高壓旋噴技術在地鐵車站深基坑防水工程中的應用
摘要: 以高壓旋噴技術在南京地鐵車站深基坑防水工程中的成功應用為例, 介紹旋噴防水帷幕的參數設計方法, 包括帷幕深度、旋噴樁孔位布置方式、施工參數和開挖邊坡穩定性分析。對高壓旋噴樁的關鍵施工工序質量控制和噴射質量的檢查也進行了較為細致的討論。從檢查的施工效果來看, 該工法應用于深、軟地基防水防滲工程是成功的。同時它也為類似工程的設計和施工提供參考。
關鍵詞: 高壓旋噴技術; 水力坡降; 防水帷幕
1 工程概況
高壓旋噴技術(也即高壓噴射注漿法) 是利用專用旋噴設備將注入劑(通常是水泥漿) 形成高壓噴射流, 借助高壓噴射流的切削, 使土體和硬化劑混合, 南京地鐵某車站采用地下連續墻作基坑圍護結達到改良土質的目的。旋噴改良土質的目的有兩個, 構, 明挖法施工。由于車站部分地下連續墻在施工時一是地基加固, 提高地基土的承載能力, 減小變形; 受地下管線影響, 而車站施工工期又十分緊張, 決定二是防水(止水) 防滲, 通過加固減少土的滲透性以將整個車站分為兩部分施工, 在車站橫向中部設置一形成防水帷幕, 阻止滲水或防止流砂、管涌的發生。道防水帷幕, 與車站南區形成四周封閉的隔水基坑以該工法以其受土層、土粒度和密度、硬化劑粘性和硬便先開挖。車站主體長2.8m , 寬18.6～22.6m , 防水化時間等因素的影響小, 旋噴加固體強度高、均勻性帷幕處基坑開挖深度為17m 。車站基坑平面如圖1 。和抗滲性好等優點, 廣泛應用于建筑、道路、地鐵等該車站的土體工程地質條件為從地面往下約5m 許多部門。為雜填土和素填土, 填土層下有2m 厚粉質粘土, 車
圖1 車站基坑平面1 車站北區; 2.1 號降水井; 3 防水帷幕; 4.2 號降水井; 5.3 號降水井; 6 車站南區; 7 已有地下連續墻; 8 暫未封閉的地下連續墻。
站基坑主要位于粉砂地層中, 含水量約為30 % , 飽和度為90 % , 受擾動易液化產生流砂。在這種飽和的粉細砂地層中形成防水帷幕, 普通的注漿法以其可注性和加固土體均勻性差而不太合適, 普通攪拌樁又由于加固深度所限, 經過方案合理性和經濟性比較, 選用二重管高壓旋噴技術施工臨時防水帷幕, 而且砂層中旋噴樁體的強度要比粘性土中高。
2 旋噴樁防水帷幕設計
2.1 防水帷幕的深度確定
防水帷幕深度的確定是假定旋噴防水帷幕本身不透水, 按基坑開挖過程中可能出現管涌現象而計算出的深度。基坑管涌計算示意如圖2 。
圖2 基坑管涌計算1. 旋噴防水帷幕; 2. 放坡土體; 3. 基坑底板; 4 不透水層。
車站基坑開挖時, 如果向上的滲透力超過砂的有效應力, 從而導致基坑底破壞, 也即管涌現象。而滲透力取決于水力坡降, 若水力坡降大于其極限值, 則砂粒處于懸浮狀態, 基坑底就喪失穩定性。工程中, 當不繪制流網線時, 常采用近似方法驗算極限水力坡降。水力坡降i 計算式為i = hw/ l (3) 式中, hw 為防水帷幕前后的水頭差;l 為產生水頭損失的流線長度。
本例中, 考慮安全系數Fs 和允許水力坡降is 后, 式(3) 變為Fsis = Jc (4) 安全系數一般隨土值的不均勻性和透水性的增大而增大。本工程的安全系數Fs 定為2 , 由n = 0.4 ,G = 2.71 , 則Jc =0.96 。從式(4) 得is =0.48 。從圖2 知l = h + 2 t -h1-h2 , hw = h -h1+ h2 (5) 式中, h 為基坑深度;h1 為未降水側地下水位深度; h2 為基坑底板與降水后水位之高度;t 為旋噴樁伸入基坑底以下的深度。本例中, h = 17m , h1= 1.5m , h2= 0.5m , 由式(5) 求得t = 9.1m , 取9m 。則旋噴防水帷幕的總深度H = h + t = 26m 。
2.2 旋噴樁布置參數
防水防滲工程設計時, 最好按雙排或三排布置旋噴樁孔位。理論上旋噴樁孔距為0.86 D (D 為旋噴樁設計直徑) 、排距為0.75 D 最經濟。施工時要考慮所用鉆機成孔的偏斜率。若只能按一排樁布置防水, 則相鄰兩樁孔位中心連線方向上的搭接量應不得小于實際成孔偏斜率(一般為1.5 %) 與樁長之積。
旋噴樁設計直徑與土質、施工方法、工藝參數密切相關。本工程中選用北京中煤礦山工程有限公司研制的二重管旋噴設備,并結合地層特點和施工經驗,按雙排布置旋噴樁形成防水帷幕。旋噴樁直徑為800mm , 孔距為700mm , 排距為600mm 。在設計位置共布置48 根樁。旋噴樁防水帷幕孔位布置平面示意如圖3。
