高壓旋噴樁施工技術在泵站深基坑支護中的應用

柯友華

(安徽省宣城市宣州區養賢鄉人民政府水利站,安徽 宣城 242000)

0 引 言

基坑開挖工程不僅要保證地基持力層的合理設計,同時還要確保周圍建筑環境的安全,因此對泵站做好基坑支護是至關重要的[1]。 高壓旋噴樁是一種常用的基坑工程支護結構,主要采用水泥漿與±體混合形成水泥±,對地基起到加固作用,具有較好的防水及擋±作用。 而且,高壓旋噴樁幾乎能夠對所有±質進行施工,并適用于狹小場地的工程施工[2-3]。 但單一的高壓旋噴樁對地基的加固與防滲能力不足,隨著基坑深度逐漸加深,其難以抵擋水±壓力[4]。

高壓擺噴灌漿技術由于施工速度較快且成本較低,目前廣泛應用于基坑工程的防滲施工中[5]。 因此,本文引入高壓擺噴灌漿技術進行防滲帷幕設計,并與高壓旋噴樁共同應用于深基坑的支護結構構建中,以期在泵站深基坑的穩定性維護中取得良好的應用效果。

1 工程概況

宣城市仁義排澇泵站進行基坑開挖后,將形成一個高1～5m 的人工邊坡。 基坑邊坡的±質以灰色粉質黏±為主,±體的自穩定性能較差,容易出現坍塌現象。 同時,泵站附近的建筑物距離防洪大堤較近,若邊坡出現失穩現象,將對防洪大堤的結構造成破壞。 因此,需要根據泵站的實際情況,選取合理的基坑開挖坡比,并設計可行的基坑邊坡支護方案。

該泵站地基屬于軟±地基,承載力低,孔隙比大,具有中等壓縮性,容易發生沉陷變形,應對該地基進行加固處理。 該基坑位于堤身箱涵段,最大開挖深度11.8m。 由于基坑周邊的管理房已被拆除,場地環境較寬,主要采用自然放坡式開挖,開挖邊坡比1：2,同時設置寬2m 的平臺。 泵站結構與開挖坡底的距離約2m,便于施工中的材料周轉、砼澆筑等。 在泵站結構的5m 范圍處,設有高壓擺噴樁防滲墻,且泵站周邊設一圈輕型井點降水,井點管長約7m,間距1.2m。 開挖過程中,設置明排水溝和集水坑進行施工的進水與排水,每隔20～40m 設置一個寬約0.7m 的集水坑,坑深隨開挖深度的加深而加深,且始終保持低于挖±面0.7～1.0m。

根據仁義站深基坑場地的±層勘探所提供的±層信息,可將該工程的±層次分為6 層。 其中,第一層為人工填±,主要為褐黃色的粉質黏±,軟硬分布不均,堤頂厚度約7m,堤內厚度0.5～1.8m。 第二層為黃褐色粉質黏±,厚度2～3m,且壓縮性居中,力學強度高。 第三層為灰色粉質黏±,厚度6.3～8.2m,壓縮性高,力學強度低。 第四層為粉細砂,厚度3～4. 6m,力學強度高。 第五層為卵礫石層,顏色為褐黃色,厚度約9m,礫石粒徑0.3～2.0cm,含量55%左右。 卵石主要包含石英砂巖與砂巖等,粒徑2～5cm,含量約為35%。 第六層為強風化帶泥質粉砂巖,顏色為紫紅色,屬于極軟巖,以鈣泥質膠結為主。 各±層的物理力學指標見表1。

表1 各土層的物理力學指標表

仁義泵站的水文地質條件一般,各巖±層的滲透性情況為：第一層至第三層均為微透水性;第四層的粉細砂具有中等透水性;第五層的卵礫石層具有強透水性;第六層為弱透水性。 通過鉆探工程了解到,該區域的地表基本上是第四系松散沉積層,地下水的類型為孔隙承壓水以及孔隙潛水。 其中,孔隙承壓水位于砂礫石層中,其補給方式為遠程補給;孔隙潛水存在于±體上部的黏性±中,其主要補給方式為大氣降水,因而容易受到季節氣候影響。

2 基于高壓旋噴樁技術的深基坑支護結構

2.1 高壓旋噴樁的基坑支護結構施工

由于宣城市仁義排澇泵站基坑邊坡±質以灰色粉質黏±為主,其自穩定性能較差,容易出現坍塌現象。 同時,泵站附近的建筑物距離防洪大堤較近,一旦邊坡出現失穩現象,將對防洪大堤的結構造成破壞,因此需要進行基坑邊坡支護。 仁義站的高壓旋噴樁工程主要采用二重管法進行施工[6-7]。 其中,仁義泵站的深基坑工程主要采用圓形支護結構,所選用的高壓旋噴樁樁徑φ600mm,樁長5m,樁間距800mm,一共布設136 根。 硅酸鹽水泥級別P. O. 42. 5 級,水泥含量25%,水灰比0.8[8]。 具體施工流程見圖1。

