴樁的旋擴直徑，從而加大旋噴樁的截水范圍；高頻振動可以將土體和水分結合并液化，形成流塑狀態，高壓水泥漿注入后，高頻振動起到振搗作用，使水泥漿和流塑狀態土體結合更均勻，形成良好的水泥土截水結構；沖擊器上部高壓水射流可進一步切割土體，保證土體與水泥漿充分的結合。高壓水、高壓氣、高頻振動產生聯動機理，使周圍土體迅速軟化，處于一種流塑狀態，在高壓泵轉化為噴射高壓水泥漿后，這種流塑狀態的土和水泥漿充分混合，形成直徑較大、水泥土均勻的截水帷幕樁[4]。

由潛孔沖擊高壓噴射注漿體樁相互咬合或與支護樁相互咬合，形成的具有阻止地下水從側向或底面進入基坑的連續阻水體，稱為潛孔沖擊高壓噴射注漿體樁截水[3]。

1.2 施工工藝流程及工藝參數

DJP工法施工工藝流程如圖3所示，DJP水泥土樁施工工藝參數見表1所示。

表1 DJP水泥土樁施工工藝參數Table 1 Construction parameters of DJP cement soil pile

圖3 DJP工法施工工藝流程圖Fig.3 Flow chart of DJP construction process

2 工程應用案例

2.1 拋填石復雜地層截水帷幕應用案例

（1）工程概況

大連恒力維多利亞公館項目，位于大連市東港商務區，包括4棟超高層建筑及其裙樓，總占地面積約為71 400 m2，地上為公寓68層，裙樓4層，地下3層停車場，總建筑面積332 425 m2。距離海邊僅800 m，基坑最大開挖深度13.60 m。

該場地為新近填海區，開挖范圍內：①素填土回填時間1年以上，主要由粉土及碎石組成，碎石成分多為石英巖、板巖，含量40%左右，粒徑15～50 cm，大者可達100～150 cm，呈棱角狀，均勻性差，可壓縮性強；⑦中風化板巖巖體基本質量等級為Ⅳ級，場地內均有分布。地下水位標高為1.10～5.20 m ，因地下水與海水相連，水位受海水潮汐影響較大。典型地層剖面如圖4所示。

圖4 典型地層剖面圖Fig.4 Typical stratigraphic profile

原設計采用素混凝土樁加旋噴樁（三重管工藝）形成聯合截水體系。因地層障礙物影響，旋噴樁樁位偏差較大，垂直度、樁長、樁徑等重要參數均無法保證，截水效果較差。后雖采用多種補救方式均不能有效降低水位，造成工程停滯近1年，給建設方帶來近億元損失。原截水體系如圖5所示。

圖5 原截水體系示意圖Fig.5 Schematic diagram of original water cutoff system

考慮到截水效果，補強帷幕樁設置于支護樁與原截水體系素混凝土樁之間最為經濟有效，但由于地層原因，已施工兩種樁的垂直度偏差較大，樁體擴徑情況較為嚴重，成樁及其垂直度、樁徑問題成為制約本設計的主要瓶頸。結合潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝的特點及優勢，經過多次專家論證及現場試驗，最終確定該項目截水帷幕采用DJP工藝進行施工，可以解決施工難題，滿足設要求。

（2）設計方案及施工參數

a）設計方案

DJP工法截水帷幕樁設計樁長25.5 m，樁徑不小于700 mm，樁端進入中風化板巖。見圖6所示。

圖6 截水帷幕樁平面布置圖Fig.6 Layout of water cutoff pile

b）施工參數詳見表2所示。

表2 施工參數表Table 2 Construction parameters

c）現場施工效果對比

原截水體系施工后，截水效果不佳，基坑無法下挖。如圖7所示。

圖7 原截水體系施工后基坑無法開挖現場照片Fig.7 Foundation pit can’t be excavated after using original water cutoff system

采用DJP技術施工的截水帷幕樁，截水效果較好，基坑開挖至坑底后達到了基坑內干槽作業的目的。如圖8所示。

圖8 DJP截水帷幕樁施工后開挖至基底現場照片Fig.8 Excavated to the basement after DJP water cutoff was constructed

d）檢測結果

經檢驗，水泥土樁樁身滲透系數為 2.26×10?8cm/s，滲透性低，滿足設計截水要求。

2.2 泥卵入灰巖復雜地層樁間截水帷幕應用案例

（1）工程概況

濟南地鐵R3號線孟家莊站項目位于山東省濟南市錦屏家園小區以西，為地下雙層島式車站。車站底板埋深約17.69 m，頂板覆土約2.63～3.93 m，采用明挖法施工。本基坑圍護結構采用圍護樁+內支撐體系。截水結構采用樁間旋噴樁截水+坑內排水的方案。

