随着经济和社会的发展, 城市基础设施快速建设也给如今寸土寸金的城市空间带来了交通拥挤、停车难等一系列社会问题, 从而促使人们对三维立体空间的需求, 因此地下空间的利用及开发已成为现在城市发展的趋势之一^[1,2]。在进行城市地下空间开发时, 无法避免地会遇到深基坑支护设计及施工问题。为了避免深基坑施工过程中过度抽取地下水造成周边环境破坏及道路、建筑物的倾斜或开裂, 深基坑的支护设计经常采用落地式结构来阻挡地下承压水进入坑内, 从而减小基坑开挖的风险^[3], 但我国由于第四纪沉积及冲击层导致较多城市工程地质自上而下分别为杂填土层、粉土层、细砂层、中砂层、粗砂层、砾砂层等, 这些土层的工程性质比较特殊, 特别是在地下水位较高的地区, 使得深基坑围护结构的接缝止水处理^[4,5,6,7]显得尤为重要。

目前, 对于深基坑止水方式主要采用“地下连续墙兼作止水帷幕+高压旋喷桩接缝处理”、“钢筋混凝土灌注桩+高压旋喷桩”、“地下连续墙悬挂+外侧止水帷幕落底”及“地下连续墙落底+支护段配筋, 构造段不配筋”等方式^[8,9], 然而在工程设计中深基坑围护结构的接 (冷) 缝止水或桩间止水通常采用水泥高压旋喷桩, 水泥掺量通常为20%~25%。加固后的土体强度较高, 其平面布置一般采用桩与桩等间距相交且桩边与围护结构边相切等。但是, 在砂性土层中, 该工艺存在以下缺点: (1) 高压旋喷桩机的施工垂直度精度为1%, 而加固深度越深偏差越大, 因此高压旋喷桩与围护结构间、高压旋喷桩相互间均有可能出现间隙, 由于受搅拌桩机施工垂直度的影响, 导致桩体与接缝不能密贴, 安全风险极大; (2) 在砂层地质中喷水泥浆的高压旋喷桩桩体是刚性的, 而在深基坑开挖时, 深基坑围护结构在土压力和水压力下会发生变形, 刚性的高压旋喷桩则可能会发生断裂破坏, 严重影响其止水功能; (3) 由工程实践得知, 特别是在高地下水位的砂性土层中, 按照传统方法喷纯水泥浆, 由于地下动水的作用, 成桩质量较差或很难成桩。

本文针对现有的深基坑围护结构中接缝止水采用的高压旋喷桩与围护结构间有可能出现间隙、高压旋喷桩在高水位砂性土层中成桩效果差或很难成桩、桩体质量较差、刚性的高压旋喷桩桩体可能会因基坑开挖围护结构变形发生断裂破坏而严重影响止水功能等问题进行研究。

为实现上述目的, 本文从以下3个方面进行研究: (1) 高压旋喷桩的平面布置; (2) 掺入较大量的膨润土代替等量的水泥, 大大提高了高压旋喷桩在高水位砂层中的成桩质量; (3) 基坑开挖后, 高压旋喷桩与地下连续墙变形的同步性及高压旋喷桩体本身的刚性。

技术方案: (1) 在高压旋喷桩的平面布置上, 采取向地下连续墙或桩方向偏心布置, 确保高压旋喷桩与围护结构无缝连接; (2) 掺入较大量的膨润土代替等量的水泥, 大大提高了高压旋喷桩在高水位砂层中的成桩质量; (3) 采用水泥-膨润土高压旋喷桩, 大大减小了桩体的刚性, 提高了桩体的塑性, 使得基坑开挖后能与围护结构一起变形, 高压旋喷桩与围护结构间不会出现间隙。从而保证了深基坑围护结构接缝止水质量。

南昌轨道交通1号线中山西路站上盖物业位于中山西路站西侧, 设计围护结构为600mm厚钢筋混凝土地下连续墙, 长356m。岩土参数建议值如表2所示。

南昌轨道交通1号线一期工程中山西路站位于中山西路, 为地下3层岛式站台车站;车站主体结构内净尺寸长142.5m, 宽19.7~23.5m;标准段开挖深度21.560m。地下连续墙墙宽一般为标准幅6m, 墙厚0.8m, 最深28.7m, 锁口管接头形式;采用C35水下混凝土。中山西路站为交通要道, 地下管线密集, 西距赣江约200m, 东邻抚河约280m, 北紧靠抚河支流, 南侧高楼林立, 环境条件极为复杂。本站地处赣江冲积平原I级阶地, 地层结构自上而下分别为杂填土层、含黏性土粉砂层、细砂层、中粗砂层、圆砾砂层等, 由于这些土层的工程性质比较差, 特别是临近赣江、直面抚河, 水文地质条件等非常复杂。

高压旋喷桩由于机械设备及施工工艺的缺陷, 致使其在运用于接缝处止水方面的以往设计中易造成接缝处出现缝隙, 从而难以达到预期的止水效果。本文通过改进设计方式将接缝处以往的“线”相交变成“面”相交, 大大减小缝隙出现的概率, 进而达到良好的止水效果。设计改进前后对比如图1所示。

