高压旋喷加劲水泥土桩锚技术在深基坑工程中的应用

 

邓利明¹，姚颖康¹，刘全林²

（1.武汉市市市政建设集团有限公司，湖北 武汉  430023；2.上海强劲基础工程有限公司，上海  200235）

摘  要：高压旋喷加劲水泥土桩锚是一种新型的岩土支护与加固结构。论文首先简要总结了传统深基坑支护结构的优缺点，在对比分析基础上，说明了高压旋喷加劲水泥土桩锚技术的先进性；然后阐明了高压旋喷加劲水泥土桩锚技术的工艺原理，明确其施工工艺流程与操作要点，提出关键工序质量控制标准与质量控制要点；最后结合武汉市水果湖隧道工程实例，综合分析了应用高压旋喷加劲水泥土桩锚新技术所产生的经济效益和社会效益。综合分析结果表明，高压旋喷加劲水泥土桩锚技术具有结构简单、安全可靠、方便施工、节约造价和缩短工期等优点。

关键词：深基坑；支护结构；高压旋喷加劲水泥土桩锚；工艺流程；质量控制；综合效益

中图分类号：TU473               文献标志码：B          文章编号：1009-7767（2012）01-0017-04 

 

Application of High Pressure Jet Grouting Reinforced Cement Pile Anchor Technology in Deep Foundation Pit

Deng Liming，Yao Yingkang，Liu Quanlin

 

    深基坑支护技术复杂且综合性强，涉及到工程地质学、土力学和结构力学等多门学科，影响到工程施工的安全、质量、成本、工期、环保等各个方面^[1]。因此，根据工程特点，选择一种安全可靠、技术可行、经济合理的岩土加固方法意义重大且深远。

1  技术先进性

    目前，广泛应用于深基坑支护的结构形式主要有内支撑、土钉、锚杆、排桩+锚索和挡土墙等。传统岩土加固支护技术虽应用广泛、技术成熟，但在实际应用过程中也暴露出了一些缺点和不足。例如，内支撑存在着形式复杂、施工不便、施工拆除耗时较长、投入较大等缺点；土钉锚杆存在着适用性较差、基坑安全稳定性难以保证等缺点；重力式挡墙存在着墙身截面大、圬工数量大等缺点^[2]。

    高压旋喷加劲水泥土桩锚，是指采取特定形式的钻头，通过高压旋喷搅拌方法在土层中形成水平、倾斜或垂直的变径水泥土桩体，然后布设锚筋，施加预应力后，在被支护和加固的土体中形成支护与加固结构，是一种新型的受拉锚固结构^[3-4]。与传统支护结构体系相比，高压旋喷加劲水泥土桩锚技术的先进性体现在以下4个方面：

    1）高压旋喷加劲水泥土桩锚可主动有效地改善土体物理力学性能，克服常规锚索、锚杆与软土之间锚固力不足，以及由于塌孔而无法施工等缺点；

    2）高压旋喷加劲水泥土桩锚可适用于不同的地质和场地条件，施工时有着较强的适应性，所需作业空间不大；

    3）高压旋喷加劲水泥土桩锚用于深基坑支护时，相比传统内支撑方式而言，具有空间开阔、施工便利、安全性好等优点；

    4）相比传统岩土加固支护技术，高压旋喷加劲水泥土桩锚可有效降低工程成本，节约工程造价约10%～40%，缩短施工工期20%～50%。

2  工艺原理

    高压旋喷加劲水泥土桩锚结构示意图见图1。通过高压旋喷形成的大直径水泥土桩体，首先可对松散软土的力学性能作出改善，使软土改变成具有较高强度的水泥土体，有效提高土体的粘聚力、内摩擦角值和抗渗能力；其次，大直径且变径的水泥土桩体，因与土层接触面积较大，桩体与土层之间产生较大摩阻力，可确保支护结构锚固力达到设计要求。

 

    通过锚锭板和添加的水泥外加剂，可使水泥土体与锚筋之间、水泥土体与原土体之间能较快产生较高的黏结力，从而在软弱土层中获得较高的锚固力。锚筋施加预应力以后，借助变径的水泥土桩体，使传递到土体中的应力值大大降低，从而使软土的流变变形处于收敛状态，改善了锚筋体传递给软土体的受力条件，对被加固土体的变形产生有效约束作用。

