外海人工島復(fù)合地基及止水帷幕旋噴樁試樁施工

呂 鵬，司錫寧，王 剛，王德亮

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

深中通道S09合同段西人工島高壓旋噴樁分兩區(qū)域布置，分別為島隧結(jié)合部斜坡段自E1管節(jié)島內(nèi)段40m(斜坡段復(fù)合地基)和島上段隧道及止水扶壁底部二次止水帷幕。西人工島斜坡段復(fù)合地基高壓旋噴樁包括A區(qū)和B區(qū)，其中A區(qū)樁頂標(biāo)高為碎石底設(shè)計(jì)標(biāo)高(-12.769～-13.387m)，樁底標(biāo)高為-38.000m；B區(qū)樁頂標(biāo)高為-16.000m，樁底標(biāo)高為-37.000m，成樁直徑1m，中心間距1.5m，呈梅花形布置，樁底除滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高外需確保進(jìn)入全風(fēng)化花崗巖≥1.5m或砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m(全風(fēng)化巖缺失段落)。隧道結(jié)構(gòu)底部二次止水墻設(shè)置3排連續(xù)的高壓旋噴樁形成止水帷幕，樁徑1.0m，搭接寬度為0.3m，穿透全風(fēng)化花崗巖，到達(dá)中風(fēng)化巖層頂面，樁頂標(biāo)高為-11.427m，樁底標(biāo)高為-39.927m(見圖1)。

圖1 西小島高壓旋噴樁平面布置(陰影區(qū))

1.2 試樁位置

《深中通道西人工島詳勘報(bào)告第一冊(cè)》中地質(zhì)資料內(nèi)容顯示，高壓旋噴樁試驗(yàn)區(qū)域選擇在與西小島二次止水帷幕地質(zhì)相似的X4～X5號(hào)鋼圓筒副格旁。為確保本次試驗(yàn)具有代表性，選擇隧道二次止水墻底部高壓旋噴樁樁頂、樁底標(biāo)高作為試驗(yàn)樁施工參數(shù)，其中樁底標(biāo)高為-39.927m(進(jìn)入中風(fēng)化巖層頂面)，樁頂標(biāo)高為-11.427m，同時(shí)終鉆標(biāo)準(zhǔn)按鉆桿鉆進(jìn)持續(xù)用時(shí)5～8min、進(jìn)尺<30mm設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制。試樁實(shí)際位置如圖2所示。

圖2 試樁點(diǎn)區(qū)域布置

1.3 試樁目的

通過大規(guī)模工藝試樁，旨在獲得較優(yōu)的施工參數(shù)，以更加科學(xué)地指導(dǎo)人工島內(nèi)復(fù)合地基加固和二次止水帷幕正式工程實(shí)施，確保施工質(zhì)量滿足要求；同時(shí)，通過試樁過程，可獲得人員工效、設(shè)備性能等信息，為工程正式施工時(shí)施工進(jìn)度計(jì)劃編制、成本控制等管理提供真實(shí)數(shù)據(jù)，更好地保障現(xiàn)場(chǎng)排產(chǎn)和成本核算。

1.4 地質(zhì)條件

根據(jù)西人工島X4～X5號(hào)鋼圓筒副格內(nèi)地基未處理前XDZK26號(hào)勘探點(diǎn)地質(zhì)勘察圖顯示，自上而下地層分布為：-8.000～-17.000m為回填砂；-17.000～-22.310m 為淤泥，N=9(N為標(biāo)貫擊數(shù))；-22.310～-23.810m 為中砂，N=9；-23.810～-30.310m為淤泥，N=9；-30.310～-31.710m為粗砂，N=20；-31.710～-33.110m為粉砂，N=25；-33.110～-35.410m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，N=50；-35.410～-37.310m為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，N=50；-37.310～-38.010m為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，N=50；-38.010～-41.710m 為中風(fēng)化花崗巖，N=50。

1.5 水文條件

根據(jù)初勘抽水試驗(yàn)孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)及搜集到的近場(chǎng)區(qū)相關(guān)資料顯示，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表水與地下水水力聯(lián)系緊密，地表水水位受潮汐影響日波動(dòng)在1～3m，地下水水位略低于地表水水位0～30cm，地下水水位漲落與潮水漲落變化規(guī)律基本一致，但水位峰值稍有滯后，滯后間隔30～50min，地下水主要在補(bǔ)給區(qū)接受地表水補(bǔ)給。

