低強度混凝土咬合灌注樁在富水砂卵石地層管涌處置中的應用

楊明德

（上海建工集團股份有限公司 上海 200080）

0 引言

雷升祥等人［1］通過對城市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀進行詳盡的分析并提出未來地下城市規(guī)劃布局發(fā)展的若干理念，倡導樹立第四國土、地下紅線的意識。我國人口分布的極度不平衡的現(xiàn)狀造成諸多“大城市病”的快速涌現(xiàn)，使得大城市難堪重負，破解諸如人居環(huán)境惡化、熱島效應顯著、交通擁堵等“大城市病”的可持續(xù)發(fā)展難題，地下空間開發(fā)將成為未來發(fā)展不可逃避的選擇。目前地下空間開發(fā)主要集中于淺表地層，受限于地質的復雜多樣性和經(jīng)濟的發(fā)展，未來相當一段時間內，深基坑止水支護技術仍將廣泛用于地下空間開發(fā)。

低強度混凝土咬合灌注樁是在鉆孔咬合樁的基礎上，根據(jù)工程實際情況發(fā)展而來。鉆孔咬合樁（Se?cant Pile Wall or Benoto Situ-cast Piles）支護結構是指樁身密排且相鄰樁身相割形成具有防滲作用的連續(xù)擋土支護結構，既可全部采用鋼筋混凝土樁，也可采用素混凝土樁與鋼筋混凝土樁相間布置［2］。作為新型地下工程支護結構，經(jīng)引進后廣泛用于我國各地，成為深基坑支護技術的重要組成部分。

1 工程概況

工程位于廣東省四會市，是順應城市發(fā)展需求對既有商業(yè)大道的擴建項目，道路西側起點接倉豐大道（即省道S260），東側接四會大道（即省道S263），全長約2.2 km，路幅寬度40 m，設計行車速度為50 km/h，道路類別等級為城市主干道。其中該泵房工程位于龍江河西側，為市政道路配套的污水提升泵房，用地面積2 112 m2，基坑底面積329.04 m2，地下1 層，地上1 層，東側距龍江河65 m，北側毗鄰某樓盤，距離僅為21 m，地下提升水池結構呈T 字型分布，安全等級為二級，放坡后開挖最深處為8.78 m。

原勘察揭露場地地層主要為第四系填土層、沖積層、殘積層及燕山期花崗巖，其中第四系土層以粉質黏土、淤泥質土、中砂、砂質黏土為主，分部廣泛，厚度較大，含一定量的上層滯水。第四系沖積層（Q4ml）中的②1粉質黏土層面高程為10.13～5.33 m，層厚約4.8 m，為相對隔水層，屬于弱透水層或不透水層。②2為細砂層，松散-稍密，地基承載力基本容許值［fa0］=110 kPa。②6為黏土，屬于不透水層層厚2.6～3.3 m之間。下層分別為中砂、卵礫石質中砂、砂質黏土和強風化花崗巖，中砂和卵礫石質地層水量豐富，透水性較好。

2 管涌發(fā)生原因分析

2.1 原止水支護方案

原設計地坪絕對標高+11.56 m，基坑外放坡至+7.2 m，坡面采用噴射混凝土，坡比1∶1.5?；油獠捎秒p排水泥攪拌樁作為止水帷幕，樁徑φ800 mm，樁距600 mm，樁長18 mm，穿越中砂層不少于2 m；基坑內設鉆孔灌注樁作為基坑支護結構，樁徑φ800 mm，樁距1 000 mm。內支撐為鋼管支撐，根據(jù)開挖深度不同，設置2～3道支撐。Q4ml②6為黏土不透水層，與水泥攪拌樁止水帷幕共同形成止水結構。

2.2 管涌發(fā)生與臨時處置

在完成工程樁、支護樁和止水帷幕施工并檢測合格后，開始施做冠梁及第一道鋼支撐，隨后開始開挖。施做完第二道支撐后，基坑第3層土方開挖1.65 m，開挖深度約4.2 m，此時坑底出現(xiàn)涌水，且涌水點較多，涌水量大，大功率抽水機排水和深井降水無效，基坑周邊出現(xiàn)了明顯沉陷，其中位于西北角涌水點較為突出，地面塌陷最為嚴重，見圖1?。因基坑北側為樓盤，如繼續(xù)進行降水，將可能危及其結構安全。此時立即撤離機械人員并進行回灌，見圖1??？紤]到支撐基坑安全和支撐穩(wěn)定，后對基坑采用中砂回填至+9.00 m處。