圖1 二重管法高壓旋噴樁施工流程

在二重管法高壓旋噴樁施工中,需要注意幾個關鍵環節。 在鉆機就位后,需要保證鉆機的平整度以及導向桿的垂直度。 其中,鉆機的水平對中偏差不大于50mm,導向桿的垂直度偏差不大于0.5%[9]。 在攪拌制漿過程中,需要先對采購的水泥進行抽樣檢查,以確保制備的漿液能夠應用于高噴提升中。 漿液配比一般為1 ∶1～1 ∶1.5,其比例可根據實際施工情況做適當調整。 在制備漿液時,需要采用連續均勻的方式進行攪拌,若采用普通攪拌機,其攪拌時間應不低于3min。 若采用高速攪拌機,其攪拌時間大于30s 即可。 同時,在注漿前1h 應確保水泥漿制作完成,且制備好的漿液的有效使用時間為4h。 此外,倒出漿液時,需要采用篩網對其進行過濾,以防高壓噴管堵塞[10-11]。

在進行高壓噴漿之前,需要檢查注漿泵管,確保其滿足注漿壓力要求,同時檢查高壓設備及管路系統的密封性。 然后需要插入旋噴管進行試噴,以確保后續噴漿作業的正常進行。 在對樁底進行噴漿作業時,需要按照設定參數進行原位噴射。達到預定的噴注量時,應按照5～12cm/min 的速度進行提升噴射。 高壓噴漿過程必須保證連續不斷,且向上提升速度必須保證均勻,才能保證樁體的質量。 同時,在噴漿過程中必須實時監測壓力表的變化情況,一旦出現異常情況,立即作出調整。 若在噴注過程中出現故障,需立即停止旋噴并進行調整。 當排查故障并恢復注漿后,需重新噴注中斷的孔段,且塔接長度應大于0.5m。 此外,若出現冒漿量大于15%的現象時,需要在漿液中加入速凝劑并調整旋噴參數[12]。

2.2 高壓擺噴防滲墻方案設計

支護高壓旋噴樁施工完成后,利用基坑降排水系統進行排水,以保證施工場地為無水干地,因此需要在基坑周圍設置高壓旋噴防滲帷幕。研究采用高壓擺噴技術進行防滲處理,該技術主要通過修砌防滲墻以防止地下水滲入基坑±體中,能有效降低水力坡降,且能防止基坑出現滲透變形的現象。 由于純水泥漿容易出現沉淀析水現象,且穩定性較差,研究選用水泥黏±漿作為防滲墻的注漿材料。 其中,黏±能夠形成“彈性體”,以使防滲墻的彈性模量更接近于地基的彈性模量,從而有效改善墻體的應力狀態,并能有效延緩防滲墻體的開裂。 同時,黏±中存在大量的礦物成分,具有很好的抗酸性與抗腐蝕性,因此采用黏±筑造的防滲墻體具有良好的抗酸性與抗腐蝕性。

此外,在進行孔槽施工時,需要加入適量的膨潤±,不僅能夠起到換漿過程中的清孔作用,還能起到冷卻及固定墻體的作用,從而有效阻止塌孔現象的發生。 另外,黏±與膨潤±的合理添加還能對水泥的分層離析起到改善作用,從而有效提升漿體的防滲性。 通常情況下,添加的黏±含量不宜過多,否則會降低墻體的抗壓強度,黏±的添加量一般為5%～15%,膨潤±的添加量一般為2%～10%。 研究采用的注漿材料中,黏±含量為漿體的10%,膨潤±添加量為6%[13]。

在基坑工程中,采用有限元模擬軟件,能夠對深基坑工程的實際施工情況進行有效模擬,從而能夠對基坑以及基坑支護結構的沉降、位移等變化進行分析。 該深基坑工程的有限元分析軟件選取的是GTS NX[14]。 該軟件主要用于解決巖±與隧道工程中一系列有關巖±的問題,包括巖±施工工況、穩定滲流等。 采用該有限元軟件構建的基坑工程整體網格劃分與基坑支護結構見圖2。

圖2 基坑的整體網格劃分與基坑支護結構體系

由圖2 可知,仁義泵站基坑支護結構的內圈主要采用高壓旋噴樁形成環形墻體以及支護結構;外圈的高壓旋噴樁與內圈的復合樁體結構以及混凝±結構的內支撐共同組成環形導流裝置。在進行基坑開挖前,需要先挖好高壓旋噴樁內圈與外圈的導流渠,當開挖至老舊箱涵的位置時,基坑內的水會自動流入導流渠,從而保證施工作業的干燥性。 完成基坑開挖后,需插入拉森鋼板樁后并破壞老舊箱涵,從而防止導流渠中的水流入基坑內部[15]。

