0 引言

　　近年来随着城市地下空间的不断开发，基坑支护规模和深度也不断加大。止水和降水是深基坑施工中的关键问题和难点问题。止水帷幕能够最大限度降低基坑降水对周边环境的影响，同时响应国家保护水资源的政策要求，因此止水帷幕成为深基坑止水的常用形式。

　　目前，止水帷幕的传统施工方法主要有以下几种:水泥土深层搅拌桩、高压旋喷桩、咬合桩、高压注浆工艺和地下连续墙。水泥土深层搅拌桩多适用于软土地区粉土粉砂类土层，高压旋喷桩和高压注浆工艺在碎石杂填土和硬土层中需要预先引孔，咬合桩和地下连续墙施工周期较长、成本高。

　　与传统施工方法不同，潜孔冲击高压旋喷桩突破了地层应用范围的局限性，能够在碎石杂填土和硬厚砂层中一次性成孔成桩，施工效率高，节约材料和成本。

　　1 工程概况

　　北京城市副中心行政办公区C5工程项目位于北京市通州区潞城镇。工程主要由配送中心、1号能源中心以及纯地下室区域等配套设施组成，地上建筑5层、地下4层，基坑支护周长约400m，基坑开挖深度20.2m。

　　1.1 工程地质条件

　　项目场地地处潮白河冲洪积和永定河冲洪积平原结合部位，是华北大平原的一部分，处于“北京湾”下方，地势整体西北略高、东南稍低，地形相对平坦，地面标高为20.450～22.280m。项目所在地层按成因年代分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层三大类。

　　1.2 水文地质条件

　　工程所在场地共2层地下水，第1层为第四系孔隙潜水。潜水水位埋深为10.20～11.70m，静止水位标高为9.500～11.040m，含水层岩性主要为(3)细砂层、(4)细砂～中砂层。第2层为第四系承压水，水位埋深为10.60～12.00m，静止水位标高为9.200～10.140m，其含水层岩性主要为(6)细砂～中砂层。承压水与潜水间的相对隔水层为(6)₁粉质黏土～重粉质黏土层、(6)₂黏质粉土～砂质粉土层。受整个区域隔水层底板起伏及局部缺失影响，承压水存在“天窗效应”，与上层潜水联系密切，且受上部潜水水位影响较大。

　　1.3 周边环境

　　基坑北侧为堡辛新村回迁6,7号住宅楼，地上20层，地下2层，采用天然地基，基底标高为14.670m。西北侧为1栋6层砖混楼，采用天然地基。北侧支护边界距离6号住宅楼约8.0m，距离7号住宅楼约25.0m，距西北侧砖混楼约30m，距离北侧小区围墙最小距离不足1.0m(见图1)。

　　图1 基坑周边环境  

　　基坑东侧为宋梁路，由于宋梁路改建，临时道路向基坑方向改移，距离基坑约20.0m。基坑南侧为综合管廊项目四标段，设计该管廊基坑与C5基坑合槽开挖，管廊基坑深18.0m，东侧暗挖过度段基坑深15.0m。

　　2 止水方案

　　根据勘察报告，潜水水位埋深10.20～11.70m，承压水水头埋深9.20～10.14m，基坑降水方案采用管井疏干降水，同时设置减压井降低承压水水头。为了避免管井降水造成基坑北侧高层住宅不均匀沉降，在基坑西侧和北侧设置止水帷幕，止水帷幕底进入(6)₁层粉质黏土～重粉质黏土层≥2m。

　　由于场地内(4)层和(5)层为密实细中砂层，标贯击数40～60击，砂层局部连续分布卵石，如果采用传统高压旋喷桩或高压注浆，均需要预先全长引孔，若采用咬合桩或地下连续墙会增大支护成本和施工周期，综合考虑，采用潜孔冲击高压旋喷桩施作止水帷幕，其中1—1剖面潜孔冲击高压旋喷桩桩径1.0m，止水帷幕桩搭接宽度350mm;2—2剖面潜孔冲击高压旋喷桩桩径1.2m，止水帷幕桩与支护桩搭接宽度250mm，如图2,3所示。

　　图2 1—1剖面止水帷幕布置 

　　图3 2—2剖面止水帷幕布置 

　　3 潜孔冲击高压旋喷桩工法机理

　　潜孔冲击高压旋喷桩利用潜孔锤的高频振动作用、高压水动能及高压气动能共同冲击破坏土体，然后通过钻杆带动喷射口旋转、提升，将高压喷射的水泥浆液与周围土体充分混合形成水泥土固结体。

　　3.1 成孔机理

　　钻机就位后，开动大功率动力头旋动钻杆，钻杆底部的潜孔锤在高压空气驱动下开始产生冲击效能;同时，由高压泵向喷嘴提供高压水，冲击器上部四周的喷嘴在≥20MPa的压力下水平喷射高压水流。潜孔锤的高频振动冲击和高压空气的联合作用也会在锤底空间内产生“气爆”效果，进一步加强对黏土、粉土和砂土的冲击破坏能力，对卵石、块石地层通过振动、气爆调整块石位置，打开通道，利于后续水泥浆进入被加固区域。