1.6 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

1)二次止水帷幕 ①滲透性通過壓水試驗(yàn)測(cè)試，滲透系數(shù)≤5×10-6cm/s；②樁身必須完整連續(xù)，樁徑、深度、樁身強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)要求，加固材料的品種、標(biāo)號(hào)、配合比必須符合設(shè)計(jì)要求；③加固體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.2MPa。

2)斜坡段復(fù)合地基 采用標(biāo)準(zhǔn)貫入方法檢測(cè)，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)≥20擊。

2 試樁設(shè)備

二次止水帷幕樁底要求進(jìn)入中風(fēng)化巖層頂面，終鉆標(biāo)準(zhǔn)按鉆桿鉆進(jìn)持續(xù)用時(shí)5～8min、進(jìn)尺<30mm設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制，以入巖為主控、設(shè)計(jì)底標(biāo)高為輔控原則確定樁底標(biāo)高。為更直觀地判斷入巖情況，采用引孔、旋噴分體式設(shè)備進(jìn)行旋噴樁施工，以引孔設(shè)備取出巖樣和終鉆標(biāo)準(zhǔn)雙控為判斷樁底標(biāo)高要求，確保止水效果滿足要求。

所選用的設(shè)備均采用電控程序控制水泥漿制漿及原材料稱量，并具備可實(shí)時(shí)顯示壓漿流量、壓力及氣壓功能。具體設(shè)備型號(hào)如表1所示。

表1 主要施工機(jī)具型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

3 試樁技術(shù)參數(shù)設(shè)置

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)思路

本次試樁采用雙高壓三管法，共計(jì)開展18組對(duì)比試驗(yàn)，總體按3種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第1～4組、第14組、第18組主要為驗(yàn)證止水帷幕成樁及抗?jié)B效果，按止水帷幕設(shè)計(jì)樁徑及樁距設(shè)計(jì)為四樁或三樁咬合，成樁樁徑1m，咬合30cm。其中，第1～3組綜合考慮施工質(zhì)量、成樁效率及經(jīng)濟(jì)性按水泥用量依次遞減設(shè)計(jì)施工參數(shù)，水灰比均為1∶1，通過調(diào)整提桿速度降低水泥用量；第4組降低水灰比至1.5∶1，砂層以下部分采用重復(fù)噴射工藝，增加土體切割次數(shù)，砂層以上單次噴射。第14組采用改變提升速度來比較成樁效果。第18組采用新型大流量泵，噴射流量增大，提速加快，驗(yàn)證成樁效果。

第5～7組按斜坡段復(fù)合地基高壓旋噴樁布樁方案進(jìn)行試驗(yàn)，各樁均采用不同參數(shù)，其中布樁中心間距為1.5m的正三角形，成樁樁徑1m。第 8～10 組施工技術(shù)參數(shù)與第5～7組一致，布樁間距調(diào)整為2m，以驗(yàn)證有效樁徑。

第11～13組按斜坡段復(fù)合地基高壓旋噴樁布樁方案進(jìn)行試驗(yàn)，其中布樁中心間距為1.5m的正三角形，成樁樁徑1m。第15～17組采用大流量泵按樁間距1.5m正三角形布置，采用不同參數(shù)驗(yàn)證單樁成樁效果。

3.2 具體施工參數(shù)

