北京地区桩间旋喷止水工艺的影响因素分析及改进初探

任贵生

（北京市地质工程公司，北京 100143）

0 引言

高压旋喷桩是利用钻机等设备，把底部侧面安装有喷嘴的特殊注浆管置入土层预定深度后，用高压水泥浆泵、气泵、水泵等装置，以预定压力，把浆液及气体等从喷嘴中喷射出去，冲击破坏土体，同时借助注浆管的旋转和提升运动，使浆液与土体上崩落下来的土搅拌混合，经过一段时间凝固，便在土中形成圆柱状固结体，即旋喷桩。北京地区多用旋喷桩与护坡桩结合使用进行止水施工。

自2008年北京市对基坑开挖降水进行限制后，在含水地层区域开挖深大基坑多数采用护坡桩间布置旋喷工艺施工帷幕进行止水。根据近几年来多个采用旋喷形成帷幕进行止水工程的施工效果及切身感受分析，桩间止水帷幕在北京地区的实际施工效果并不十分理想。因此，在实际工程经验的基础上，对桩间布置旋喷桩形成止水帷幕止水效果的影响因素进行了总结，并提出了初步改进建议。

1 目前较为常见的几种桩间旋喷止水的形式及施工方法

在进行北京含水地层区域深大基坑设计时，为了更好地控制施工造价，在进行止水帷幕设计时，往往采用在护坡桩桩间布置旋喷桩，通过旋喷桩与护坡桩体的连接形成止水帷幕，来达到止水的设计目的。

根据护坡桩直径及桩间距，常见的旋喷桩布桩形式有：在护坡桩之间布置两根旋喷桩或在护坡桩之间布置一根直径较大的旋喷桩形成止水帷幕。前者多采用单喷或双喷形成相对小直径的旋喷桩体（目标直径500～600mm），后者多采用三重管旋喷形成较大直径桩体（目标直径900～1100mm）。另外，根据护坡桩与旋喷桩成桩的先后顺序，又分为先施工护坡桩后施工旋喷桩，通过旋喷桩成桩过程中切割桩间土体与护坡桩连接形成止水帷幕；或先施工旋喷桩，在旋喷桩桩体完全固化前再行施工护坡桩，通过护坡桩软切旋喷桩桩体连接形成止水帷幕，达到止水的目的（图1）。

图1 较为常见的旋喷桩间止水布桩图例

2 桩间旋喷止水帷幕设计的利弊

北京地区在基坑开挖深度范围内存在地下水且基底有好的隔水层的情况下，多采用在护坡桩之间布置旋喷桩的支护止水措施，由于考虑了护坡桩的挡水因素，减小了基坑止水面积，避免了施工降水的同时也可较大程度上降低基坑止水造价，缩短施工周期。

桩间旋喷止水工艺的效果主要取决于旋喷桩与护坡桩的搭接密实程度及旋喷桩桩体的透水性，这主要受地层情况、施工质量及设计布桩形式控制。因影响旋喷止水效果的主客观因素较多，也就决定了旋喷止水效果的不稳定性。

同时，由于在进行支护设计时并未考虑旋喷桩体的受力，而实际施工过程中，随着基坑工况的变化，基坑后水土压力也在不断变化，旋喷桩将不可避免地承受部分水土侧向压力；在采用桩锚支护旋喷止水的基坑施工中，由于锚杆的施工，破坏了桩体的整体性，旋喷桩体本身抗拉强度较低，在土及渗流压力的作用下极容易形成旋喷桩整体的断裂垮塌，后期修理施工困难。

3 影响桩间旋喷止水效果的因素分析

3.1 工程地质条件的影响

根据相关研究成果[1]及文献[2]，场区的地层条件对旋喷桩成桩直径有很大影响，以单重管及双重管旋喷桩在同样密度的浆液以一定喷射压力及提钻速度的情况下，不同地层成桩有效直径变化很大（图2）。

另外，对于一个基坑分期开挖的工程，在渗透系数较大地层区域或渗透系数差异较大的地层分界线处，存在由于水头差较大，地下水渗流将未凝固的水泥浆携走，造成旋喷失效的可能性。

图2 地层条件对旋喷桩直径的影响曲线[1]

3.2 旋喷桩施工过程中的质量影响因素

（1）在护坡桩桩位及垂直度较好的情况下，旋喷桩孔位偏差及成孔或引孔垂直度偏差对旋喷止水效果影响非常明显，旋喷桩施工的孔位偏差及垂直度偏差会造成旋喷桩桩体与护坡桩桩体相对距离的变化，从而影响旋喷桩与护坡桩或旋喷桩桩体间的闭合效果。

对于较深基坑，为确保旋喷桩垂直度，应专门组织地质钻机进行引孔施工，引孔深度应根据具体地层条件及基坑开挖深度而定，原则上引孔深度应穿透较硬土层且进入基底隔水层。引孔施工前应认真校核护坡桩位置及旋喷引孔孔位，对准孔位方可施工。

（2）旋喷桩提钻速度与注浆压力对旋喷桩桩径的影响

旋喷桩施工过程中的喷射压力及提钻速度对旋喷成桩直径会产生很大影响，根据相关课题成果[1]，以单重管及双重管为例，单一的某个工艺中（对单重管或双重管），当压力在20Mpa至30Mpa之间变化时，同样地层及同一提钻速度，旋喷桩的成桩直径与切割介质的喷射压力成正比例关系，但当压力接近30Mpa时，桩径随注浆压力的增加并不明显，故欲达到设定桩径效果，不能依靠提高压力完成，要根据需要改变工艺，因此在进行桩间止水帷幕设计时，应根据拟选用设备的性能，明确喷射工艺及喷射介质的喷射压力（图3）。

