旋噴樁在頂管工程軟弱土體加固中的應用

韓月波，苗晶露

（天津市水務規劃勘測設計有限公司，天津 300204）

1 背景介紹

我國工程建設中經常會遇到軟弱土層，尤其在濱海地區。這些地區軟弱土層大范圍存在，具有土層含水量高、抗剪強度低、壓縮性大、滲透系數小等特點，無論作為建筑物基礎或是地鐵、箱涵等盾構、管道頂進的承載土體，其處理方式均是工程中的重點和難點。旋噴樁作為處理軟弱土層的一種有效方法，目前許多學者已經進行了研究。楊鳳靈等[1]采用現場試驗的方法研究高壓旋噴樁對提高地基承載的作用，得到高壓旋噴樁復合地基在垂直荷載作用下樁、土共同承擔上部荷載，能大幅度提高地基承載力的結論。蘇弦[2]通過工程實踐指出高壓旋噴樁對軟土地基是一種有效的地基加固方法，可以提高軟土地基強度和承載力。林贊波[3]介紹了采用高壓旋噴樁進行頂管基礎加固處理的方法，工程實踐證明高壓旋噴樁加固頂管基礎可有效提高軟弱土層強度，避免頂管施工過程中出現“冒頭”“下沉”等施工問題，以保證頂管施工質量。

筆者通過天津市南水北調中線濱海新區供水一期工程穿越紫陽道泥漿池工程實例，對采用旋噴樁技術處理軟弱土體的案例進行介紹，為同類項目設計與施工提供借鑒。

2 基本情況

2.1 工程概況

天津市南水北調中線濱海新區供水一期工程是天津市內輸配水工程的重要組成部分，工程任務是向天津市濱海新區的永定新河以南地區輸送引江原水。

輸水工程起點位于南水北調中線天津干線末端的曹莊泵站，終點為天津市東麗區津濱水廠，管線沿西南外環綠化帶、海河右堤腳布置，總長約36.2 km。輸水干線全長約34.7 km，輸水規模為22.3 m3/s，采用2 根直徑2 600 mmPCCP 管道，局部輔以鋼管，工作壓力0.5 MPa，管頂覆土厚2.0～3.0 m，兩管中心距4.5～6.0 m。津濱水廠支線全長約1.5 km，輸水規模為6.3 m3/s，采用1 孔直徑2 200 mmPCCP 管道，局部輔以鋼管。

2.2 紫陽道泥漿池概況

紫陽道與煤氣廠鐵路之間為取土坑，坑內注滿了工程泥漿廢料，四周回填了工程垃圾和生活垃圾。泥漿池長約400 m，寬約60～130 m，一側緊鄰外環河右堤，另一側為垃圾回收站，池面高程1.8～3.8 m，池底高程-1.2～-5.72 m。

3 地質勘探成果分析

為了精確掌握泥漿池池底高程、土質情況，開展補充勘查為穿越設計提供依據，也為施工設備進出場提供條件，沿管線路徑填土筑路。筑路范圍為兩管道外層各5 m，筑路后地面高程3.58～4.07 m。泥漿池范圍400 m 內沿管線布設4 個靜探孔，樁號為S2+900、S3+020、S3+215、S3+265。經靜探，各土層分布情況詳見表1。

表1 勘探成果

靜探結果顯示，樁號S2+900—S3+265范圍內全部為泥漿池，中間最深，兩端略淺，池底最深高程為-5.72 m，泥漿厚度達8.3 m。管道布置應盡量埋于原狀土中。

4 穿越工程設計

4.1 穿越方案比選

從設計角度上，紫陽道泥漿池穿越可選擇調線方案、換填明挖方案和頂管暗挖方案。其中，調線方案簡單、安全，但是受規劃用地限制無法實施；換填明挖方案需要進行泥漿置換和回填土預壓，由于征地困難、施工進度限制等原因難以實施；頂管暗挖方案雖然也存在泥漿池土體加固、頂管兩端斜管段穩定、兩側深頂坑支護等難題，但是都可以通過工程措施進行處理。頂管暗挖方案不僅滿足工程進度要求，工程投資相對明挖方案增加較少，而且主要增加在管道等主體工程保護上，因此推薦該方案。

4.2 地質條件分析及處理措施

頂管適宜在地層巖性穩定，土質均勻、軟硬適中的地質條件下穿越。穿越管體在原狀土層中穿越，上覆土層較厚，自重應力大，管周圍壓大，管側摩阻力較大；加上泥漿層厚度7 m 左右，結構力小，不能自穩，直接作用在管頂上部2 m 厚原狀土層上，增加了管上土層壓力，從而增大了管圍壓和管周摩擦力。頂管線路長約400 m，摩擦力隨之會更大，增加了施工難度，可能會頂不動，若增大注漿壓力則會對管周土擾動范圍過大，導致管道上浮。

為此，采取如下工程處理措施：①加密注漿管，減小注漿壓力，可保證輸水管周圍土體潤滑層厚度不致過大且穩定，應力均勻，從而確保鋼管不易偏斜；②縮短頂管距離，分段施工；③采取必要措施加固管周土體，保證管道頂部形成土拱，減小上部泥漿荷載壓力。