第1組試驗(yàn)樁在中砂層(-22.310m)以下采用雙泵噴漿，噴漿量140L/min，提升速度按10cm/min控制，水泥用量約1 064kg/m(不考慮損耗，下同)；中砂層(-22.310m)以上按單泵噴漿，噴漿量70L/min，提升速度按10cm/min控制，水泥用量約532kg/m，如表2所示。第2組試驗(yàn)樁中砂層(-22.310m)以下采用雙泵噴射，噴漿量140L/min，提升速度按12cm/min控制，水泥用量約886kg/m(不考慮損耗)；中砂層(-22.310m)以上按單泵噴漿，噴漿量70L/min，提升速度按15cm/min控制，水泥用量為354.7kg/m。第3組試驗(yàn)樁中砂層(-22.310m)以下采用雙泵噴射，噴漿量140L/min，提升速度按15cm/min控制，水泥用量為709kg/m(不考慮損耗)；中砂層(-22.310m)以上按單泵噴漿，噴漿量70L/min，提升速度按10cm/min控制，水泥用量約532kg/m。第4組試驗(yàn)采用1.5∶1水灰比，按單泵70L/min，提升速度按10cm/min，樁底中砂層(-22.310m)以下采用重復(fù)噴射一次的工藝，水泥用量386.4kg/m。第5組及第8組試驗(yàn)采用1∶1水灰比，按單泵75L/min，提升速度按10cm/min，水泥用量570kg/m。第6組及第9組試驗(yàn)采用1∶1水灰比，按單泵70L/min，提升速度按12cm/min，水泥用量443.3kg/m。第7組及第10組試驗(yàn)采用1∶1水灰比，按單泵70L/min，提升速度按15cm/min，水泥用量354.7kg/m。第11組試驗(yàn)樁提升速度為12cm/min，漿壓35MPa，流量為70L/min，回填砂層(-17.000m)以下進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴提升速度為15cm/min；復(fù)噴段水泥用量約700kg/m，如表3所示。第12組試驗(yàn)樁提升速度為10cm/min，漿壓35MPa，流量為70L/min，回填砂層(-17.000m)以下復(fù)噴，復(fù)噴提升速度為15cm/min；復(fù)噴段水泥用量760kg/m。第13組試驗(yàn)樁提升速度為10cm/min，漿壓35MPa，按單泵70L/min，水泥理論用量600kg/m。第14組試驗(yàn)樁SY-29，SY-30 2孔提升速度為12cm/min，SY31提升速度為10cm/min，漿壓35MPa，按單泵70L/min，3孔均在回填砂層(-17.000m)以下進(jìn)行復(fù)噴，各孔復(fù)噴提升速度為15cm/min，其中提升速度12cm/min單位水泥用量約520kg/m，提升速度10cm/min水泥用量約600kg/m。第15組試驗(yàn)樁提升速度為20cm/min，漿壓33MPa，漿流量約170L/min。第16組試驗(yàn)樁提升速度為25cm/min，漿壓33MPa，漿流量約200L/min。第17組試驗(yàn)樁下部基巖提升速度16cm/min(-35.410m 以下)，上部淤泥砂層提升速度20cm/min(-35.410m 至樁頂)，漿壓33MPa，漿流量約170L/min。第18組試驗(yàn)樁SYB-35及SYB-36提升速度25cm/min，漿壓33MPa，漿流量約200L/min；SYB-37提升速度20cm/min，漿壓33MPa，漿流量約170L/min。

表2 第1組施工參數(shù)

表3 第11組施工參數(shù)

4 施工流程

高壓旋噴樁施工流程如圖3所示。

圖3 高壓旋噴樁施工流程

4.1 試樁前準(zhǔn)備

1)原材料抽檢 水泥進(jìn)場(chǎng)前，需檢查其廠家產(chǎn)品合格證及質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，滿足要求后方可進(jìn)場(chǎng)。進(jìn)場(chǎng)后對(duì)同批次產(chǎn)品每500t(少于此數(shù)額也應(yīng)抽驗(yàn)1組)抽驗(yàn)1組進(jìn)行質(zhì)量檢查。

2)設(shè)備、儀器校定 試樁施工技術(shù)參數(shù)涉及較多，是否按要求進(jìn)行操作直接影響施工質(zhì)量，因此試樁施工前應(yīng)將所用施工設(shè)備、檢測(cè)儀器進(jìn)行全面校定，以獲得更真實(shí)數(shù)據(jù)。

3)制漿、排漿區(qū)域合理規(guī)劃 水泥漿拌制系統(tǒng)應(yīng)布置在水泥罐附近，便于作業(yè)，主要包括水泥漿拌制設(shè)備、水泥漿儲(chǔ)存設(shè)備、水泥漿輸送設(shè)備、相關(guān)管線等。試樁施工過程中正常會(huì)產(chǎn)生10%～20%的返漿量，返漿正確處理直接關(guān)系旋噴樁施工組織計(jì)劃實(shí)施，因此要因地制宜，統(tǒng)籌規(guī)劃廢漿池，及時(shí)有效處理廢漿液。

4)鉆桿刻度標(biāo)識(shí) 施工前，應(yīng)對(duì)所使用鉆桿標(biāo)識(shí)刻度，便于施工過程中復(fù)核施工參數(shù)標(biāo)高，確保施工質(zhì)量滿足要求。

