高压旋喷桩内插预应力钢筋混凝土方桩围护体系的设计与施工.pdf

2 0 1 3年第 4 0卷第 6期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 6 l 高压旋喷桩内插预应力钢筋混凝土方桩 围护体系的设计与施工 张 习上 ， 赵 卫政 ，张迎 堂 ( i 安徽岩土工程有限责任公司上海分公司， 上海 2 0 0 1 2 2 ；2 江苏兴厦建筑安装有限公 司上海分公 司， 上海 2 0 0 2 3 7 ； 3 中交第二航务工程局第三工程有限公司， 江苏 镇江 2 1 3 0 0 0 ) 摘要： 在充分分析比较传统深基坑围护体系优劣的基础上， 将高压旋喷止水帷幕与预应力钢筋混凝土方桩相结 合 ， 设计创新出一种新型的围护体系， 且将之运用于工程实例中， 大大降低了工程成本 ， 创造了巨大的经济效益。 关键词： 深基坑围护体系； 内撑式围护体系； 高压旋喷桩； 振插预应力钢筋混凝土方桩； 止水帷幕 ； 挡土止水体系 中图分类号： T U 4 7 3 2 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 6 1 0 4 De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f Hi g h - p r e s s u r e Ro t a r y J e t Gr o u t i n g P i l e Emb e d d e d wi t h Pr e - s t r e s s e d Re i n f o r c e d Co n - c r e t e S q u a r e d P i l e E n c l o s u r e S y s t e m Z H A N G X i s h n a g ， Z H A O W e i - z h e n g ， Z H A NG Y i n g t a n g ( 1 A n h u i G e o t e c h n i c a l En g i n e e ri n g Co ，L t d ，S h a n g h a i B r a n c h，S h a n g h a i 2 0 0 1 2 2，C h i n a ；2 J i a n g s u Xi n g s h a Co n s t r u c t i o n I n s t a l l a t i o n C o ， L t d ，S h a n g h a i B r a n c h，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7，C h i n a ；3 C h i n a Co mmu n i c a t i o n s 2 n d Na v i g a t i o n B u r e a u 3 r d E n g i n e e ri n g C o ， L t d ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 3 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e a n a l y s i s a n d c o mp a ri s o n o f a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t r a d i t i o n a l d e e p f o u n d a t i o n p i t e n c l o s u r e s y s t e m s ， a n e w e n c l o s u r e s y s t e m w a s c r e a t e d b y c o m b i n i n g h i g h - p r e s s u r e j e t g r o u t i n g c u r t a i n w i t h p r e - s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s q u a r e p i l e ， w h i c h w a s a p p l i e d i n t h e p r o j e c t s ， a n d t h e c o n s t ruc t i o n c o s t w a s g r e a t l y r e d u c e d w i t h h u g e e c o n o mi c b e n e f i t s Ke y wo r d s ： d e e p f o u n d a t i o n p i t e n c l o s u r e s y s t e m； i n t e r n a l s h o ri n g r e t a i n i n g s t ruc t u r e ； h i g h p r e s s u r e r o t a r y j e t g r o u t i n g p i l e ； e mb e d d i n g p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s q u a r e p i l e b y v i b r a t i o n；w a t e r p r o o f c u r t a i n；s o i l a n d w a t e r r e t a i n i n g s y s t e m 目前 ， 随着我国城市化发展建设进程 的节奏大 大加快 ， 大规模 工程建设项 目日益增 多。