淤泥及特细黄砂土质深基坑旋喷止水帷幕桩施工

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aaronlonghao
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  摘要:针对在淤泥及特细黄砂土质等复杂地质条件下的旋喷止水帷幕桩施工,在长沙市柏宁地王广场暨柏宁酒店工程的施工过程中,咨询专家、查阅文献、联合设计和不断试桩的过程下。正确设计了高压旋喷桩的喷射参数和质量保证措施,顺利完成了该项目的施工。
  关键词:旋喷桩、三重管、止水帷幕
  中图分类号:P62文献标识码: A
  
  
  1工程概况
  柏宁酒店暨柏宁地王广场工程位于长沙市洋湖垸(原湘江泄洪区),基坑东距湘江边约70~250m;基坑南距雅河50~80m,基坑西紧临湘铺路(距雅河约2公里),基坑北距靳江河约400~500m。总用地面积约为49668㎡,基坑面积约为11.7万㎡,基坑开挖深度为9.2m,电梯井基坑最深开挖约13.1m。
  本工程基坑四周200m以内无任何建筑和构筑物,基坑围护东面、北面和南面分别采用1:2和1:1.5放坡形式,基坑西面采用桩锚支护结构。在放坡顶外1m和支护桩外1m设置连续三管法高压旋喷注浆法形成单排止水帷幕,分序进行施工。
  本工程止水帷幕深度为止水帷幕底部进入隔水层1.0m,顶部为基坑顶土层下1m处,止水帷幕桩径1.0m,桩间距0.8m,桩间搭接0.2m。旋喷桩构造平面图如图1,初设计止水帷幕材料为P.O.42.5,浆液水灰比0.8:1;高压水强度为32~35MPa,排量为70~75L/min;空压机压强为0.6~0.8MPa,排量为1.4~2.0m3/min;水泥浆液压强为0.50~0.70MPa,排量为70~85L/min;比重为1.6~1.65;灌浆旋转速度:9~11r×P×m,提升速度为6~10cm/min(旋喷)
  
  图1 旋喷桩止水帷幕平面布置图
  2地质水文情况
  2.1地质情况
  本工程场地范围内,场地上覆盖第四系冲残积层,下伏泥盆系岩层泥质砂岩、石灰岩及石英砂岩,场地地层特性现自上而下分述如下:
  1)第四系填土层
  ①杂填土:灰褐色,灰白色,黑褐色,松散;稍湿;粘性土为主,局部含碎石、砖块、砼块等建筑垃圾较多,系近期堆填而成,结构不均匀,尚未完成自重固结,场地大部分分布,厚0.5~5.2m。
  2)第四系冲残积土层
  ②粉质粘土:棕褐色,灰黑色,黄褐色;可塑~硬塑;稍湿,含黑色铁锰氧化物,无摇震反应,稍有光泽,干强度高,韧性中等;整个场地都有分布,层厚1.8~9.5m。
  ③粉质粘土:青灰色,灰褐色,湿;软塑~可塑;含粉细砂成分,局部多量,质感细腻,有粘滞感,无摇震反应,稍有光泽,干强度高,韧性较强,整个场地都有分布,层厚2.0~8.5m。
  ④圆砾:灰黄色,灰白色;松散~中密、中密~密实,饱和;亚圆形,磨圆度中等,颗粒成分以石英长石为主,粒径一般为2~40mm,其中局部在该层顶部含细砂较多,粉细砂充填,级配良好;部分钻孔发现该层含有未完全腐蚀的木屑,整个场地都有分布,层厚0.8~6.1m。
  ⑤粉质粘土:褐红色;稍湿;可塑-硬塑;为泥质砂岩风化残积土,局部含未完全风化的岩屑结构;无摇震反应,稍有光滑,干强度高,韧性中等;场地内局部分布,层厚约0.4~7.5m。
  3)场地基岩:场地范围内场地基岩为泥盆系泥质砂岩、石灰岩及石英砂岩;其中泥质砂岩主要分布于场地内的西部与北部,石灰岩主要分布于场地的东部与南部,石英砂岩主要分布于场地的中部,部分钻孔发现石灰岩下伏于泥质砂岩。
  2.2水文情况
  本工程在勘察范围内主要分为上层滞水和地下弱承压水
  2.2.1上层滞水
  上层滞水赋存于杂填土层底部,水量较大; 稳定水位距地面深度为0.5~3.0m;稳定水位与初见水位基本一致;补给来源为大气降水和地表生活用水渗透。
  2.2.2弱承压水
  弱承压水主要赋存于圆砾层及以下,水量较丰富;初见水位距地面深度约为6.7~11.3m;稳定水位距地面深度为3.2~5.7m,勘察及施工期间稳定水位略高于初见水位,承压水头约3~5m,其补给、排泄区域均不在场地内,场地圆砾层仅为基径流通道(后期施工证明与地勘不符),水位随季节变化大。
  3施工过程中存在的问题
  本工程施工时,首先按照规范要求及设计参数进行试桩施工,试桩后通过钻探取芯、注水试验、抽心试验、室内试验以及现场开挖,发现施工后都不能满足设计要求,主要存在以下问题:
  1)因为地下基岩高低起伏不平,引孔时无法确定钻到基岩下1m范围内。直接结果导致旋喷止水帷幕柱未到达不透水层基岩面上,无法形成封闭圈。
  2)不同土层中施工水、气、浆液压力,提升速度应不一样(需要设计院进行不同土层参数的设计),如采用同种参数将导致的结果旋喷桩与旋喷桩之间不能咬合、旋喷桩身混凝土达不到设计强度(如在淤泥中,压力要减少,浆液比要增大提速也要减慢)且无法形成、桩身见下图1、2
  
