沿海地區高壓旋噴樁止水施工技術

方忠新 龔 輝 張 瑩 張建軍

中國化學工程第六建設有限公司 湖北襄陽 441100

高壓旋噴注漿法始創于日本，它是在化學注漿法的基礎上，采用高壓水射流切割技術而發展起來的。高壓噴射注漿，就是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進至土層預定的深度后，以20M～40MPa 的壓力把漿液或水從噴嘴中噴射出來，形成噴射流沖擊破壞土層。當能量大、速度和脈動狀的射流動壓大于土層結構強度時，土顆粒便從土層中剝落下來；一部分細顆粒隨漿液或水冒出地面，其余土粒在射流的沖擊力、離心力和重力等力的作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質量大小，有規律地重新排列；漿液凝固后，便在土層中形成一個固結體。由多個高壓噴射注漿固結形成一個整體，可作為既有建筑和新建建筑的地基加固、防滲處理之用，也可作為基礎防滲之用，還可作為施工中的臨時措施（如深基坑側壁擋土或擋水），也同樣適用于石油、化工、冶金、電力等行業中涉及沿海地區受潮汐影響的地下高水位開挖施工作業環境。

這種施工方法可以使被加固區域形成一個整體，提高地基的抗剪強度，改善土體的變形性質，從而保證了原有建筑物基礎下土體的穩定性，亦保證了基礎的穩定。筆者以某煉化一體化項目一期工程地下管網深基坑開挖為例，闡述沿海地區高壓旋噴樁止水施工技術。

1 工程簡介

1.1 工程地點

中國化學工程第六建設有限公司承建的某石化煉化一體化項目一期工程——煤焦制氣氣化項目、凈化項目及空分空壓項目地下管網工程位于海島上。項目于2017 年8 月開工，2019 年11 月交工。

1.2 項目場地情況

該工程在填海區域范圍內，根據巖土工程勘察技術報告書，施工范圍內地基土土層特性如下：

（1）回填土（Q4ml）：主要為開山區碎石、塊石，一般粒徑200～600mm，最大粒徑約2000mm。該層的厚度根據堆載前直接鉆探鉆孔的高程數據結合堆載前后場地的高程計算而來。

（2）吹填土（Q4ml）：該層普遍分布。此層堆載時被擠壓和開山碎石已混為一層。

（3）淤泥質粉質粘土（Q4m）：灰色，流塑，其層理或鱗片狀構造，中間夾少量粉砂，含少量貝殼碎屑，切面光滑，干強度高，韌性高，搖振無反應，高壓縮性。該層在場地普遍分布。

（4）地下水類型：根據地下水賦存條件、水理性質及水力特征，本工程場地地下水為孔隙潛水。孔隙潛水賦存于場地淺部的粘性土、粉砂及素填土中，主要受大氣降水補給及海水潮汐影響，地下穩定水位標高為+1.7m。具體如圖1 所示（以原始地面高程4.8m 為±0.000），土層參數見表1。

圖1 現場土石方情況及水位示意圖

表1 土層參數表

因原始地面標高為+4.8m，海水系統管道（DN2600）中心標高為+1.5m，管支架高200mm，承臺高500mm，墊層100mm，故承臺墊層底標高為- 0.6m。在不漲潮的情況下水深2.3m 左右。

1.3 實物工程量

本工程主要針對DN2600 海水管道，管道規格為：Φ2642×22.2mm，材質為Q235B，長度約1350m。

1.4 施工方案的確定

傳統的大開挖強排或鋼板樁止水的方法，要么放坡系數大，周邊需要卸載土方，存在坍塌和傾斜的風險；要么滲漏多，止水效果較差。而采用高壓旋噴樁止水相當于在管道周邊設置一道混凝土墻，止水效果好，既可消除深基坑坍塌的安全隱患，又可縮短工期。根據島上實際情況及其他兄弟單位地下部分施工情況，本工程選用高壓旋噴樁止水，注漿管選用二重管旋噴法。

2 高壓旋噴樁的工藝原理

2.1 工藝原理

高壓噴射注漿法是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預定位置后，用高壓設備使漿液成為20M～40MPa 的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動、破壞土體；同時，鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強制攪拌混合；漿液凝固后，在土中形成一個圓柱狀固結體（即旋噴樁），以達到加固地基或止水防滲的目的。圖2 為旋噴法示意圖。

圖2 旋噴法示意圖

噴射注漿法的加固半徑與許多因素有關，包括噴射壓力、提升速度、被加固土的抗剪強度、噴嘴直徑和漿液稠度。加固范圍與噴射壓力、噴嘴直徑成正比，與提升速度、土的抗剪強度和漿液稠度成反比。加固體強度與單位加固體中的水泥摻入量和土質有關。

