目前越来越多的深基坑工程采用帷幕隔水的方式, 常规帷幕隔水技术包括高压旋喷桩、搅拌桩、混凝土防渗墙等, 且具有各自的适应性和局限性。

常规的搅拌桩和旋喷桩由于其工艺简单、造价较低等特点, 被广泛应用于软土地区地基处理、止水帷幕等工程领域。但因其工艺特点的局限性, 在成桩直径、桩身搭接、桩体垂直度、成桩效果方面存在一定的不足和缺陷, 严重限制其应用范围, 尤其在北方土质较硬区域或者在桩体直径大、长度较长、垂直度要求高的情况下均难以实施。常规的高压旋喷工艺和搅拌工艺经常出现“喷不动”、“搅不动”的现象, 施工工效低;何世鸣等发明了长螺旋旋喷搅拌桩施工工艺, 并应用于多个工程, 取得了良好的效果。但是由于常规高压旋喷桩、旋喷搅拌桩每次成桩1根, 若垂直度控制不好, 经常出现搭接部位“劈叉”漏水的现象。因此, 针对以上不足, 研发了长螺旋三轴高压喷搅桩施工装置并编制了施工工法, 该设备及工艺已申请专利并获授权, 并在延崇高速公路 (北京段) 工程第2标段和康延杏西支、岭杏西支110kV线路和杏张35kV线路迁改工程 (延庆世园会架空线路入地工程) (第4标段) 等工程中进行了推广应用。

长螺旋三轴高压喷搅桩工艺, 结合了长螺旋钻机、三轴搅拌工艺和高压旋喷工艺的优点, 利用长螺旋钻机和三轴喷搅复合钻具作为施工装置, 施工时3根螺旋钻杆同时向下钻进, 钻杆内部设置浆液胶管和通气胶管, 钻杆上设置叶片, 施工时钻杆向不同方向旋转搅拌, 同时钻头部位进行高压旋喷, 喷射气体或流体切割土体, 使土颗粒与浆液搅拌均匀, 形成连续的止水帷幕。

钻头部分喷气孔与喷液孔同心, 使得高压喷出液体被气体包围, 即产生“气包浆或者气包水”的效果, 从而大大提高浆液与土颗粒的拌合均匀度。根据设计所需达到桩径, 可选择使用“气包水”预切割、疏松、搅拌, 再用“气包浆”再切割、疏松、搅拌, 从而达到桩径更大、水泥浆与土壤颗粒搅拌更为均匀, 止水效果更好的喷搅桩, 置换的泥浆可通过钻杆周边空隙在气托作用下自然泛浆到地面 (见图1) 。

长螺旋三轴高压喷搅桩施工工艺流程如图2所示。

1) 施工准备

清理平整施工场地, 达到“三通一平”, 按照施工平面图合理布置各施工功能区, 准备好所用的机械设备和原材料。制定施工方案, 合理安排钻机的进出路线和钻孔顺序, 在施工前进行技术交底。

2) 开挖导槽、桩位放线

根据施工区域外设置的平面控制点和高程控制点, 在施工区域内布置并测设施工基线和水准点。

采用小型挖掘机开挖施工沟槽, 沟槽宽度约1 500mm, 深度约1 000mm。遇到有地下障碍物时, 利用挖掘机清除, 清障后产生过大的空洞, 需回填黏土压实, 重新开挖沟槽。

根据设计图纸要求, 用全站仪进行放线、定桩位, 在地面做好标记, 由技术负责人组织质检员、施工员、班组长共同对桩位进行检查, 确认无误后方可与监理或甲方办理预检签字手续。

3) 钻机就位

桩位放线后, 钻机应立即就位。确保钻杆的连接牢固, 钻机支撑平稳, 钻机钻头中心点保证和桩位点垂直。钻机启动前应将钻杆、钻尖清理干净。

钻机就位时必须保持机身平稳, 不发生倾斜和位移。为准确控制钻孔深度, 应在机架上做出控制的标尺, 以便在施工中进行观测和记录。

钻机定位后, 应进行桩位复测, 用吊锤检查调整钻杆与地面垂直角度, 并采用经纬仪进行观测, 钻杆垂直度偏差≤1%, 钻头中心与桩位点偏差≤50mm。

4) 水泥浆制备

在施工现场布设水泥浆搅拌系统, 系统安装有自动计量装置, 附近安置水泥罐, 在开机前按要求进行水泥浆液的搅制。按照设计要求选用相应的水泥, 按照设计水灰比对水和水泥质量进行计量, 在搅浆桶内搅拌均匀, 经60目筛过滤, 放入储浆池中。储浆池中的水泥浆要不间断搅拌, 防止水泥浆沉淀。高压注浆泵用细目纱网罩住, 防止储浆池中有粗颗粒物吸入注浆泵堵塞钻头处的喷嘴。水泥浆配制好后, 停滞时间不得超过2h, 搭接施工的相邻帷幕桩施工间隔不得超过24h (初凝时间) 。