本工程基坑范圍內的土體主要為素填土、黃土狀粉質黏土、粉質黏土、碎石土，局部為全風化閃長巖、強風化閃長巖、中風化閃長巖及中風化灰巖。車站鉆探深度范圍內揭露地下水為上層滯水，無穩定地下水位，雨水下滲補給，下部巖石層相對隔水；局部地區巖溶裂隙發育，且彼此連通，導水性強。典型地層剖面圖如圖9所示。

圖9 典型地層剖面圖Fig.9 Typical stratigraphic profile

擬建項目地層差異性較大，帷幕樁樁身大部分位于碎石及強風化～中風化巖層中，且受地下水影響。傳統旋噴工藝（多重管）無法直接成孔，即使采用引孔后再噴漿，由于其噴漿壓力低（≤25 MPa）、成樁機理簡單，在該復雜地質情況下成樁直徑也無法保障，對樁周風化巖層孔隙無法起到滲透加固的作用。此外，項目最大施工樁長約30.0 m，引孔鉆進過程鉆桿偏斜較大，垂直度無法保證，影響帷幕樁體咬合。經過技術比對及現場試驗，最終確定本工程的截水帷幕采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝。

（2）設計方案及施工參數

a）設計方案

為防止施工降水對錦屏家園小區產生沉降等不良影響，設計在基坑支護結構及降水井外側采用截水帷幕，截水帷幕形式為落底式截水帷幕，以有效切斷基坑內外的地下水聯系，截水帷幕采用單排潛噴注漿樁。根據地勘報告，基坑底中風化石灰巖為隔水層，標準段截水采用Ф800@1 300旋噴樁，盾構井段采用 Ф800@1 200旋噴樁，旋噴樁樁長16.0～30.0 m，樁底與圍護樁樁底同標高（要求進入不透水層不小于1 m），截水帷幕高出施工期間抗浮水位1 m。

b）施工參數詳見表3所示。

表3 施工參數表Table 3 Construction parameters

（3）現場施工效果

施工完成后進行了基槽的開挖，現場隨機開挖3根旋噴樁檢測成樁質量。經對帷幕樁進行剝露檢查，顯示旋噴樁與護坡樁咬合緊密，有效搭接防止了外側水的進入。開挖后樁徑均≥1 000 mm，經現場取芯試驗，樁身強度為3 MPa，符合設計要求；抗滲強度滿足水泥土樁樁身滲透系數小于1×10-7cm/s的設計要求。現場成樁效果檢測情況如圖10所示。

圖10 DJP工法成樁效果開挖檢測Fig.10 Excavation inspection of pile by using DJP construction method

本項目采用DJP工法施工截水帷幕，基坑開挖至槽底，側壁無滲漏，截水效果良好，DJP工法在泥卵礫石及強風化～中風化巖層等復雜地層條件下施工截水帷幕的優勢以及較高的施工質量得到體現。現場土方開挖后樁間咬合情況如圖 11所示（紅色圖框內為潛噴注漿樁）。

圖11 截水帷幕施工后開挖樁間咬合情況Fig.11 Occlusion between excavation piles after using water cutoff system

2.3 巨厚砂層樁間截水帷幕應用案例

（1）工程概況

北京城市副中心C5機關配送中心項目，建筑面積約12 000 m2，南側鄰近綜合管廊，C5工程基坑與綜合管廊基坑合槽開挖，C5基坑開挖深度為20.2 m，為一級基坑。本項目基坑北側為堡辛新村回遷住宅樓6號、7號住宅樓，地上20層地下2層，采用天然地基，基底標高為14.67 m。北側支護邊界距離 6號住宅樓約 8.0 m，距離 7號住宅樓約25.0 m，距西北側磚混樓約30 m。基坑開挖上口線距離北側小區圍墻最小距離不足1.0 m。

由于該工程北側緊鄰高層住宅，地層主要為巨厚細砂-中砂層，地下水含量豐富，分布較為復雜，該區域對于基坑開挖后截水阻砂的要求非常高。傳統工藝在該地層樁間進行截水帷幕施工可靠性不高，經過專家論證及現場試驗，最終確定該項目樁間截水帷幕采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝。典型地層剖面圖如圖12所示。

圖12 典型地層剖面圖Fig.12 Typical stratigraphic profile

（2）設計方案及施工參數

a）設計方案

基坑采用封底式截水帷幕設計，基坑北側采用支護樁與旋噴樁聯合截水帷幕，設計樁長30 m，樁徑1 200 mm，與支護樁搭接400 mm；西側采用旋噴樁自咬合截水帷幕，設計樁長 30 m，樁徑1 000 mm，搭接350 mm，樁端位于⑥2粉質黏土隔水層。詳見圖13。