4.2 施工工序

1)造孔 將地質(zhì)鉆機(jī)移至指定孔位、對(duì)位孔中心偏差≤50mm，用水平尺調(diào)整機(jī)身水平，立軸豎直，墊牢墊穩(wěn)機(jī)架，保證鉆孔垂直度≤1%(止水帷幕鉆孔垂直度≤1/200)。經(jīng)檢測(cè)合格，方可開動(dòng)鉆機(jī)。鉆進(jìn)時(shí)考慮到上部回填砂層松散，需膨潤(rùn)土攪制泥漿進(jìn)行護(hù)壁。同時(shí)，每5m用水平尺或垂直方向吊鉛錘等方式測(cè)量機(jī)身水平度和立軸垂直度，如發(fā)現(xiàn)傾斜，則停機(jī)找平后再鉆孔，詳細(xì)記錄地層及鉆機(jī)情況。造孔直徑110～130mm。

2)下噴射管 將噴射機(jī)移至成孔處，先進(jìn)行地面漿、氣試噴，檢查各項(xiàng)參數(shù)符合要求后，將噴射管(直徑89mm)下至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，在下噴射管時(shí)應(yīng)帶有10～15MPa壓力進(jìn)行下放，防止噴嘴堵塞。

3)旋噴提升 當(dāng)噴射管下至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后，送入符合要求的漿、氣，在樁底原位旋轉(zhuǎn)靜噴3min，待孔口正常返漿后再旋噴提升，當(dāng)提升至砂層頂標(biāo)高后改用單泵噴射。鉆桿的旋轉(zhuǎn)和提升應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得中斷，鉆機(jī)發(fā)生故障后應(yīng)停止提升鉆桿和旋轉(zhuǎn)，以防斷樁，并立即檢修排除故障。

4)鉆機(jī)移位 噴射管出孔口后，應(yīng)及時(shí)清洗注漿泵及輸送管道，然后將鉆機(jī)移位。

5 試樁施工關(guān)鍵點(diǎn)控制

1)注漿前應(yīng)使用泥漿比重計(jì)檢測(cè)泥漿密度，滿足要求后方可注漿；同時(shí)，在注漿過程中，應(yīng)定時(shí)檢測(cè)注漿密度和孔口返漿密度，如發(fā)現(xiàn)同設(shè)計(jì)要求存在異常，應(yīng)暫停施工，查明原因后及時(shí)采取措施處理。

2)做好引孔實(shí)時(shí)記錄，復(fù)合地基參數(shù)停鉆標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高要求，二次止水帷幕參數(shù)停鉆標(biāo)準(zhǔn)為鉆桿連續(xù)5～8min進(jìn)尺<3cm時(shí)終止鉆進(jìn)，并通過孔底取出土樣進(jìn)行綜合判斷是否鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3)做好每個(gè)孔位注漿實(shí)時(shí)記錄，包括孔位、孔深、壓力、流量、提升速度、旋轉(zhuǎn)速度、泥漿密度等關(guān)鍵控制點(diǎn)記錄，過程中出現(xiàn)異常情況應(yīng)如實(shí)記錄，便于后續(xù)成樁檢測(cè)分析。

4)每次旋噴時(shí)均應(yīng)先噴漿后旋轉(zhuǎn)和提升，以防止?jié){管扭斷。

5)配制水泥漿時(shí)，應(yīng)先放水再放水泥，每次投料后拌合時(shí)間≥3min，待泥漿密度檢測(cè)合格后儲(chǔ)存至集料罐中使用。

6)高壓噴射注漿過程中如出現(xiàn)壓力表、流量表異常，孔口長(zhǎng)時(shí)間不返漿或長(zhǎng)時(shí)間大量冒漿(持續(xù)>20%漿量)等異常情況，應(yīng)暫停施工，查明原因并及時(shí)采取措施。

7)噴射注漿時(shí)，突然中斷電、水、漿、氣體時(shí)，應(yīng)及時(shí)搶修。搶修正常后，注漿管應(yīng)重新下至停供位置以下0.5m 噴射。因故停噴>3h，應(yīng)及時(shí)清洗設(shè)備和管道，以防水泥漿堵塞。

8)注漿過程中，噴射管需分段接長(zhǎng)，要求噴射管分段提升的搭接長(zhǎng)度≥0.3m。

9)二次止水帷幕施工時(shí)，當(dāng)提升噴射管至設(shè)計(jì)樁頂以下1.0m深度時(shí)，放慢提升速度至設(shè)計(jì)高程，提高成樁質(zhì)量，保證整體滲透性滿足要求。