3  工艺流程与操作要点

3.1  工艺流程

    高压旋喷加劲水泥土桩锚施工工艺流程见图2。

3.2  操作要点

3.2.1  施工准备

    1）高压旋喷加劲水泥土桩锚施工前，应详细研究设计内容、设计要求、地层条件和环境条件；

    2）对设计阶段考虑到的地下埋设物、障碍物应做进一步核查，并进一步确定其位置、形状、尺寸和数量，同时提出排除和防护处理等措施；

    3）掌握工程周围状况、建筑物状态及其影响，预测可能出现的问题并提出相应对策；

    4）认真检查原材料及各种仪器设备的型号、品种、规格，检查其主要性能是否符合设计要求；

    5）对于地质条件特殊或特别重大工程，宜在正式施工前进行钻孔成桩、张拉锁定试验，以获得有较强针对性的施工工艺参数，同时考核施工工艺和施工设备的适应性。

3.2.2  钻机定位

    1）当土方开挖沟槽后，测量人员应在高压旋喷加劲水泥土桩施工前根据设计图纸将钻孔的孔位、方位测定，并予以编号；

    2）由于钻机安装定位质量不仅影响成桩质量，同时还影响施工速度和人员安全。因此，钻机安装定位应按照“正、平、稳、固”的要求，确保钻机受力后不摇摆、不移位；

    3）钻机定位后，采用钻机自带罗盘校核钻孔开孔角度，使开孔角度误差不超过1°，开孔处的水平和垂直向误差不大于50mm；

    4）钻进施工前应在场地中挖好排水沟及循环浆池，以避免因泥浆随意排放而影响正常施工。

3.2.3  水泥浆液配比

    1）注浆材料一般选用42.5级普通硅酸盐水泥净浆，如有特殊需要，可添加外加剂；

    2）水泥掺入量一般为20％～30%，水灰比一般选0.7～1.0，若地层情况特殊，则需在现场进行浆液配比试验，确保高压旋喷加劲水泥土桩的成桩质量；

    3）水泥浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌和的水泥浆应在初凝前用完。

3.2.4  钻进成孔

    1）高压旋喷加劲水泥土桩采用专用钻机成孔，钻头采用一次性钻头加搅拌叶片（专利号：ZL 2009 2 0210581.6），钻杆为中空钻杆，钻进过程中，通过上述钻杆的中空通道边钻进边搅拌注浆；

    2）旋喷搅拌钻进压力一般为15～20MPa，搅拌钻杆的钻进、提升速度分别控制在0.3～0.5m/min、0.7～0.9m/min左右，搅拌钻杆（轴）的转速控制在20～50r/min左右，具体应用时可结合实际地层条件进行调整，以确保搅拌桩桩体成桩质量；

    3）扩大头的旋喷搅拌的进退次数比桩身增加2次，以确保扩大头的直径；

    4）钻进过程中，通过钻杆数量控制桩长偏差≤10cm，通过钻进压力、钻进速度与转速控制桩径偏差≤5cm。

3.2.5  锚筋制作

    1）锚筋体采用设计规定材料制作（钢绞线、钢筋、型钢等），所用材料需达到该种材料强度的标准值，所用钢绞线在制作之前应送有关单位检验合格后方可使用；

    2）采用不同材料制作的锚筋体，其制作方法亦不相同。具体制作安装应遵守CECS22：1990《土层锚杆设计与施工规范》中相关规定。

3.2.6  锚筋安放

    1）钻进至设计深度后，依次退出并拆卸钻杆。钻杆拆卸完毕后，通过钻机将制作好的锚筋插放至旋喷搅拌桩体内；

    2）插入前，应确保锚筋位于搅拌桩中心点，插入过程中，应严格按照钻进角度缓慢、均衡地插入锚筋体，确保锚筋不发生扭曲。

    3）锚筋体插入孔内深度不应小于筋体总长度的95%，锚筋体安放后不得随意拉伸或悬挂重物。

3.2.7  预应力基座制作与安装

    1）根据具体工程，选用特定形式的预应力基座，预应力基座可采用钢筋混凝土或型钢进行制作；

    2）预应力基座制作与安装时，应先在该道高压旋喷加劲水泥土桩锚的水平位置上下各一定范围内的围护结构桩体上切出水平槽，所切沟槽的深度、宽度应符合预应力基座尺寸要求，确保可以将预应力基座置入槽中；

    3）预应力基座是锚筋体张拉时的直接受力构件，所以，预应力基座受力面应平整可靠，且与锚筋体轴线方向垂直。

3.2.8  锚筋张拉与锁定

    1）锚筋张拉锁定应在高压旋喷加劲水泥土桩施工结束且养护至设计强度后进行。

    2）根据设计要求选定相应的锚头与张拉锁定设备，张拉锁定设备进场前，应通过相关机构检验标定，根据标定数据进行张拉。张拉时，应事前检查油泵及各阀门的工作情况、油管畅通情况，以免张拉时油泵工作不正常而造成张拉失败。