4.3 頂管中心高程確定

紫陽道泥漿池頂管高程的確定受到以下三方面因素影響。

（1）頂管必須在原狀土層中頂進。地勘資料顯示，紫陽道泥漿池底高程為-5.72 m，因此頂管應在-5.72 m以下施工。

（2）根據《給排水頂管施工規程》（CECS 246-2008）要求，管頂覆蓋土層厚度在不穩定土層中宜大于管道外徑的1.5 倍，并應大于1.5 m。本工程管徑2.6 m，覆土厚度應不小于4.0 m。但是，按照管道埋深在淤泥底以下4.0 m 設計，考慮到管中心高程為-11.0 m，管頂總的覆土厚度約為13.2 m，由此初步進行鋼管結構計算，極限壁厚40 mm 的鋼管也很難滿足該設計條件的結構安全，因此頂管高程應適當上抬。

（3）頂管段兩端連接管段埋深較淺，頂進深度越大，兩端斜管段高差就越大，銜接管段穩定性也越差，施工也更困難。因此，在條件允許下應盡量減小管道埋深，同時減小銜接管段高差。

根據以上三方面分析，擬定管中心高程為-9.0 m，淤泥底以下覆土厚度為2.0 m，大于《給排水頂管施工規程》（CECS 246-2008）要求的1.5 m。但是，由于原狀土層厚度太小，無法形成土拱，為保障頂管施工的順利進行、避免頂管機頭上抬或者偏移和保證管道安全，需對土體進行加固處理。

4.4 頂進長度確定

紫陽道泥漿池總長約400 m。為了減小頂進的摩阻力、降低注漿壓力、避免注漿壓力過大頂穿原狀土層造成管道上浮或偏斜，確定頂管段由兩端向中間頂進，中間設接收坑，兩端頂進各200 m。

5 土體加固方案

5.1 加固范圍

泥漿坑內主要為建筑用廢棄泥漿，呈流塑狀態。為了保證頂管安全，考慮坑底高程極不規則，確定加固范圍為整個頂管段，長度400 m，寬度為管道外皮外各4.5 m，深度為管底以下2.4 m、管頂以上4.0 m，總深度9.0 m，如圖1—2所示。

圖1 土體加固縱斷面

圖2 土體加固橫斷面

5.2 加固方案

水泥攪拌樁由于設備高、重量大，成孔困難，達到設計強度標準所需周期長，所以土體加固不宜采用。高壓旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質土、流塑、軟塑或可塑黏性土、粉土、黃土、砂土、素填土和碎石土等地基，具有處理深度較大（國內目前處理深度30 m 以上）、施工設備簡單、輕便、噪聲和振動小、施工速度快、機械化程度高和成本低用途廣等優點，在國內外已經得到廣泛應用[4]。基于以上優點，考慮到管頂泥漿池內填土筑路強度可以滿足高壓旋噴樁施工要求，所以推薦采用該樁型進行土體加固。

泥漿池頂管段加固范圍大，高壓旋噴樁工程量相應較大。為了避免高壓旋噴樁施工浪費和加固土體強度過高造成頂進困難，因此對不同水泥摻量的高壓旋噴樁進行試樁，并委托有資質的相關單位對試驗樁抽芯檢驗。試驗報告成果如下：高壓旋噴試驗樁共計10 根，水泥摻量5%的1 根、8%的2 根、10%的2根、12%的3根、15%的2根，樁徑585～615 mm，平均樁徑600 mm，各抽芯芯樣基本情況如下。

（1）地表以下2.0～3.0 m樁身范圍內，含灰量大，芯樣成短柱狀或散體狀，強度較高，均勻程度一般。

（2）地表以下3.0～8.0 m樁身范圍內，含灰量大，芯樣成柱狀，含灰均勻，芯樣強度約在0.55～2.0 MPa，上部強度大，下部強度低。高壓旋噴試驗樁芯樣無側限抗壓強度，詳見表2。

表2 高壓旋噴樁無側限抗壓強度統計 MPa

（3）地表以下8.0 m樁身范圍內，含灰量較少，芯樣成柱狀，含灰基本均勻，芯樣較軟。

（4）水泥摻量較大的樁，從抽芯結果看比其他樁身的芯樣含灰及強度略高，但不明顯。

擬定的加固范圍高壓旋噴樁長度9.0 m，頂進處為樁身4.0～7.0 m 位置，正是高壓旋噴樁含灰均勻、強度較大的部位，因此加固范圍和頂進高程比較合理。根據不同水泥摻量旋噴樁的強度比較，選擇水泥摻量12%的高壓旋噴樁進行加固，強度適中，管道上部土體強度較高，可以形成土拱，減小管頂覆土壓力；管周加固土體強度略低，便于頂進施工。采用樁徑0.6 m、間距0.5 m、咬合0.1 m 的布置方案，可以達到土體均勻加固的目的，避免局部土體強度過高或過低而造成施工困難。

6 結語

實踐證明，紫陽道泥漿池土體加固設計方案節省了工期，保證了工程順利實施，加固后的土體對主體管道具有保護作用。通過試樁檢驗，分析確定了高壓旋噴樁加固范圍、水泥摻量等主要參數，在工程實際中驗證了其取值的合理性，施工頂進效果良好。