  图1试桩抽芯结果
  
  图2试桩开挖查看咬合结果
  3)遇到地下流或圆砾层还需采取其他措施。如不采取措施,喷下去的水泥浆直接被水冲走或流走。
  4施工要点
  4.1工艺原理
  三管法旋喷是一种水、气喷射、浆液灌注搅拌混合喷射的方法。即用三层喷射管使高压水和空气同时横向喷射,并切割地基土体,借空气的上升力把被破碎的土由地表排除;于此同时,另一个喷嘴将水泥浆低压力喷射注入到被切割、搅拌的地基中,使水泥浆与土混合达到加固目的,其加固直径可达800~2000mm。
  采用三管法旋喷,应先送高压水、再送水泥浆和压缩空气;喷射时先应达到预定的喷射压力、喷浆量后,再逐渐提升注浆管,注浆管分段提升的搭接长度不得小于100mm;当达到设计桩顶高度或地面出现溢浆现象时,应立即停止当前桩的旋喷工作,并将旋喷管拔出并清洗管路。
  4.2旋喷桩施工工艺
  测放桩位→引孔钻机就位(开孔检查)→钻进成孔→清孔(换浆清查)→移钻→(启动空压机送风、启动高压泵送水,试喷检查)插入高喷管(浆液配制泵送)→高喷作业(观察高喷参数)→回灌(孔内保持满浆)→搬迁
  4.3施工技术参数的确定【1】
  4.3.1高压水的压力、流量及喷嘴内径
  三重管高压旋喷注浆,主导作用是使高压射水切割土体,成桩直径的大小和成桩质量,与高压水的工作状态有关。射流对土体的破坏力FP与射流介质的密度、流量Q及射流速度正比,即FP=kQ由于Q=s(s为喷嘴内径的截面积),所以FP=ks2。
  从流体力学知道,喷射压力P可按下式计算:P=0.225q2÷[()2]=knq2/,d为管嘴孔内径,mm;q为喷量,m3/min。
  4.3.2压缩空气的压力和流量
  喷射高压空气是增大了射流切割土体的范围,而且水、气同时作用土体,增强了破坏土体能力,空气的压力和流量根据设计院提供的设计参数确定。
  4.3.3浆液压力、流量、浆嘴内径
  水平喷射水泥不仅有助于浆液与土体的搅拌混合,而且可以对土体进行二次切割以扩大旋喷桩直径。在成桩直径不太大时,可参照下列表1
  表1不同压力下标准锥形浆嘴直径
  Q
  L·min-1 0.5MPa 1MPa 2MPa
   喷嘴 喷嘴 喷嘴
   1 2 1 2 1 2
  80 8.58 6.06 7.22 5.10 6.07 4.29
  100 10.50 7.43 8.82 6.35 7.43 5.26
  120 11.80 8.31 9.88 6.99 8.31 5.88
  4.3.4三重管提升速度和轉速
  提升速度按下公式计算:式中为三重管提升速度,m/min;q为单位时间注浆量,m3/min;d为钻孔直径,m;k1为填充率,可取k1=0.75~0.90; 为损失系数,可取0.1~0.2。
  旋喷桩施工中三重管360度旋转。一般来说转速越快,成桩直径越小,转速减慢,成桩直径将会增大,但转速过慢时,又存在着对同一范围内土体的重复切割,增加了生产成本,造成浪费,同时对别一尚未切割的土体不能进行切割,造成了旋喷桩体成为一螺旋状的水泥结石体。因此提升速度与旋转速度有一最佳值,一般每提升1cm,旋转0.8~2转为宜。
  4.3.5施工方法
  1)测量定位,旋喷桩施工前,测量人员根据设计文件和建设方提供的测量基准点,对帷幕轴线、孔位、孔口高程进行测量放样,将各轴线的基准点投影到安全可靠且便于观察的位置,用木桩标出孔位,并对钻孔进行统一编号。
  2)钻孔,先选定部分第一序孔作为先导孔,采取芯样,划分层位,其深度应大于旋喷桩深度;每20m应有1个孔进行全孔取芯,以便绘制钻孔柱状图。钻孔采用地质钻机、三翼合金钻头、泥浆护壁冲击或旋转钻进工艺,若遇到孤石等坚硬地层,则需要采取金刚石钻头进行钻孔。钻孔方法及注意事项如下:
  a.钻机就位前,将场地修理平整,钻机就位后安装稳固在设计的孔位上,用水平尺进行校正。然后调整钻机的立轴和天车,使它们与孔位中心三点成一线。