10)試樁期間，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行工效統(tǒng)計(jì)及水泥、淡水、膨潤(rùn)土等原料消耗統(tǒng)計(jì)和廢漿出運(yùn)效率統(tǒng)計(jì)。

6 試驗(yàn)檢測(cè)

6.1 取芯及標(biāo)貫檢測(cè)

西人工島二次止水帷幕及斜坡段復(fù)合地基高壓旋噴樁試樁在樁身強(qiáng)度達(dá)到28d后進(jìn)行取芯及標(biāo)貫檢測(cè)，取芯檢測(cè)情況如表4所示，高壓旋噴樁取芯率如表5所示。標(biāo)貫貫入度共計(jì)檢測(cè)6根，檢測(cè)結(jié)果表明，按試樁工藝實(shí)施，平均標(biāo)貫擊數(shù)均≥20擊，具體檢測(cè)部位如表6所示。

表4 取芯檢測(cè)情況匯總

表5 高壓旋噴樁取芯率匯總

表6 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫檢測(cè)情況匯總

6.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度合格率分析

統(tǒng)計(jì)旋噴樁28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，取芯成功的止水帷幕試驗(yàn)樁強(qiáng)度均達(dá)到1.2MPa，且合格率>90%，如表7所示。

表7 28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)情況匯總

6.3 注水試驗(yàn)

選取試樁參數(shù)中止水帷幕第1組3孔搭接處兩點(diǎn)進(jìn)行注水試驗(yàn)，如圖4所示。按每進(jìn)尺5m洗孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)1，2號(hào)檢測(cè)點(diǎn)平均滲透系數(shù)3.03×10-6cm/s<5×10-6cm/s，滿足要求。二次止水帷幕取芯注水試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 二次止水帷幕取芯注水試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖4 注水試驗(yàn)位置示意

6.4 試驗(yàn)參數(shù)選用分析

6.4.1止水帷幕成樁檢測(cè)分析

經(jīng)取芯檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第1組(SY-01～SY-04)、第4組(SY-13～SY-16)、第14組(SY-29～SY-31)試驗(yàn)取芯結(jié)果較好。其中，第1組取芯率、樁身強(qiáng)度、滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。由于二次止水結(jié)構(gòu)質(zhì)量高低直接關(guān)系到西小島是否滿足干基坑施工作業(yè)條件，抗?jié)B及防突涌作用較突出，為更好地保證二次止水結(jié)構(gòu)止水效果，計(jì)劃在正式工程中采用第1組參數(shù)進(jìn)行施工。

6.4.2高壓旋噴樁復(fù)合地基檢測(cè)分析

第5～7組(SY-17～SY-19)取芯結(jié)果一般，樁身標(biāo)準(zhǔn)貫入度滿足平均標(biāo)貫擊數(shù)≥20擊要求，三樁形心部位平均標(biāo)貫擊數(shù)≥20擊。第12，13組取芯結(jié)果較一般，但樁間平均標(biāo)貫擊數(shù)≥20擊。第15組(SY-32)與第17組(SY-34)取芯結(jié)果一般，樁身下半段不連續(xù)，離樁邊距10cm進(jìn)行標(biāo)貫檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，平均標(biāo)貫擊數(shù)≥20擊。第3組止水帷幕施工參數(shù)粗砂層以上(-31.700m)成樁效果良好，底部粗砂層(天然標(biāo)貫擊數(shù)>20擊)成樁效果一般，水泥用量較適中，成樁質(zhì)量較一般單樁成樁質(zhì)量更優(yōu)。

綜上所述，為確保島隧結(jié)合部地基加固質(zhì)量，優(yōu)選第3組參數(shù)作為施工參數(shù)。

7 結(jié)語

本次大規(guī)模工藝試樁開展，通過噴漿泵數(shù)量、提升速度控制水泥漿用量，通過水灰比調(diào)節(jié)水泥漿濃度，水泥漿用量、濃度直接影響成樁質(zhì)量，且在砂層區(qū)域較明顯。水泥漿用量不足或水泥漿濃度較低，在砂層區(qū)域樁體呈現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，透水性較高，不滿足止水帷幕成樁要求。通過本次工藝試樁施工，選定了適合本工程二次止水帷幕和地基加固的工藝參數(shù)，為工程實(shí)體施工質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。