圖1 管涌現(xiàn)象和基坑回灌后Fig.1 Piping Phenomenon and after Foundation Pit Reinjection

2.3 補充勘查結論及原因分析

回填后對原有止水帷幕三軸攪拌樁進行再次檢測并補充勘察，檢測結果均顯示成樁強度和完整性均較好，樁長符合設計要求。經(jīng)補充勘察揭露，工程基坑地質層分別為素土層、粉質粘土與淤泥質土層、細砂層、中砂層、卵石砂層、強風化花崗巖層、中風化花崗巖層，前后兩次勘察差異明顯，補充勘察地層參數(shù)如表1 所示。其中砂層和卵石砂層平均厚度達10.38 m，水滲透系數(shù)大、地下水位高、地下水豐富。泵房基坑臨近龍江河，因龍江河水位高，基坑開挖越深，兩者的水壓力越大，原止水帷幕樁長僅18 m，未嵌入強風化層，基坑外圍水流路徑較短，卵石砂質地層透水性較強，地下水通過卵石砂層經(jīng)止水樁樁底涌入基坑，產(chǎn)生管涌現(xiàn)象。

表1 補充勘察地層參數(shù)Tab.1 Stratum Parameters for Supplementary Investigation

3 管涌處置方案選擇

3.1 三軸攪拌樁在本工程中的局限性

三軸攪拌樁廣泛用于建筑工程、地鐵車站、水利工程等深基坑工程中的止水、加固和支護?？紤]到工藝的經(jīng)濟性，在雙重管高壓旋噴樁與三軸水泥攪拌樁之間，選擇利用三軸攪拌樁與原有止水樁進行搭接，其搭接長度不少于6.0 m，增加地下水繞流路徑，同時將樁長延伸至強風化不少于1.5 m。此時設計三軸攪拌樁樁徑略大于原設計樁徑，為φ850 mm@600 mm，采用四噴四攪工藝，設備為JB-160 型。試樁3 組9套，試樁7 d后抽芯檢測觀察樁身完整性和入持力層情況。后經(jīng)過試樁發(fā)現(xiàn)，三軸攪拌樁可正常穿透砂層，無法穿透卵石砂層，且鉆進速度異常緩慢，導致返漿冒漿現(xiàn)象，水泥摻量遠超設計值。7 d 齡期后對試樁進行抽芯檢測，中砂地層成樁質量較好，卵石砂層較為松散，因卵石砂層含水量豐富且具有一定流動性，成樁完整性差，水泥土攪拌樁不適用于地下水滲流影響成樁質量的土層［3］。

3.2 低強度混凝土咬合灌注樁運用分析

無論是對三軸攪拌樁進行引孔，還是采用高壓旋噴工藝，都會大幅推高工程造價，同時地下水流動容易帶走傳統(tǒng)注漿工藝未凝結樁身水泥漿液，從而影響成樁質量［4］。鉆孔咬合樁在國內已得到廣泛運用，較多采用鋼筋混凝土樁或與素混凝土樁相結合的方式用于基坑工程止水和支護，往往發(fā)揮雙重或多重作用。本工程支護樁已施工完成，因此僅需要發(fā)揮止水作用既可，無需采用鋼筋混凝土結構，低強度素混凝土咬合灌注樁形式可滿足基坑止水需求。旋挖樁成孔工藝發(fā)展至今，已具備入巖能力，董朋等通過對旋挖鉆在硬質基巖中的工程實例研究成功提高了中（微）風化花崗巖入巖效率［5］，因此采用旋挖工藝可順利實現(xiàn)入微風化巖要求，工藝比選如表2 所示。部分學者在對咬合樁研究時指出，圍護計算時僅考慮素混凝土樁的止水作用，實際上素混凝土樁也能分擔一定的水土壓力荷載［6］。

表2 止水帷幕方案比較Tab.2 Comparison of Waterproof Curtain Schemes

4 低強度混凝土咬合灌注樁施工技術和要點

4.1 低強度混凝土咬合灌注樁施工技術

咬合樁施工工藝有硬切割鉆孔、軟切割鉆孔、沖孔和旋挖等成孔灌注方式［2］，其中又以沖孔和旋挖成孔最為常見。沖孔成孔方式工作效率相對較低、成孔速度慢，容易出現(xiàn)鉆孔傾斜的不良問題［7］，同時噪聲污染大，對地層產(chǎn)生較大擾動，可能因沖擊對已成樁產(chǎn)生破壞。旋挖成孔具有一定的施工靈活性，施工速度較快，大量的工程實踐運用證明其樁位控制、垂直度控制和成樁質量可靠。

