高壓旋噴技術(shù)在地鐵車站深基坑防水工程中的應(yīng)用
摘要: 以高壓旋噴技術(shù)在南京地鐵車站深基坑防水工程中的成功應(yīng)用為例, 介紹旋噴防水帷幕的參數(shù)設(shè)計(jì)方法, 包括帷幕深度、旋噴樁孔位布置方式、施工參數(shù)和開挖邊坡穩(wěn)定性分析。對高壓旋噴樁的關(guān)鍵施工工序質(zhì)量控制和噴射質(zhì)量的檢查也進(jìn)行了較為細(xì)致的討論。從檢查的施工效果來看, 該工法應(yīng)用于深、軟地基防水防滲工程是成功的。同時(shí)它也為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。
關(guān)鍵詞: 高壓旋噴技術(shù); 水力坡降; 防水帷幕
1 工程概況
高壓旋噴技術(shù)(也即高壓噴射注漿法) 是利用專用旋噴設(shè)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(xù)墻作基坑圍護(hù)結(jié)達(dá)到改良土質(zhì)的目的。旋噴改良土質(zhì)的目的有兩個(gè), 構(gòu), 明挖法施工。由于車站部分地下連續(xù)墻在施工時(shí)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(gè)車站分為兩部分施工, 在車站橫向中部設(shè)置一形成防水帷幕, 阻止?jié)B水或防止流砂、管涌的發(fā)生。道防水帷幕, 與車站南區(qū)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(shí)間等因素的影響小, 旋噴加固體強(qiáng)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?jié)B性好等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于建筑、道路、地鐵等該車站的土體工程地質(zhì)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(zhì)粘土, 車
圖1 車站基坑平面1 車站北區(qū); 2.1 號(hào)降水井; 3 防水帷幕; 4.2 號(hào)降水井; 5.3 號(hào)降水井; 6 車站南區(qū); 7 已有地下連續(xù)墻; 8 暫未封閉的地下連續(xù)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(dòng)易液化產(chǎn)生流砂。在這種飽和的粉細(xì)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(jīng)過方案合理性和經(jīng)濟(jì)性比較, 選用二重管高壓旋噴技術(shù)施工臨時(shí)防水帷幕, 而且砂層中旋噴樁體的強(qiáng)度要比粘性土中高。
2 旋噴樁防水帷幕設(shè)計(jì)
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(xiàn)管涌現(xiàn)象而計(jì)算出的深度。基坑管涌計(jì)算示意如圖2 。
圖2 基坑管涌計(jì)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(shí), 如果向上的滲透力超過砂的有效應(yīng)力, 從而導(dǎo)致基坑底破壞, 也即管涌現(xiàn)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(tài), 基坑底就喪失穩(wěn)定性。工程中, 當(dāng)不繪制流網(wǎng)線時(shí), 常采用近似方法驗(yàn)算極限水力坡降。水力坡降i 計(jì)算式為i = hw/ l (3) 式中, hw 為防水帷幕前后的水頭差;l 為產(chǎn)生水頭損失的流線長度。
本例中, 考慮安全系數(shù)Fs 和允許水力坡降is 后, 式(3) 變?yōu)镕sis = Jc (4) 安全系數(shù)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(shù)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(cè)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(shù)
防水防滲工程設(shè)計(jì)時(shí), 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(shè)計(jì)直徑) 、排距為0.75 D 最經(jīng)濟(jì)。施工時(shí)要考慮所用鉆機(jī)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(yīng)不得小于實(shí)際成孔偏斜率(一般為1.5 %) 與樁長之積。
旋噴樁設(shè)計(jì)直徑與土質(zhì)、施工方法、工藝參數(shù)密切相關(guān)。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(shè)備,并結(jié)合地層特點(diǎn)和施工經(jīng)驗(yàn),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(shè)計(jì)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(jì)算以噴量法為例, 即以噴嘴單位時(shí)間噴射
圖3 旋噴樁孔位布置平面示意