圖13 北側截水帷幕樁平面布置圖Fig.13 Layout plan of water cutoff piles on north side

b）施工參數詳見表4所示。

表4 施工參數表Table 4 Construction parameters

c）現場施工效果

開工前進行試樁，開挖后帷幕樁直徑達1 300 mm。詳見圖14所示。

圖14 試樁開挖效果Fig.14 Pile examination after excavation

本項目周邊環境復雜，采用DJP工法施工截水帷幕樁，周邊鄰近建筑物未受帷幕樁施工影響。截水帷幕施工完成后進行基坑開挖，挖深20.2 m，經過對帷幕樁剝露檢查，水泥土樁與支護樁咬合緊密，有效阻止了外側地下水的進入，基坑側壁無滲漏，截水效果良好。基坑開挖后樁間咬合情況如圖15所示。

圖15 截水帷幕現場照片Fig.15 Photograph of water cutoff system

現場隨機對帷幕樁進行取芯，取芯效果良好，芯體完整連續，水泥土均勻度高。帷幕截水樁抽芯情況如圖16所示。

圖16 帷幕樁抽芯情況Fig.16 Core examination of water cutoff piles

芯樣檢測結果顯示，無側限抗壓強度不低于1.4 MPa，符合樁身水泥土強度不小于0.8 MPa的設計要求；水泥土抗滲強度最大值為2.14×10?8cm/s，滿足水泥土樁樁身滲透系數小于 1×10?7cm/s的設計要求。

2.4 大粒徑密實卵石層樁間截水帷幕應用案例

（1）工程概況

東城區第一人民醫院異地遷建項目位于北京市東城區永外定安里，東臨定安里11號、13號住宅樓，南臨北京益華食品廠，西臨規劃定安里中路，北臨劉家窯路。擬建醫院由一棟綜合樓組成，地上6～7層，裙樓地上3～4層，建筑高度不超過40 m，配套設施地上1～2層，均設4層地下室，基礎埋深-23.3 m，本基坑圍護結構采用圍護樁+錨桿體系。

本工程基坑范圍內的土體主要為雜填土、細砂、粉質黏土、卵石層。初見水位埋深 22.00～22.60 m，絕對標高18.28～18.45 m，穩定水位埋深21.00～22.10 m，絕對標高18.95～19.30 m，主要賦存于⑤卵石層中，水量較大。典型地層剖面如圖17所示。

圖17 典型地層剖面圖Fig.17 Typical stratigraphic profile

本工程截水帷幕樁成樁地層為卵石層，一般粒徑2～6 cm，最大粒徑將近50 cm，中粗砂充填，局部為圓礫，該層厚度為10.50～16.80 m。傳統高壓旋噴設備在該地層中無法直接成孔，需采用套管跟進引孔作業后，再進行管內噴漿。引孔施工垂直度偏差較大，套管跟進作業難度較高，且工效低，由于套管內噴漿，樁徑無法保證。針對該地質條件，本工程采用DJP工法，利用潛孔錘在高壓空氣驅動下產生的沖擊效能來進行沖擊破碎，同時，由高壓泵向噴嘴提供高壓水來進行切割土體，達到鉆進作業目的，成孔后一體化高壓注漿，在確保樁徑和垂直度的情況下完成成樁作業。經過現場工法試驗及抽芯取樣檢測，最終確定該項目的樁間截水帷幕采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工藝。

（2）設計方案及施工參數

a）設計方案

本工程截水結構采用樁間旋噴樁截水（懸掛式截水帷幕）加坑內排水的方案。

帷幕樁樁長 35.5 m，樁徑為 1.2 m，上部20.0 m為空孔部分，下部15.5 m為實樁部分。

b）施工參數詳見表5所示。

表5 施工參數表Table 5 Construction parameters

（3）現場施工效果

開挖至卵石地層，護坡樁樁間截水帷幕樁暴露清晰，樁徑均勻，尺寸達到設計要求。

本項目截水帷幕施工完成后，基坑開挖至槽底，側壁無滲漏，截水效果良好，DJP工法在富水密實卵石地層條件下施工截水帷幕的優勢以及較高的施工質量得到體現。現場開挖情況見圖 18所示（紅色圖框內為潛噴注漿樁）。

圖18 樁間DJP截水帷幕樁開挖效果圖Fig.18 Photograph of DJP water cutoff piles

芯樣檢測結果顯示，無側限抗壓強度不低于8.2 MPa，符合樁身水泥土強度不小于0.8 MPa的設計要求；水泥土抗滲強度最大值為2.7×10?8cm/s，滿足水泥土樁樁身滲透系數小于 1×10?7cm/s的設計要求。

3 結 語

工程實踐表明：DJP工法可實現鉆進噴漿一體化，樁身垂直度偏差小、樁體直徑有保證、樁身均勻、截水效果良好。同時施工效率高、造價合理、返漿量少、對周邊環境的影響小、綠色環保。潛孔沖擊高壓噴射注漿體樁工藝用作截水帷幕，在拋填石、泥卵入灰巖、巨厚砂、大粒徑密實卵石等各種復雜地層中截水帷幕的成功應用，證明其廣闊的發展前景，值得大力推廣應用。