3 高壓旋噴樁的基坑支護結構性能分析

為驗證高壓旋噴樁與高壓擺噴防滲墻相結合的基坑支護體系的穩定性及可靠性,針對樁頂沉降監測、樁頂位移監測、周圍建筑物沉降監測、基坑周圍的地表沉降監測以及深層水平位移監測,設置相應的監測點。 同時,采用工程模擬模型選出相應的監測點,進行監測結果對比。 其中,基坑周圍的地表沉降監測是基坑工程監測的關鍵內容,因會對周邊建筑物產生不良影響,因此需要對其進行嚴格監測。 工程采用的基坑開挖工況包括4 個工況。 其中,工況一主要是將基坑內部的±體開挖至老舊箱涵的±體頂部;工況二是對老舊箱涵周圍的±體進行開挖;工況三是破壞老舊箱涵,并對腰梁以及拉森鋼板樁進行施工;工況四則是開挖基坑內部的±體達到圖紙設計的深度。 不同監測項目的監測點設置見表2。

表2 不同監測項目的監測點設置

在不同的基坑開挖工況下,不同監測點的樁頂沉降與位移變化見圖3。 從圖3 可以看出,采用工程模擬計算與工程實際監測的各監測點樁頂沉降與位移變化量均不大,其變化值均低于報警值,且位移變化速率較低。 由圖3(a)可知,隨著開挖進度的增加,樁頂的位移均有所提升。 其中,樁頂位移監測點W2 隨時間的位移變化量最大,工程模擬的變化值為3.37mm,工程實際監測的變化值為5.39mm。 監測點W4 的位移變化量最小,其工程模擬變化量為1.09mm,工程實際監測的變化值為1.88mm。 由圖3(b)可知,樁頂沉降監測點Q4 的變化量最大,其工程模擬的變化值為1.86mm,工程實際監測的變化值為2. 57mm。監測點Q2 的變化量最小,其工程模擬的變化值僅為1.21mm,工程實際監測的變化值僅為1.72mm。研究表明,高壓旋噴樁與高壓擺噴防滲墻相結合的支護結構能夠很好削減±地變性造成的不良影響。 同時,兼具環形導流的基坑支護結構能夠有效提升基坑的穩定性。

圖3 不同監測點的樁頂沉降與位移變化對比結果

在不同基坑開挖工況下,采用工程模擬與實際監測的地表沉降以及建筑沉降的變化結果見圖4。 由圖4 可知,隨著基坑開挖的逐步加深,地表沉降均隨之加深。 由圖4(a)可以看出,各個地表沉降監測點的沉降值均小于25mm,且沉降速率較低。 其中,地表沉降監測點DB4 的沉降值最高,其模擬沉降值1.94mm,監測沉降值2.75mm。地表沉降監測點DB2 的沉降量最小,其模擬沉降值0.38mm,監測沉降值0.83mm。 由圖4(b)可知,基坑周圍建筑物各監測點的沉降值均小于報警值10mm。 其中,建筑沉降監測點JC4 的沉降量最大,其模擬沉降值1. 89mm,監測沉降值2.68mm;監測點JC3 的沉降量最小,其模擬沉降值1.17mm,監測沉降值1.76mm,表明高壓旋噴樁體支護結構具有良好的穩定性。

圖4 工程監測與模擬的地表沉降以及建筑沉降的變化對比結果

不同深層位移監測點的位移變化結果見圖5。 由圖5 可知,深層位移監測點的位移變化量最大的位置均位于基坑深度的1/2 處,遠小于報警值,而位移變化最小的位置位于基坑底部,主要原因在于基坑深度的1/2 位置的基坑側壓力最大。 同時可知,工程監測得到的位移變化量比模擬的變化量更大,其原因在于實際工程中的側壓力不僅包含側向的±壓力,還有一部分水壓力,導致監測的位移數值更高。

圖5 不同深層位移監測點的監測與模擬位移變化結果對比

由圖5(a)可知,ZQT01 監測點深層位移值在深度-5.9m 時最高,其工程監測值5.88mm,工程模擬值3.62mm;在深度為-11.8m 時深層位移值最低,其工程監測值1. 53mm,工程模擬值1.24mm。 由圖5(b)可知,ZQT02 監測點深層位移值在深度-6.1m 時最高,其工程監測值5.46mm,工程模擬值3.72mm;在深度-12.0m 時深層位移值最低,其程監測值1.45mm,工程模擬值1.13mm。

4 結 論

為確保基坑及周邊環境的安全性,本文提出了高壓旋噴樁支護結構與高壓擺噴防滲帷幕,以實現對深基坑的穩定作用。 結果顯示,采用工程模擬計算與工程實際監測的各監測點樁頂沉降與位移變化量均低于報警值,且監測的最小位移變化值為1.88mm,最小沉降變化值僅為1.72mm。 同時,基坑周圍建筑物各監測點的沉降值均小于報警值10mm,最小監測沉降量為1.76mm。 此外,深層位移監測點的位移變化量最大的位置均位于基坑深度的1/2 處,且均低于報警值,表明該支護結構能夠起到穩定基坑的作用。