的漿量及噴射持續(xù)時(shí)間, 再考慮10 % 的損失系數(shù)來計(jì)算出漿量。施工時(shí)選用單位時(shí)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(jì), 則每根樁的需漿量為20.8 立方米。再結(jié)合水灰比, 可以確定水泥用量。
2.3 基坑邊坡穩(wěn)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(qū)時(shí)靠近防水帷幕側(cè)采取自然大放坡, 邊坡滑動(dòng)面近似為平面形式。若是粘性土坡的穩(wěn)定分析則要采用圓弧滑動(dòng)面的條分法計(jì)算。
當(dāng)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(dòng)安全系數(shù)Kp = tg </ tgα, 式中, < 為土的內(nèi)磨擦角; α為坡角。也即當(dāng)坡角等于土的內(nèi)磨擦角時(shí), 土坡處于極限平衡狀態(tài)。本基坑中砂性土的內(nèi)磨擦角為29°, 為保持土坡的穩(wěn)定, 放坡坡角應(yīng)小于29°。若坡面有地下水溢出, 則土坡的滑動(dòng)安全系數(shù)要降為無水溢出時(shí)的一半。因此旋噴防水效果直接影響邊坡的穩(wěn)定性。
3 主要施工工序及質(zhì)量控制
按設(shè)計(jì)要求定孔位→導(dǎo)孔鉆機(jī)就位→旋噴機(jī)下放二重管→噴射成樁→回灌。施工中質(zhì)量控制要留心以下幾點(diǎn):
① 鉆機(jī)就位準(zhǔn)確, 樁中心垂直度不大于1 % 。樁心偏移小于50mm 。
② 導(dǎo)孔時(shí), 根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整循環(huán)護(hù)壁泥漿液的濃度, 保證成孔質(zhì)量。若確實(shí)成不了孔, 可以先從地面預(yù)注漿穩(wěn)定地層, 后導(dǎo)孔。
③ 施工中嚴(yán)格控制旋噴參數(shù), 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(qiáng)度和均勻性。
④ 返漿正常與否對樁體質(zhì)量影響很大, 若返漿量不正常, 要分析原因, 采取復(fù)噴或調(diào)整旋噴參數(shù)。若漏漿嚴(yán)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(wěn)定該處地層, 確保加固質(zhì)量。
⑤ 由于本工程旋噴樁是以防滲為目的, 施工時(shí)摻入3 % 的水玻璃(35Be) 以提高其抗?jié)B性。
⑥ 旋噴結(jié)束后1 天內(nèi), 由于漿體凝固樁頂出現(xiàn)下沉, 應(yīng)用漿液進(jìn)行回灌, 保證樁體標(biāo)高。
4 噴射質(zhì)量的檢查
施工前主要通過現(xiàn)場旋噴試驗(yàn), 了解設(shè)計(jì)采用的旋噴參數(shù)和漿液配方是否合適, 固結(jié)體質(zhì)量是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本工程的施工參數(shù)是在與之相鄰車站基坑工程施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)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(xù)性和均勻性。通過返漿體的強(qiáng)度可以推測樁體的強(qiáng)度。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程資料, 同齡期的二重管旋噴樁體強(qiáng)度與返漿體強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到2.0MPa 。
施工后, 待漿液凝固具有一定強(qiáng)度, 可以通過開挖精確檢驗(yàn)固結(jié)體垂直度、樁徑大小和固結(jié)形狀。透水性可以通過現(xiàn)場抽水滲透試驗(yàn), 測定其抗?jié)B防水能力。現(xiàn)場抽水試驗(yàn)可以在防水帷幕的兩側(cè)進(jìn)行, 即在帷幕的一側(cè)設(shè)置抽水井, 并同時(shí)觀察在帷幕兩側(cè)的觀測孔水位的變化情況。本工程中帷幕設(shè)計(jì)有足夠的深度, 不致使水流由帷幕的側(cè)面大量繞過來。抽水試驗(yàn)可以利用靠近帷幕兩側(cè)已有的降水井(見圖1) , 從2 號(hào)降水井里抽水, 觀測1 、3 號(hào)降水井水位。結(jié)果是3 號(hào)降水井水位下降速度為30cm/ d , 而1 號(hào)降水井水位下降速度僅為2cm/ d 。而且車站南區(qū)在全部降水過程中, 北區(qū)的降水井水位變化較小, 當(dāng)南區(qū)降水至坑底, 北區(qū)1 號(hào)降水井的水位才下降50cm , 可以看出帷幕起到了應(yīng)有的隔水作用。
5 效果及評價(jià)
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(cè)基本無水, 防水效果良好。達(dá)到了分區(qū)開挖以節(jié)約工期的目的。待整個(gè)車站地下連續(xù)墻封閉, 挖開臨時(shí)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(xù)的防水墻。進(jìn)一步說明了該工法應(yīng)用深度大、土質(zhì)軟的地基防水防滲工程的優(yōu)越性。
② 開挖施工中, 基坑底板未出現(xiàn)管涌現(xiàn)象, 邊坡也是穩(wěn)定的。說明該防水帷幕的設(shè)計(jì)和施工都是合理的。
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