　　3.2 成桩机理

　　成孔完成后提钻并开始注浆。此时，将高压水切换为高压水泥浆，同时提升喷射压力至25～30MPa，由喷射器侧壁的喷嘴向周围土体进行高压喷射注浆，此时，已成流塑或液化状态的土体被喷射器四周喷射高压浆充分搅拌、混合，同时，锤底喷射的高压气可加大搅拌混合力度，并将浆液往四周挤压，沿着气爆打开的孔隙和通道注入被加固的土体，从而形成均匀的水泥土混合物。这种喷射注浆方式要比普通的旋喷注浆产生的压力更大，效果更好，可形成的桩径也更大。

　　4 与传统高压旋喷工法优势对比

　　1)复杂地层钻进优势

　　传统高压旋喷工艺在密实砂层中施工需预先引孔再旋喷，施工过程容易塌孔，影响成桩效率和成桩质量。潜孔冲击高压旋喷钻杆底部的潜孔锤具有振动、冲击、破碎土体的作用，在复杂地层中不需引孔，且钻进过程中无需拆装钻杆，能够一次性成孔成桩，在非卵石、碎石地层中施工工效可达到250m/d，缩短工期，节约成本。

　　2)垂直度偏差优势

　　传统高压旋喷工法，旋转动力位于钻杆上方，且钻杆的刚度相对较低，当钻进到较硬土层或软硬交替土层时，极易发生偏斜而导致垂直度偏差较大。潜孔冲击高压旋喷工艺在钻杆顶和钻杆入孔处均设置旋转动力装置，而且钻杆底部的潜孔冲击器能够冲击破碎坚硬岩土体，向钻杆提供动力牵引。DJP工法的双动力结构和潜孔锤的底部牵引作用能够有效控制钻杆偏斜，保证帷幕桩相互之间和帷幕桩与支护桩间的有效咬合。

　　3)文明施工优势

　　传统高压旋喷工艺利用高压喷入水泥浆置换切割破坏的土体，通过翻浆密度作为施工终止条件，势必造成大量返奖，污染施工环境，同时造成材料和能源浪费。与之相比，潜孔冲击高压旋喷工艺靠潜孔锤自身的振动与锤底高压气、高压水共同作用于土体，使得周围土体成流塑状态后再进行高压注浆，水泥浆与土体的搅拌混合更为均匀，在不需要将原状土大量置换掉的同时，所需的水泥量显著降低，而形成桩体的强度却比其他工法实测值高，因此水泥利用率得以大幅提高。通过减少水泥这样一种高能耗、高污染的材料用量可以有效降低能耗，减少工业生产对环境产生的污染和影响。

　　5 施工工艺

　　5.1 技术参数

　　1)旋喷采用P·O42.5普通硅酸盐水泥。

　　2)喷射用水泥浆水灰比0.9～1.1。

　　3)旋喷桩止水帷幕渗透系数k≤1.0×10^-6cm/s。

　　4)水泥土试块28d抗压强度≥0.8MPa。

　　5)水泥掺量约为25%～40%。

　　6)正式施工前应进行试桩。

　　5.2 试桩开挖效果

　　在项目场地内选择具有代表性地层进行试桩，试桩完成3d后进行开挖，初步检查成桩质量。成桩直径1.4m，满足设计要求，并且桩身固结体均匀密实，质量可靠。

　　同时，对试桩钻芯取样，进行桩身材料抗压和渗透试验。经国家建筑工程质量监督检验中心实验室检验，桩身材料渗透系数均达到10^-8cm/s的量级，桩身强度≥10MPa，桩身强度和抗渗指标均满足设计要求。

　　5.3 工艺流程

　　施工工艺流程如图4所示。

　　图4 潜孔冲击高压旋喷桩施工工艺流程  

　　6 止水效果检验

　　止水帷幕施工完成后，进行坑内疏干降水，并及时监测坑外水位变化，预降水14d后，进行下部土石方开挖、锚杆施工，当开挖至地下水位以下时，可直观地观察出止水帷幕的防渗效果。

　　6.1 水位监测

　　在基坑降水过程中，及时监测坑外水位变化，通过现场监测发现，连续抽水1h后，坑内水位下降2.2m，坑外水位变化<10cm，由此可以判断止水帷幕起到了良好的阻水隔水作用。

　　6.2 开挖过程

　　基坑开挖至地下水位以下时，止水帷幕桩与支护桩相互紧密咬合，桩间无漏水点;基坑开挖至坑底后，基坑侧壁和坑底均无渗漏，坑底无任何积水。从实际开挖效果可以判断，潜孔冲击高压旋喷桩止水帷幕充分发挥了阻水隔水作用，有效保证了基坑开挖和基础施工时干作业环境。

　　7 结语

　　潜孔冲击高压旋喷桩工艺将钻杆旋转钻进、潜孔锤高频振动冲击作用与高压水、气的切割作用巧妙结合，打破了传统高压旋喷技术的瓶颈，拓展了高压旋喷技术在止水帷幕中的应用范围。潜孔冲击高压旋喷技术适用于密实砂层、卵石、碎石等复杂地层，而且无需引孔，一次性成孔成桩，节能降耗，成桩垂直度偏差小，施工过程产生的废浆少。