2.2 成樁機理

高壓噴射注漿的成樁機理具有以下四種作用：

（1）高壓噴射流切割破壞土體作用。噴射流動壓以脈沖形式沖擊破壞土體，使土體出現空穴，產生裂隙擴張。

（2）混合攪拌作用。鉆桿在旋轉提升過程中，在射流后部形成空隙，在噴射壓力下，迫使土粒向著與噴嘴移動方向相反的方向（即阻力小的方向）移動，與漿液攪拌混合形成新的結構。

（3）充填、滲透固結作用。高壓水泥漿迅速充填沖開的溝槽和土粒的空隙，析水固結，還可滲入砂層一定厚度而形成固結體。

（4）壓密作用。高壓噴射流在切割破碎土層過程中，在破碎部位邊緣還有剩余壓力，并對土層可產生一定壓密作用，使旋噴樁體邊緣部分的抗壓強度高于中心部分，如圖3 所示。

3 施工工藝流程及操作要點

高壓旋噴樁施工工藝流程如圖4 所示。

圖4 高壓旋噴樁施工工藝流程圖

3.1 施工前準備工作

（1）在設計文件提供的各種技術資料的基礎上作補充工程地質勘探，進一步了解擬施工地點地基土的性質、埋藏條件。

（2）準備充足的水泥加固料和水。水泥的品種、規格、出廠時間要經試驗室檢驗符合國家規范及設計要求，并有質量合格證。嚴禁使用過期、受潮、結板、變質的加固料。一般水泥為Po42.5 普通硅酸鹽水泥。水要干凈，酸堿度適中，pH 值在5～10 之間。

（3）根據補充勘探資料，在選擇的試驗工點加固范圍內的各代表性地層用薄壁取土器采取必需數量的原狀土送試驗室，土樣在進行試驗之前應妥善保存，使土樣的物理和化學性能盡可能保持不變。

（4）室內配合比試驗。根據設計要求的噴漿量或現場土樣情況，按不同含水量設計并調整幾種配合比，通過在室內將現場采取的土樣進行風（烘）干、碾碎，過2～5mm 篩的粉狀土樣，并按設計噴漿量、水灰比攪拌、養護、力學試驗確定施工噴漿量、水灰比。一般水灰比可取1.0～1.5。為改善水泥土的性能，如防沉淀性能和提高強度，可適當摻入木質素磺硫鈣、石膏、三乙醇胺、氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈉、陶土和堿等外摻劑。若試驗之前土樣的含水量發生了變化，應調整為天然含水量。

（5）試樁試驗。根據室內試驗確定的施工噴漿量、水灰比制備水泥漿液，在試驗工點打設數根試樁，并根據試樁結果，調整加固料的噴漿量，確定攪拌機提升速度、攪拌軸回轉速度、噴入壓力和停漿面等施工工藝參數。

（6）推土機、挖掘機配合自卸汽車清除地表0.3m厚的種植土、雜物，并將原地面按設計要求整平，填出路拱。根據施工現場實際情況，施工臨時排、截水設施，并在施工范圍以外開挖廢泥漿池，以及施工孔位至泥漿池間的排漿溝。

（7）按設計要求完成施工放樣，用木樁定出樁位，用白石灰做出明顯標識。

3.2 測量定位

依據控制樁和設計圖，準確定位旋噴樁的孔位。

3.3 鉆機就位

鉆機就位后，對樁機進行調平、對中，調整樁機的垂直度，保證鉆桿應與樁位一致，偏差應在10mm 以內，鉆孔垂直度誤差小于1.5%；鉆孔前應調試空壓機、泥漿泵，使設備運轉正常；校驗鉆桿長度，保證孔底標高滿足設計深度，如圖5 所示。

圖5 測量定位、管溝開挖、鉆機就位

3.4 制備水泥漿

樁機移位后，即開始按設計確定的配合比拌制水泥漿。首先將水加入桶中，再將水泥和外加劑倒入，開動攪拌機攪拌10～20min；而后擰開攪拌桶底部閥門，放入一道篩網（孔徑為0.8mm），過濾后流入漿液池；然后通過泥漿泵抽進第二道過濾網（孔徑為0.8mm），第二次過濾后流入漿液桶中，備用。

3.5 插管

當采用旋噴注漿管進行鉆孔作業時，鉆孔和插管兩道工序可合二為一。當第一階段貫入土中時，可借助噴射管本身的噴射和震動貫入。其過程為：啟動鉆機，同時開啟高壓泥漿泵低壓輸送水泥漿液，使鉆桿沿導向架振動、射流成孔下沉，直到樁底設計標高，觀察工作電流不得大于額定值。

參數控制：執行JGJ 79- 2012《建筑地基處理技術規范》中有關規定。具體工程參數控制見表2。

表2 工程參數控制表

3.6 提升噴漿管、攪拌

噴漿管下沉到設計深度后，停止鉆進，旋轉不停，使高壓泥漿泵壓力增到施工設計值（20M～40MPa）；坐底噴漿30s 后，邊噴漿，邊旋轉，同時嚴格按照設計和試樁確定的提升速度提升鉆桿；在達到設計深度后，接通空壓管，開動泥漿泵、空壓機和鉆機進行旋轉，并用儀表控制壓力、流量和風量，分別達到預定數值時開始提升，繼續旋噴和提升，直至達到預期的加固高度后停止。