由于现代 城 区建筑物相 当密集 ， 市区内空 闲土地面积缩减 怠 尽， 开发商不得不动足脑筋力求最大限度地开发利 用地下空间 ， 随之而来 的是各种深基坑开挖项 目的 大量上马， 且基坑深度不断向纵深发展 ， 因此对现如 今的基坑围护设计水平提出了更高标准的要求。 深基坑开挖过程中要求围护体系能够限制住周 围土体的变形， 确保不会对邻近的建筑物、 构筑物及 周边地下管线产生危 害。如若发生漏水事故 ， 将会 造成不可估量的严重后果 ， 对周边居 民和施工人员 造成的人身伤害以及事故产生 的经济损失都是巨大 而惨痛的。上海地铁 四号线南浦大桥车站盾构漏水 事故、 莲花路基坑违规开挖倒房事故等等都是活生 生的教训。如何保证深基坑开挖过程中的安全、 高 效、 经济且环保， 是当今乃至未来社会始终不容忽视 的一大课题 。 1 传统深基坑围护体 系 目前上海等含水量较大的软土地区深基坑围护 体系( 本文所指深基坑特指 开挖深度 1 0 m 以上 的 基坑 ) 多采用 内撑式 围护结构 ， 内撑式围护结构 由 围护结构体系( 挡土止水体系) 和内撑体系 2部分 组成。围护结构体系又多采用钢筋混凝土灌注桩排 桩挡土结合三轴( 双轴) 水泥土搅拌桩或高压旋喷 桩止水 、 地下连续墙 、 S M W 工法加劲水泥土搅拌桩 挡墙等形式。 1 1 钢筋混凝土灌注桩排桩挡土结合三轴 ( 双轴 ) 水泥搅拌桩或高压旋喷桩止水 灌注桩与三轴( 双轴) 搅拌桩或高压旋喷桩组合 形成的围护结构体系 ， 能有效防止水泥土止水帷幕产 生过大的变形和倾覆， 充分发挥灌注桩的挡土效果和 水泥土桩的止水作用。在深基坑围护中采用钢筋混 凝土灌注桩形成排桩式挡土墙， 早在 2 0世纪 7 0年 代就开始在全国各地得到广泛应用。灌注桩作为支 收稿 臼期 ： 2 0 1 30 32 6 作者简介 ： 张习上( 1 9 8 0一) ， 男( 汉族 ) ， 安徽人 ， 安徽岩土工程有限责任公司上海分公 司副总经理 、 工程师 ， 法律 、 土木工程 专业 ， 从事地基基 础工程施工管理工作， 上海市东方路 7 3 8号裕安大厦7 0 4 室， a h y t z x s 1 6 3 12 0 1 1 ； 赵卫政( 1 9 7 9一 ) ， 男( 汉族) ， 江苏人， 江苏兴厦建筑安装有限公 司上海分公司技术部经理 、 工程师， 土木工程专业， 从事建筑工程施工管理工作， 上海市龙J l l ： I L 路 4 3 6 弄 1 4号 1 0 3 室。 6 2 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 3 年第4 0 卷第 6 期 护结构刚度较大 ， 抗弯能力强 ， 变形相对较 小 ， 挡土 止水效果较好。施工过程 中无震动 ， 对周边建筑物 、 地下管线不会造成危害， 但造价较高， 现场湿作业 多 ， 施工速度较慢 ， 且施工后需要养护 ， 工期较长。 1 2 地下连续墙 地下连续墙技术起 源于欧洲 ， 1 9 5 0年最先在意 大利工程中应用 ， 1 9 5 9年 日本引进此项技术 ， 之后各 国相继引用 ， 我 国也 已引进 2 0多年 ， 现已经成为全 世界各国深基坑施工的一种重要技术手段。该技术 通过专用的成槽设备， 沿着地下建筑物或构筑物的 周边 ， 按设计图示位置 ， 开挖出具有一定宽度与深度 的沟槽 ， 用泥浆进行护壁 ， 之后在槽 内安放具有一定 刚度的钢筋笼结构 ， 再用导管水下灌注混凝土， 分段 施工 ， 采用特殊方法进行接头， 使之地下形成连续 的 钢筋混凝土墙体 ， 能够同时起到挡土和截水的效果。 地下连续墙施工技术具有相 当多的优点 ， 如刚 度大 、 整体性好 ， 安全可靠 ， 能够承受较大的水 、 土压 力 ； 在城市密集建筑群 中施工 ， 对相邻建筑和地下设 施影响很小 ， 且能贴近已建的建筑物施工 ， 最小 的距 离可控制在 1 m左右 ； 施工时振动小 、 噪声低 ， 对邻 近地基扰动少。但墙体接头技术处理较难 ， 易发生 渗水事故 ， 施工 中应加强接头施工的技术监控 。同 时地下连续墙技术工程造价偏高 ， 选用时应进行充 分的技术经济论证 。 1 3 S M W 工法加劲水泥土搅拌桩挡墙 S M W 工法属于加劲水泥土搅拌桩挡墙 ， 采用 H 型钢作为劲性材料， 起 源于 日本。在水泥土桩 中插 入型钢形成加劲水泥土墙 ， 不仅 能大大提高墙体的 抗弯与抗剪能力 ， 而且墙体连续性好 ， 抗渗能力强， 对周围环境挤土作用也较小。