5) 三轴钻机搅喷成桩

启动三轴搅喷钻机, 刚接触地表时下钻速度要慢, 钻进速度应根据地层情况保持平稳, 施工中严格控制钻进速度, 三轴复合钻具向下钻进同时开动高压注浆泵, 边旋喷边搅拌, 钻进至设计标高, 钻具钻至设计深度后, 原地喷射搅拌时间不少于30s, 按设计提升速度提升钻具, 在提升的同时进行旋喷和搅拌, 提升到离地面50cm处或桩顶设计标高时在原位转动喷浆30s, 以保证桩头部位均匀密实, 停止泵送水泥浆。要保证设备运转正常, 输浆管路畅通, 供浆正常, 水泥浆泵送压力约35～37MPa。正式施工前应根据试桩及地层情况确定搅喷遍数和提升速度, 可根据地层情况及设计桩径等要求选择二重管或三重管工艺。

6) 清理钻具移位

钻具提出后, 将钻具上浮土人工清理干净, 检查钻头喷嘴, 确保畅通, 移位至下一桩位。三轴喷搅桩施工选择单侧跳桩施工, 若受场地条件限制, 桩机无法来回行走, 也可采用单侧挤压施工。

本工艺地层适应性强, 可普遍应用于素填土、黏性土、粉土和块石最大粒径≤10cm的砂卵石、碎石地层, 在砂土、非密实的碎石类土等硬土地层中有明显优势。其成桩直径范围大、基本不受钻杆定尺限制, 单根桩径一般≤1.5m, 桩长一般≤30m, 也可以通过提升长螺旋钻机机架高度和动力头增加桩长。

本工艺采用长螺旋钻机和三轴喷搅复合钻具, 使得高压旋喷工艺和三轴搅拌工艺有机结合, 有效解决了硬土地层常规工艺施工“搅不动”和“喷不动”的难题, 大大提高了施工效率。由于采用桩间套接一孔施工工艺, 三轴喷搅桩套接形成连续的止水帷幕, 在桩身较长的情况下能够保证桩体搭接质量, 在止水帷幕工程中施工优势尤其明显。

1) 成桩直径范围大, 施工工效高

长螺旋三轴高压喷搅桩工艺以长螺旋钻机为平台, 利用长螺旋钻机强大的扭矩施工, 在硬土地层中大大提高了三轴复合钻具削切和搅拌的能力, 由于1次成桩1组, 扣除搭接桩, 施工速度也是普通高压旋喷桩工艺4～6倍, 成桩直径范围大, 与三轴搅拌桩比较基本不受定尺限制 (直径一般≤1.5m) 。

2) 节约材料, 施工质量好

采用长螺旋钻机进行搅拌旋喷, 能够确保水泥拌合均匀, 水泥用量较少, 约为15%～20%即可满足止水要求。利用长螺旋钻机和三轴喷搅复合钻具, 采用三轴旋喷与搅拌的复合方式, 成桩垂直度好, 1次成桩1组, 桩间搭接质量好, 不存在传统工艺的劈叉现象。

3) 环保效果好, 应用空间广泛

本工艺解决了普通高压旋喷桩水泥浪费严重的问题。施工机具振动较小, 噪声也较低, 返浆量少, 更不存在污染水域、毒化饮用水源的问题。

对目前常用的止水帷幕类型进行比较分析, 如表1所示。

延崇高速公路 (北京段) 工程位于北京市延庆区, 为北京市与河北省张家口地区联系的一条重要道路, 也是2019年北京世园会与2022年北京冬奥会的重要联络线。延崇高速公路 (北京段) 工程第2标段, 设计起点桩号为K5+730, 位于百康路路口南侧, 设计终点桩号为K7+870, 位于延农路路口北侧, 全长2.14km。

全线控制性工程为妫水河隧道, 隧道全长2 044m, 主体结构分闭合框架和U形槽两部分, 均采用明挖法施工。基坑开挖线宽62.34～155.79m, U形槽部分开挖深度0～8m, 闭合框架部分开挖深度8～29.2m。

根据勘察报告, 拟建场地自然地面以下48.00m深度范围内的地层按沉积年代及工程性质划分为:人工堆积层、新近沉积层、第四纪冲积层3大类;根据岩性组成结构和工程性质进一步划分为10个大层及亚层。

1) 人工堆积层 (第1大层)

表层为一般厚度0.00～2.30m的人工堆积层, 主要为粉土素填土 (1) 层, 碎石填土 (1) ₁层、细砂素填土 (1) ₂层及淤泥 (1) ₃层。

2) 新近沉积层 (第2大层)

粉砂、细砂 (2) 层及粉土 (2) ₁层。该大层分布在妫水河河道内及河道北侧、妫水河南侧缺失。

3) 第四纪冲积层 (第3～10大层)