3.7 樁頭部分處理

當旋噴管提升接近樁頂時，應從樁頂以下1.0m 開始慢速提升旋噴，旋噴數秒，再向上慢速提升0.5m，直至樁頂停漿面。

3.8 清洗

向漿液罐中注入適量清水，開啟高壓泵，清洗全部管路中殘存的水泥漿，直至基本干凈，并將粘附在噴漿管頭上的土清洗干凈。

3.9 移位

移動樁機進行下一根樁的施工。

3.10 補漿

噴射注漿作業完成后，由于漿液的析水作用，一般均有不同程度的收縮，使固結體頂部出現凹穴。因此，要及時用水灰比為1.0 的水泥漿補灌。

3.11 土方開挖

高壓旋噴樁施工結束后，進行基坑開挖。開挖前，要定位放線，辦理動土作業票，并了解地下障礙物（如電纜、原有管道等）的分布情況，以免施工時遭到破壞。采用機械開挖時的注意事項：

（1）基坑開挖時采取分層施工，在開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”五個要點，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則。采用自卸汽車運輸。

（2）分段開挖的基坑四周或溝槽兩端設截流溝和排水溝，滲水及雨水及時泵抽排走。雨季備足排水設備，做好預警工作，確保基坑安全。

（3）開挖過程中，按既定的監測方案對基坑及周圍環境進行監測，以反饋信息指導施工。

（4）開挖順序：回填土開挖（第一次開挖）→開挖至水位線→旋噴樁施工槽開挖→打旋噴樁→止水（填海泥/ 黃土）→截樁→吹填土開挖（第二次開挖）→排水、截樁→挖至淤泥層→海沙層/ 淤泥開挖(第三次開挖) →排水，截樁。循環開挖至設計標高，如圖6 所示。

圖6 斷面示意圖

旋噴樁彼此搭接咬合，可形成一道有一定厚度的墻體，止水并加固此區域。

3.12 基坑排水措施

鑒于本項目施工現場地下水位較高，采用止水、導水和排水技術來保證施工的順利進行。

沿基坑上口兩邊設350mm×350mm 的截水明溝，防止地表水流向基坑。沿坑底的兩側挖排水溝進行基坑內導水，排水溝緊貼旋噴樁施工，斷面取300mm×300mm，坡度為0.5%。集水井隔30m 左右設置一個，直徑為0.8m，深度隨挖土的加深適當設置。基坑內地下水流入集水井內，再用水泵抽出坑外，排入施工現場指定位置。

4 結論

本工程地下管網開挖過程中采用的高壓旋噴樁止水施工技術，能夠使灰漿與塘渣結合密實，強度高，避免了采用鋼板樁方式止水因鋼板樁傾斜，以及轉角或樁之間貼合不嚴密造成的漏水、底部返水及鋼板樁超期等弊端，大大提高了施工效率，縮短了工期，節約了成本，減少了交叉作業，降低了施工安全風險，取得了良好的效益。

4.1 安全效益

傳統的大開挖強排或鋼板樁止水放坡系數大，周邊需要卸載土方，有坍塌和傾斜的風險；而高壓旋噴樁止水施工相當于在基坑周邊設置一道保護墻，起到了止水和支護的雙重作用，且消除了深基坑坍塌的安全隱患。

4.2 經濟效益

（1）工期方面：使用鋼板樁工期為3 個月，必須形成閉環，待所有的管施工完后才能拆除鋼板樁；而旋噴樁工期為1 個月，可以分段形成閉環，在水位以上隔斷還可以拆除，止水效果好，而且可以有效地減少地下水滲入。特別是存在地下、地上交叉作業的時候，旋噴樁影響地上施工作業面的概率會降低70%。

（2）材料方面：鋼板樁施工周邊需使用大量海沙進行堵漏回填；高壓旋噴樁僅需攪拌桶和泥漿池，投入較少。

（3）人工方面：鋼板樁施工時需配備足夠的堵漏人員；旋噴樁則不需要額外的人員配合，減少了人員的投入。

（4）機械方面：鋼板樁施工需配備1 臺挖機及渣土車進行換填海沙堵漏；旋噴樁只需要投入鉆機、高壓泵，且設備輕便、操作簡單。

4.3 質量效益

高壓旋噴樁作為深基坑支護中的止水和地基加固，具有強度高、質量好、形狀可控、施工均勻等顯著特點。與傳統的利用鋼板樁止水相比，不存在貼合度不好造成的滲漏問題，減少了因止水困難導致鋼板樁使用周期長，而且施工完可直接回填不需要拔樁等工序，真正做到質量可控、施工科學，保證了管道及基礎的施工質量。實踐證明，在沿海地區高水位塘渣回填區域采用高壓旋噴樁止水技術是可行的、科學的。