  b.误差要求:浆液比重0.1,钻孔偏差±10cm,钻孔垂直度<1.5%,钻孔直径≥φ130mm,钻孔孔深深入相对不透水层1.0m,孔深误差≤±5cm。
  c.开孔时,轻压慢转,钻进过程中随时用水平尺校正钻孔倾斜,发现偏斜及时进行纠偏。
  d.在钻进过程中,如果地层容易坍塌,出现跨孔现象,必须采取泥浆护壁,钻孔完成后,为防止孔壁坍塌,在钻孔中灌入浓泥浆。
  e.钻进时要进行详细的现场原始记录,标明各地层的临界高度,以及不同地层钻速变化和孔内的变异情况,特别要注意记录地下障碍物、洞穴、涌水、漏水及與工程地质勘察报告不符等情况。
  3)旋喷机就位,旋喷台车采用步履式,首先将台车移位到达钻孔的大概位置后,将保护钻孔孔口的泥袋揭开,调整旋喷台车的转盘和天车,使喷杆能自然垂直通过转盘中央与钻孔孔口对齐。
  4)地面试喷,钻孔验收合格后,准备向钻孔内下入喷头和喷杆之前,须进行地面试喷,以检查高压泵运行是否良好,各条管路是否密封通畅,喷杆、喷嘴有无泄漏。搅拌头翼片的枚数、宽度与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度相互匹配,确保加固深度范围内土体的搅拌次数满足设计要求。
  5)下入喷具,地面调试好后,设法将喷嘴加以保护(先用透明胶包扎浆、气、水嘴,再用现场废弃的水泥包装袋包裹喷头),防止喷具在下入孔内过程中泥砂进入喷嘴。在必要的情况下,采用边射浆,边插管,浆压控制在1Mpa以下。喷头的位置一定要达到钻孔深度。否则,拔出喷具重新扫孔。
  6)搅拌水泥浆液,灌浆材料为普通硅酸盐32.5散装水泥,浆液比0.8:1~1:1;施工期间,每一批水泥进场时必须随车提供水泥出厂质量检测报告和合格证。首先按规定的水灰比向搅拌桶中下投放水和水泥,经过充分搅拌后,用比重计测量水泥浆液的比重,符合要求后通过过滤流入第二级搅拌桶,再进行搅拌。保证水泥浆液搅拌时间不少于50s,不使用配制后时间超过4h的浆液。
  7)高压旋喷灌浆,
  a.开始旋喷灌浆时,应按照浆、气、水的先后顺序启动机械设备,先由注浆泵向钻孔中输送水泥浆,再用空气压缩机输送气体,最后用高压泵输送清水;停止旋喷灌浆时,则按照水、气、浆的先后顺序关停。如果先后顺序颠倒,泥砂很容易进入喷杆中的浆管而导致堵杆现象。
  b.开始时,保持喷杆停留在孔底不断地旋转静喷2~3min,当孔口冒出水泥浆液比重达1.25g/cm3以上时,再按照施工技术参数开始提升喷具。
  c. 桩体压浆要求一气呵成,不得中断,相邻两桩施工间隔不得超过12小时,如超过,搭接质量无保证,应采取在两桩中部加桩补救。
  d.操作人员和供浆系统由现场施工员统一指挥,各方人员密切配合,并做好现场原始记录。施工过程因故停浆,宜将搅拌机下沉至停浆点下50cm,恢复供浆再搅拌提升。
  8)终止旋喷灌浆,当喷头达到设计桩顶高程时,不能马上停止旋喷灌浆,应继续向上提升旋喷灌浆0.5~1.0m的高度,以保证旋喷桩有效桩头达到设计桩顶标高。
  9)回填补穴,旋喷灌浆结束后,孔内的浆液沉淀并凝固,浆液顶面不断下降,需要不断地向孔内回填水泥浆液,以保障旋喷桩的有效高度。
  10)封孔、废浆排放、处理,确认旋喷桩的桩顶高程达到设计标高后,停止填补凹穴,采用水泥砂浆回填旋喷桩以上的空洞。施工中产生的废浆排放到基坑内,经充分过滤和沉淀后,在土石方施工时将凝固的水泥废浆外运出去。
  5结语
  在复杂的第四系冲残积土层中施工旋喷桩止水帷幕,需要准确撑握各土层厚度走势及各类参数。通过动态设计出各土层旋喷桩施工参数,调整工艺,使本工程止水帷幕桩顺利完成并保证了质量。
  
  参考文献:
  【1】蒋宿平、隆威,旋喷桩施工技术参数设计研究,勘察科学技术,2009(5)
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