人工堆积层及新近沉积层以下为第四纪冲积层的粉质黏土 (3) 层、粉土 (3) ₁层及黏土 (3) ₂层;粉质黏土 (4) 层, 粉土 (4) ₁层及黏土 (4) ₂层;粉质黏土 (5) 层, 有机质黏土 (5) ₁层, 粉土 (5) ₂层及细砂、中砂 (5) ₃层;粉质黏土 (6) 层, 有机质黏土 (6) ₁层, 粉土 (6) ₂层及粉砂、细砂 (6) ₃层;粉质黏土 (7) 层, 有机质黏土 (7) ₁层, 粉土 (7) ₂层及粉砂 (7) ₃层;粉质黏土 (8) 层, 有机质黏土 (8) ₁层、粉土 (8) ₂层及细砂 (8) ₃层;有机质黏土 (9) 层, 粉质黏土 (9) ₁层及粉土 (9) ₂层;粉质黏土 (10) 层及有机质黏土 (10) ₁层。

本工程场区地面约35m深度范围内地下水类型自上而下分别为:上层滞水、潜水、层间水和承压水 (透镜状分布) 。

1) 上层滞水

该层地下水主要分布在妫河南、北两岸的阶地上, 其含水层岩性为含虫孔、粗颗粒的粉质黏土、黏质粉土 (4) ₂层。

2) 潜水

主要赋存在妫水河沉积区10m深度左右以内的第2大层和第3大层中。根据潜水与妫水河水力联系的密切程度, 可以进一步细分为Ia亚区潜水和Ib亚区潜水。

Ia亚区潜水主要赋存在妫水河河床部位的中砂、粗砂 (2) 层, 圆砾 (2) ₁层, 粗砂、中砂 (3) 层和砂质粉土 (3) ₂层中。从地下水赋存与渗流一般规律推测, Ia亚区潜水水位与妫水河水位基本一致。Ia亚区潜水与妫水河地表水水力联系密切, 其水位动态与主要受妫水河地表水水位动态控制。

Ib亚区潜水主要赋存在一级阶地区的粉砂、细砂 (3) ₁层, 砂质粉土 (3) ₂层和黏质粉土 (3) ₃层中, 该层地下水与妫水河地表水水力联系密切。Ib亚区潜水主要接受大气降水入渗补给, 并以蒸发和地下水侧向径流为主要排泄方式。

3) 层间水

该层地下水主要分布在12m深度左右的砂质粉土 (4) ₃层、细砂 (4) ₄层中, 该层地下水具有一定的承压性, 勘察期间承压水头约为5.500m。

4) 承压水

场区15.10～38.40m深度之间的第 (6) , (7) 大层中分布有多个含水透镜体, 形成了承压含水岩组。含水层岩性以细砂 (6) ₂层, 黏质粉土、砂质粉土 (7) ₁层, 含虫孔、粗颗粒的粉质黏土 (7) ₂层和细砂 (7) ₄层为主, 承压水头高度约17.320～31.090m, 具有明显的承压性。

基坑止水采用“止水帷幕+槽内疏干”方案。

1) K6+280—K6+650段帷幕桩桩径0.9m, 间距0.6m, 桩底高程为穿透第1层承压水以下1～2m, 止水帷幕设置在基坑顶外侧, 桩底高程463.800～454.000m, K6+650处设置1道横向止水帷幕。

2) K6+650—K6+880段, 内外侧基坑止水帷幕均设置在支护桩桩间, K6+880处设置1道横向止水帷幕。

3) K6+880—K7+280河道段采用帷幕桩桩径0.9m, 间距0.6m, 桩底高程为穿透第2层承压水以下1～2m, 桩底高程447.6m, 桩长30m, 止水帷幕沿每期河道土石围堰中心设置, 并在一期围堰北侧预先延线路横向设置1道止水帷幕为二期导流围堰隔水使用。

4) K7+280—K7+380段、K7+380—K7+530段止水帷幕设置在支护桩桩间。

以上止水帷幕桩 (桩间部分除外) 均采用长螺旋三轴高压喷搅桩工艺施工, 正式施工前进行了帷幕桩的试桩施工, 桩径、桩体强度等均达到了设计要求。基坑开挖后, 止水效果良好。经过现场钻芯取样检测, 芯样连续完整。

采用本工艺与传统高压旋喷桩比较, 施工效率是高压旋喷桩工效的4～6倍, 节省水泥原材料约40%～50%, 符合绿色低碳环保的理念, 经济效益可观, 本项目仅水泥材料费一项, 节省约1 000万元。

1) 长螺旋三轴高压喷搅桩施工工艺综合了长螺旋钻机、三轴搅拌工艺和高压旋喷工艺的优点, 具有成桩直径范围大, 施工质量好、工效高的特点、节约材料、环保效果好、应用空间广泛。

2) 通过在延崇高速北京段第2标段等工程中的成功应用, 为类似工程止水帷幕施工提供了施工经验和技术借鉴。

3) 通过进一步提升长螺旋钻机机架高度和动力头, 本工艺可以推广至多轴高压喷搅桩, 能够进一步提高施工效率, 加深喷搅桩体长度。

4) 采用H型钢等芯材插入三轴喷搅桩体中形成型钢桩, 可应用于基坑护坡工程中抵抗基坑侧壁的弯矩和剪力。