采用P·O42.5水泥, 膨润土采用钠基膨润土, 其细度模数为120~200目。

为确定塑性搅拌桩中水泥和膨润土的最佳配合比, 进行了3组不同水泥和膨润土掺量的配合比进行室内试验。用细砂 (代替地层) 、水泥、膨润土、水按设计好的比例拌匀, 分别做边长70.7mm的立方体试块, 在标准养护条件下养护28d后, 检测试块抗压强度。抗压强度试验结果如表3所示。

由于上述试验是室内试验, 采用细砂作为地层材料, 机械搅拌, 考虑到实际工程地质的不均匀性、地下动水的影响以及杂填土层的复杂性, 现场实际施工的效果及强度同室内试验存在一定的差异, 为了确保高压旋喷桩的质量、止水效果以及深基坑施工的安全性并结合经济性, 决定在地下连续墙间接缝止水选用方案4实施, 在桩与地下连续墙的接缝处选用方案3实施。

南昌轨道交通1号线中山西路站, 主体围护结构设计为800mm厚钢筋混凝土地下连续墙, 地下连续墙总周长356m, 围护结构接缝止水用3800高压旋喷桩, 设计总桩长为64×20×3=3 840m, 设计每米桩水泥用量232kg。施工时, 按水泥∶膨润土=6∶4配料, 则每米桩体:水泥用量139.2 kg, 膨润土用量92.8 kg;拌浆桶体积800 L, 水灰比1∶1, 则每桶水泥、膨润土、水投入量分别为240, 160, 400kg;则每桶浆液可成桩:400/232=1.72m, 据此调整高压旋喷桩机的钻进速度、提升速度及喷浆压力。

其2号出入口及2号风亭围护结构均采用钻孔灌注桩 高压旋喷桩止水。设计高压旋喷桩的水泥掺量为25%, 平均桩长h=20m。优化后采用方案3实施, 水泥和膨润土总掺量比为25%, 共设桩间止水桩n=126根, 高压旋喷桩总长度为1 320 m。则每米桩水泥和膨润土的用量之和为t=πr²T×25%=232 kg, 其中t为每米搅拌桩水泥和膨润土的用量之和, r为搅拌桩的半径, T为土体质量, 通常取1 850kg/m³。由表3中的方案3可知, 施工时水泥与膨润土的比例为6.4∶3.6, 因此每米桩体的水泥用量为t₁=t×64%=148.48 kg, 膨润土的用量为t₂=t×36%=83.52 kg。

拌浆桶有效容积V=800L, 水灰比为1∶1, 则每桶水泥、膨润土、水投入量分别为256, 144, 400kg;则每桶浆液可搅拌桩体:m=V/2/t=1.72m。据此调整搅拌桩机的搅拌速度、钻进和提升速度及喷浆压力。

在工程实践中采用以上技术, 大大提高了高压旋喷桩的成桩质量, 降低了桩体的弹性模量, 提高了桩身的塑性, 由于合理的平面布置, 桩体与围护结构紧密结合, 从而大大提高了止水效果。在高压旋喷桩施工完成28d后, 通过钻芯取样, 芯样完整;局部开挖检查, 桩体完整且桩体与墙身密贴, 塑性也较好。主体结构基坑开挖后未发现地下连续墙接缝渗漏水, 出入口及风亭基坑开挖后除两处小湿渍外未发现桩间渗漏水, 取得了较好的社会效益和经济效益。

采用本方案施工高压旋喷桩, 用膨润土替换等质量的水泥, 替换量为原设计水泥掺量的36%~40%, 水泥的单价为390元/t, 膨润土为175元/t, 采用方案3节约费用17.96元/m, 每米高压旋喷桩可节约17.96元, 节约率19.8%;采用方案4:节约费用 (0.39-0.175) ×232×40%=19.95元/m, 每米高压旋喷桩可节约19.95元, 节约率22%。

本文采用塑性水泥-膨润土高压旋喷桩取代传统水泥高压旋喷桩并从平面布置上进行优化设计, 对深基坑围护结构接缝止水, 取得了以下成果。

1) 本文所述的平面布置有效解决了因桩机误差导致的高压旋喷桩与灌注桩间、高压旋喷桩与地下连续墙间的间隙, 从而使得高压旋喷桩体与基坑围护结构紧密连接, 有效实现了深基坑围护结构的接缝止水, 且防渗效果好。

2) 根据工程应用可知, 通过将原喷水泥浆改为喷水泥-膨润土浆, 大大提高了在高水位砂性土和中粗砂层中的成桩质量, 成桩效果较好;且不会因为高压旋喷桩的桩体强度偏高、桩体垂直度偏差、成桩质量不好导致围护结构接缝渗漏水, 从而保证了深基坑围护结构接缝止水质量, 提高了深基坑施工的安全性。

3) 通过在实际工程中的应用可以发现, 本文所提出的设计方式降低了桩体的弹性模量, 提高了桩身的塑性。

4) 由于掺入了大量的膨润土代替等量的水泥, 且膨润土的单价仅为水泥单价的45%, 大大降低了施工成本, 取得较好的经济效益, 值得在工程中推广。

5) 在施工中, 由于膨润土中往往含有较小颗粒, 容易堵塞喷头, 为此在储浆桶口加1个滤网, 拌好的浆液通过滤网后流入储浆桶, 可以解决堵管问题。