    3）锚筋张拉应按一定顺序进行。张拉时，应考虑临近锚筋之间的相互影响。

    4）锚筋张拉要分级逐步施加荷载，不可一下加至锁定荷载。分级施加荷载和观测变形时间应执行相关规范。

4  质量控制标准与要点

    高压旋喷加劲水泥土桩锚施工质量执行CECS147：2004《加筋水泥土桩锚支护技术规程》、CECS22：1990《土层锚杆设计与施工规范》。加筋水泥土桩锚体几何尺寸偏差限值见表 1。

    其质量控制要点为：

    1）钻进速度严格控制在0.3～0.5m/min，回转速度控制在20～50 r/min，防止速度过快引起旋喷搅拌不均匀，浆液过少；

    2）注浆用水、水泥及其添加剂应注意氯化物与硫酸盐的含量，以防对钢绞线造成腐蚀；

    3）施工前应根据设计要求和土层条件，选择合理的施工工艺；

    4）锚筋体制作前应除油污、除锈，严格按设计尺寸下料，长度误差不大于50mm；

    5）锚筋体插入钻孔之前，应检查筋体质量，确保锚筋体组装满足设计要求。锚筋体安放后不得随意敲击，不得悬挂重物；

    6）张拉前，应对张拉设备进行标定。锚固体养护时间应不少于5 d，或高压旋喷加劲水泥土桩桩体强度达到1MPa时，方可进行张拉。张拉应按一定程序进行，充分考虑邻近搅拌加劲桩之间的相互影响。

5  工程实例

    水果湖隧道为武汉市二环线洪山侧路—水果湖路段道路改扩建工程，位于武昌区洪山侧路至水果湖路一线中心城区，下穿水果湖。水果湖隧道起讫里程桩号K3+965～K5+550，全长1585m，隧道外包结构总宽度约为19.7～21.7m，隧道纵向呈“V”字形坡度，隧道埋深约0.8～16.5m。

    水果湖隧道湖中段（K4+351～K4+838）长487m，基坑开挖深度9m左右，场地土层从上至下分别为：②-1淤泥、②-2淤泥质黏土、③-1黏土、③-2亚黏土、④-1黏土、④-2亚砂土、⑤残坡积黏性土、⑥-1强风化泥岩、⑥-2弱风化泥岩。

    湖中段基坑围护结构形式为Φ850@600 SMW工法桩，桩长14m，内插H500×200×10×16的型钢，型钢长14.5m，“隔一插一”布置。基坑支护结构形式为3道高压旋喷加劲水泥土桩锚结构：第1道桩锚长度有15.0，14.0m两种，间隔分布（1根长1根短），水平间距2.00m，内置2根Ф15.2钢绞线；第2道桩锚长13.0m，水平间距1.80m，内置2根Ф15.2钢绞线；第3道桩锚长12.0m，水平间距1.60m，内置3根Ф15.2钢绞线。

    深基坑施工以“信息化施工”为指导思想，开挖与支护过程中，按照预先编制的基坑监测方案对深基坑变形与位移进行了全过程监测。深部位移观测结果表明：基坑最大水平位移13mm，远小于规范规定的40mm要求。

    与采用内支撑支护方案相比，高压旋喷加劲水泥土桩锚支护结构节省造价68.86万元、缩短工期54d，在增强施工便利性的同时还大大提高了主体结构的工程质量。

6  总结

    1）高压旋喷加劲水泥土桩锚技术以其科学合理的岩土力学原理为基础，具有良好的变形控制能力和较高的稳定性，适合于建筑密集或临近重要工业与民用设施附近对基坑变形有严格要求的工程，可有效确保基坑安全，具有显著的社会效益；

    2）高压旋喷加劲水泥土桩锚支护结构相比于传统的内支撑支护体系，可有效减少主体结构纵向水平施工缝，增加施工便利性和提高坑内作业工效，能有效地利用资源。

    3）相比于传统岩土加固支护体系，高压旋喷加劲水泥土桩锚技术可有效降低工程成本，节约工程造价约10%～40%，缩短施工工期20%～50%。

 

参考文献：

[1] 余志成,施文华. 深基坑支护设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社,1997：1-3.

[2] 黄强.建筑基坑支护技术规程应用手册 [M].北京：中国建筑工业出版社,1999：5-10.

[3] 刘全林，杨有莲.加筋水泥土斜锚桩基坑维护结构的稳定性分析及其应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24（2）：59-64.

[4] 祝胜标,蒲梦江,王建江，等.高压旋喷注浆加劲水泥土桩技术在深基坑液化土地基工程中的应用[J].建筑施工, 2010，32（7）：637-639.

 

收稿日期：2011-11-11

作者简介：邓利明，男，教授级高级工程师，学士，主要研究方向为土木工程专业。

注：本文刊载于《市政技术》2012年第1期，第17页至第20页。