止水帷幕用咬合樁設計長24～26 m，樁徑1 000 mm，間距750 mm，樁身強度采用C25水下混凝土。為保證咬合效果，需要更高的垂直度控制要求、隔孔跳打間隙時間控制要求和防止串孔滲漏等病害的措施。咬合樁的排列方式一般分為A 樁和B 樁，兩樁間隔布置，在施工時先施工A 樁，要求必須在A 樁初凝之前完成B 樁的施工，在B 樁施工時采用相應的鉆機來切割掉A 樁與B樁相交部分的混凝土，從而實現(xiàn)咬合［8］。本工程均采用素混凝土樁，因此A樁與B樁一致。

4.2 低強度混凝土咬合灌注樁施工要點

隔孔跳打、串孔滲漏和加固補強是旋挖成孔低強度混凝土咬合樁質量控制和能否實現(xiàn)止水處置管涌的三個重要方面。另外咬合過程控制旋挖樁樁位與樁的垂直度也是確保咬合樁結構具有足夠咬合厚度和止水效果的關鍵［9］，是咬合樁施工的常規(guī)控制手段，不再進一步闡述。

⑴隔孔跳打是咬合樁施工的基本思路，為保證泥漿護壁不足從而導致塌孔引起后期串孔滲漏病害，在灌注完上一根樁24 h 后施工下一根樁。同時為保證切割效果，相鄰兩根樁施工間隙不宜過長，通過實踐，在常規(guī)混凝土下，不宜超過72 h，羅貞海通過研究建議塑性樁初凝時間一般控制在60 h［10］。其間隔時間長短具體與混凝土初凝時間有關，有待進一步研究。

⑵ 串孔滲漏是影響咬合樁成樁效果的因素之一，隔孔跳打的間隔時間、泥漿質量的適應性以及灌注時混凝土充盈性都是保障不出現(xiàn)串孔滲漏病害的方式。泥漿各性能指標為：比重控制在1.10～1.15 之間，膠體率大于95%，含砂率小于6%，當鉆孔至卵石地層時，泥漿比重控制略大一些；孔內混凝土壓力保持在4 MPa 以上壓力，保持1.15 以上充盈系數(shù)；同時C25水下混凝土塌落度不超過180 mm為宜。

⑶在鉆孔咬合樁施工過程中，因A 樁超緩凝混凝土質量不穩(wěn)定出現(xiàn)早凝現(xiàn)象或機械設備故障等原因造成事故樁的，可采用背樁補強或平移樁位側咬合方式進行補強［2］。

4.3 止水效果

通過將低強度混凝土咬合灌注樁技術應用與富水砂卵地層止水，在兩個月時間里完成148根止水樁施工，同時通過對其中3根鉆孔取芯檢測發(fā)現(xiàn)，成樁質量較好，均嵌入強風化花崗巖。后期對基坑開挖，同時利用基坑內降水井配合少量地層滯水，低強度混凝土咬合灌注樁取得了良好的止水效果（見圖2）。

圖2 開挖至基坑底及底板制作Fig.2 Excavation to the Bottom of Foundation Pit and Floor Fabrication

5 結論

以四會市政道路配套污水提升泵房基坑工程為例，將低強度混凝土咬合灌注樁應用于富水砂卵石地層管涌處置，得出以下結論：

⑴深基坑工程因地質差異具有高度復雜變化的特點，因此尤其要重視前期勘查與論證，采用經(jīng)濟可靠的支護與止水結構；

⑵低強度混凝土咬合灌注樁用于基坑止水在富水砂卵石地層中較三軸攪拌樁加引孔和雙重管高壓旋噴樁而言更為合理；

⑶在富水砂卵石地層中，低強度混凝土咬合灌注樁技術成樁質量可靠，止水效果較好，經(jīng)濟效益突出；

⑷低強度混凝土咬合灌注樁技術成樁控制要點為隔孔跳打時間間歇、串孔滲漏預防與處置以及止水效果欠佳時的加固補強。