旋喷桩施工的提钻速度对旋喷桩成桩直径的影响同样显著，根据相关课题成果[1]，当提升速度在20cm/min至30cm/min之间变化时，桩径变化不大，当提升速度超过30cm/min达到40cm/min时，桩径大小极不稳定，并且桩中含有大量土体夹层，故在北京地区施工时提升速度不宜超过30cm/min（图4）。

图3 注浆压力对旋喷桩直径的影响[1]

图4 提钻速度对旋喷桩直径的影响[1]

（3）水泥掺入量对旋喷桩桩体的影响

旋喷桩施工过程中的水泥掺入量对桩身透水性及桩体强度有重要影响，根据施工经验，对于三重管每米水泥用量约为300～400kg，对于双重管每米水泥用量约为200～250kg。水泥用量过低，水泥与土体的置换不理想，影响旋喷桩的止水效果及桩身强度，水泥用量过大又会造成浪费。

3.3 护坡桩施工质量对旋喷止水帷幕的影响

对于先施工护坡桩后进行旋喷桩施工的工程，护坡桩施工的桩位准确性和护坡桩垂直度对旋喷止水的效果有很大影响。

如若护坡桩在桩心线方向偏差较大，将造成相邻护坡桩桩间距过大，在旋喷桩桩径不变的情况下，止水帷幕的闭合效果降低或无法闭合。如若护坡桩施工垂直度较差，对于基坑深部，护坡桩间距将相应增大或减小，同样对旋喷止水的闭合效果产生很大影响。

4 工艺优缺点及改进方向

在旋喷止水帷幕施工过程中，射流压力、提钻速度、成孔垂直度及成孔准确性等影响止水效果的因素是可以人为控制的，但在实际施工过程中，虽很好地控制了以上因素，仍不可避免地出现旋喷搭接不严，帷幕局部渗漏的情况，在地层较差区域甚至出现旋喷桩体随水土流失断裂的情况，这与场区工程地质条件、设计布桩形式及旋喷桩体抗拉强度低等客观因素有很大关系。

在进行桩间旋喷止水帷幕设计时，适当减小护坡桩间距，增加旋喷桩与护坡桩体的有效搭接厚度；同时将旋喷桩桩位延垂直护坡桩桩心线方向适当向后调整，可减小基坑开挖清理桩间土过程中对旋喷桩体的切割，同时旋喷桩桩体两侧护坡桩将对旋喷桩提供一定的水平支撑，更有利于旋喷桩体的受力稳定。

对于桩锚支护的旋喷止水工程，在预应力锚杆施工完毕后，应及时将锚杆张拉段孔口封堵密实，必要时留设排水导管引流，防止渗流冲蚀桩后土体。

另外，在旋喷桩施工完毕后，马上顺喷射孔插入适量架子管或型钢等抗拉强度较高的材料，随着水泥土硬结形成型钢水泥土复合体，可以提高旋喷桩体的抗剪断能力，有利于基坑使用过程中的安全稳定。此外，旋喷返浆结合深层搅拌桩施工的可行性很值得探讨，这样可大幅节省工程材料又便于废物利用。

5 工程案例

望京综合体育馆A座等10项工程，位于望京广顺北大街与宏泰西街路口东南侧，紧邻建地铁十四号线（局部与十四号线隧道重叠），基坑占地约1.5万m2，基坑开挖深度14.36～18.02m，基坑支护影响深度范围内地层由上到下依次为：素填杂填土层、粘质粉土层、粉砂层、粉质粘土层及圆砾层。开挖深度范围内含3层地下水：第1层滞水静止水位埋深为2.50～4.60m；第2层层间潜水，静止水位埋深为7.10～8.40m，含水层岩性主要为粘质粉土—砂质粉土；第3层静止水位埋深为12.10～13.50m，地下水类型为潜水，含水层岩性主要为粉细砂层。本工程基坑采用桩锚支护，桩间旋喷帷幕止水，旋喷桩参数如表1。

表1 旋喷桩止水帷幕技术参数

本工程自支护设计至止水帷幕施工完成，整个过程加强了对旋喷止水工艺影响因素的控制，自2013年9月正式开工到2014年7月竣工，止水帷幕施工后，除基坑局部出现旋喷帷幕渗漏外，总体止水效果良好（图5）。

图5 望京综合体育馆A座等10项工程基坑旋喷帷幕止水效果照片

6 结论

通过望京综合体育馆A座等10项工程中桩间旋喷止水帷幕的实际施工效果分析，北京地区在桩间布置旋喷桩止水帷幕的基坑设计及施工过程中，若能根据地层参数结合地区旋喷桩施工经验预估旋喷桩成桩直径，适当减小护坡桩间距，同时认真控制钻孔垂直度、喷射压力、提钻速度等影响旋喷止水帷幕施工效果的这些重要因素，在不大幅增加施工成本的情况下，应能够取得较好的止水效果。

[1]北京市地质工程公司..北京地区隔水帷幕高压旋喷桩施工工艺参数研究项目结题报告[R]..2010.

[2]《工程地质手册》编委会..工程地质手册（第四版）[M]..中国建筑工业出版社，2007.

[3]康志勇，郭世周..型钢旋喷桩支护技术在某商厦基坑中的应用[J]..岩土工程界，2004，7(9)：45～46.