漿量計算以噴量法為例, 即以噴嘴單位時間噴射
圖3 旋噴樁孔位布置平面示意
的漿量及噴射持續時間, 再考慮10 % 的損失系數來計算出漿量。施工時選用單位時間的噴漿量為0.1 m3/ min , 鉆桿提升速度為0.15m/ min , 每根樁長按26m 計, 則每根樁的需漿量為20.8 立方米。再結合水灰比, 可以確定水泥用量。
2.3 基坑邊坡穩定性分析
由于該基坑邊坡主要位于砂性土層中, 基坑在開挖南區時靠近防水帷幕側采取自然大放坡, 邊坡滑動面近似為平面形式。若是粘性土坡的穩定分析則要采用圓弧滑動面的條分法計算。
當旋噴帷幕防水效果好, 邊坡表面沒有地下水溢出, 則邊坡平面滑動安全系數Kp = tg </ tgα, 式中, < 為土的內磨擦角; α為坡角。也即當坡角等于土的內磨擦角時, 土坡處于極限平衡狀態。本基坑中砂性土的內磨擦角為29°, 為保持土坡的穩定, 放坡坡角應小于29°。若坡面有地下水溢出, 則土坡的滑動安全系數要降為無水溢出時的一半。因此旋噴防水效果直接影響邊坡的穩定性。
3 主要施工工序及質量控制
按設計要求定孔位→導孔鉆機就位→旋噴機下放二重管→噴射成樁→回灌。施工中質量控制要留心以下幾點:
① 鉆機就位準確, 樁中心垂直度不大于1 % 。樁心偏移小于50mm 。
② 導孔時, 根據地層情況及時調整循環護壁泥漿液的濃度, 保證成孔質量。若確實成不了孔, 可以先從地面預注漿穩定地層, 后導孔。
③ 施工中嚴格控制旋噴參數, 如鉆桿提升速度(15cm/ min) 、水泥漿濃度(1 ∶1) 、高壓泥漿泵壓力(二重管漿壓不小于20MPa) 、氣壓(0.7MPa) 和氣量(1～2立方米/ min) , 漿液流量(0.1 立方米/ min) , 保證噴射樁體的強度和均勻性。
④ 返漿正常與否對樁體質量影響很大, 若返漿量不正常, 要分析原因, 采取復噴或調整旋噴參數。若漏漿嚴重, 必須停止旋噴, 用水泥漿或水泥和水玻璃雙液漿灌入以穩定該處地層, 確保加固質量。
⑤ 由于本工程旋噴樁是以防滲為目的, 施工時摻入3 % 的水玻璃(35Be) 以提高其抗滲性。
⑥ 旋噴結束后1 天內, 由于漿體凝固樁頂出現下沉, 應用漿液進行回灌, 保證樁體標高。
4 噴射質量的檢查
施工前主要通過現場旋噴試驗, 了解設計采用的旋噴參數和漿液配方是否合適, 固結體質量是否能達到設計要求。本工程的施工參數是在與之相鄰車站基坑工程施工經驗基礎上提出的, 比較適合該工程。
施工過程中, 可以定性地通過觀測旋噴返漿情況, 判斷樁體連續性和均勻性。通過返漿體的強度可以推測樁體的強度。根據室內實驗和工程資料, 同齡期的二重管旋噴樁體強度與返漿體強度相似。施工中取3 組7 天齡期的返漿體試塊, 測得其平均單軸抗壓強度達到2.0MPa 。
施工后, 待漿液凝固具有一定強度, 可以通過開挖精確檢驗固結體垂直度、樁徑大小和固結形狀。透水性可以通過現場抽水滲透試驗, 測定其抗滲防水能力。現場抽水試驗可以在防水帷幕的兩側進行, 即在帷幕的一側設置抽水井, 并同時觀察在帷幕兩側的觀測孔水位的變化情況。本工程中帷幕設計有足夠的深度, 不致使水流由帷幕的側面大量繞過來。抽水試驗可以利用靠近帷幕兩側已有的降水井(見圖1) , 從2 號降水井里抽水, 觀測1 、3 號降水井水位。結果是3 號降水井水位下降速度為30cm/ d , 而1 號降水井水位下降速度僅為2cm/ d 。而且車站南區在全部降水過程中, 北區的降水井水位變化較小, 當南區降水至坑底, 北區1 號降水井的水位才下降50cm , 可以看出帷幕起到了應有的隔水作用。
5 效果及評價
① 帷幕形成1 周后, 車站南半部分基坑開始開挖施工, 施工過程中帷幕側基本無水, 防水效果良好。達到了分區開挖以節約工期的目的。待整個車站地下連續墻封閉, 挖開臨時旋噴防水帷幕, 大部分樁徑大于800mm , 樁體垂直度和整體性好, 形成連續的防水墻。進一步說明了該工法應用深度大、土質軟的地基防水防滲工程的優越性。
② 開挖施工中, 基坑底板未出現管涌現象, 邊坡也是穩定的。說明該防水帷幕的設計和施工都是合理的。
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