与混凝土灌注桩、 地 下连续墙等围护结构相 比较 ， 无需进行泥浆处理 ， 工 艺简单 ， 操作方便且无 污染 ， 目前 也 已得到 广泛应 用。但工法施工设备庞大， 对施工场地要求较高， 对 施工场地的处理成本因此较高， 且如深基坑开挖时 问长会产生较高的型钢租赁费用。造价虽较地下连 续墙有所降低， 但仍然算不上最经济的围护形式。 以上几种传统的围护体系各有优劣， 他们共同 的缺点是工程造价偏高。为了有效地降低工程成 本， 笔者设计了一种新型的加劲水泥土挡墙围护体 系， 即选用成墙质量好 、 适用土层广的三重管高压旋 喷注浆法作为止水帷幕， 结合插入预应力钢筋混凝 土方桩， 形成一种新型的围护体系， 相比较传统的围 护体系而言更加经济。且施工设备轻便， 施工速度 快， 稳定性高， 造价较低， 具有较好的耐久性和良好 的止水效果 ， 且施工对周围土体扰动较小 ， 市区内施 工具有相当大的适用性 。 2 高压旋喷桩内插预应力钢筋混凝土方桩施工工 艺方法 高压旋喷桩施工设备简单轻便 ， 噪声和振动小 ， 施工速度快 ， 机械化 程度高 ， 成本低 ， 用途广 。施工 中借助高压浆液的水平射流不断切削土层并与切削 下来的土体充分搅拌混合 ， 最后在喷射力的有效射 程范围内， 形成一个 由圆盘状混合物连续 堆积成 的 圆柱状凝结桩体， 连续搭接作业施工在地下形成封 闭的止水帷幕 ， 具有相当好 的止水效果 。同时采用 内插预应力钢筋混凝土方桩作为加劲材料 ， 显著提 高墙体的刚度 ， 达到止水和挡土合一的 目的。 2 1 工艺简介 2 1 1 三重管高压旋喷注浆法 高压旋喷注浆法适用土层较广 ， 适用于淤泥 、 淤 泥质土、 砂土 、 粉土、 粘性土 、 湿陷性黄土 、 人工填土 及碎石土等土层。喷浆时钻杆一边缓慢旋转 、 一边 徐徐提升 、 一边喷射水 、 气、 浆在地基中旋喷形成直 径较大、 强度较高的圆柱状加 固体 ， 成桩最大深度可 达 4 0 1T I ， 桩与桩搭接施工即可形成连续且完 整的止 水帷幕， 三重管高压旋喷喷射流由高压水喷射流与 其外部的压缩空气流组成， 共同作用下破碎土体， 可 在地基中造成较大 的空隙 ， 有利于浆液填充。 高压旋喷桩施工操作注意要点 ： ( 1 ) 施工前要 进行场地平整， 做好 钻机定位 ， 围护桩施工 偏差 2 c m。要求钻机安放平稳保持水平 ， 钻机必须保证垂 直施工 ， 钻孔的倾斜度 1 5 。( 2 ) 检查高压设备 和管路系统 ， 其压力 和流量必须满足设计要求。注 浆管及喷嘴内不得有任何杂物， 保持通畅。注浆管 接头及各部位的密封圈必须 良好 。( 3 ) 施工前应作 高压水射水试验， 合格后方可喷射浆液。( 4 ) 在插 管和喷射过程中， 要注意防止喷嘴被堵 ， 在拆卸或安 装注浆管时动作要快 。水 、 气 、 浆 的压力和流量必须 符合设计值， 否则要拔管清洗再重新进行插管和旋 喷。使用喷嘴时， 若一个喷嘴被堵， 则可采取复喷方 法继续施工。( 5 ) 喷射时， 要做好压力、 流量和冒浆 量的量测工作， 并按要求逐项记录。钻杆的旋转和 提升必须连续不中断。( 6 ) 深层喷射时， 应先喷浆 后旋转和提升 ， 以防注浆管扭断。( 7 ) 搅拌水泥时 ， 水灰比要求严格按照设计规定， 不得随意更改， 在喷 浆过程中应防止水泥浆沉淀， 使浓度降低。禁止使 用受潮或过期 的水泥。( 8 ) 施工完毕 ， 立 即拔 出注 2 0 1 3年第 4 0卷第 6期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 6 3 浆管彻底清洗浆管和注浆泵， 各管路内不得有残余 浆液和其他杂物 。 高压旋喷桩施工 1 O根桩左右即可让 出一定 的 施工作业面， 振插预应力钢筋混凝土方桩紧随其后， 在旋喷桩水泥初凝前必须开始施工， 以确保因沉桩 困难硬性施工而影响止水帷幕的止水效果。 2 1 2 振插预应力钢筋混凝土方桩 预制钢筋混凝土方桩 ， 普遍运用于桩基础工程 ， 具有施工快捷 、 无污染 、 现场文 明施 工效果好 等特 点 ， 且造价较低 ， 仅为灌注桩 的 5 0 6 0 ， 桩侧摩 阻力大， 强度较高， 工厂预制桩时通过预应力筋对桩 身施加预应力可使桩身具有较强的抗弯 、 抗剪能力 ， 将其作为劲性材料用于围护体系中， 可有效增强围 护墙体的刚度及稳定性 ， 起到很好的挡土作用。 预制方桩施工方法有静压法 、 锤击桩和振动沉 桩法等。因围护施工作业 面要求 ， 且振动施工可增 加旋喷桩止水帷幕水泥土的均匀性 ， 故采用振动沉 桩法施工。振动沉桩与锤击沉桩方法基本相同 ， 不 同的是用振动锤代替桩锤。操作时 ， 桩机就位后 吊 起桩振动锤 ， 使液压夹桩器 夹紧桩头将桩 吊起对正 至设计桩位 ， 便可启动振动锤进行沉桩至设计要求 深度。沉桩宜连续进行， 且必须在旋喷桩水泥初凝 前施工 ， 以防时问过久而难于沉人。一般控制最后 3次振动， 每次 1 0或 5 S ， 测出每分钟的平均贯入 度， 不大于设计的数值即符合要求。围护桩以沉桩 深度达到设计标高为度。 振动沉桩施工注意事项 ： ( 1 ) 夹桩器 必须夹紧 桩头 ， 以免滑动 ， 否则会影响沉桩效率 ， 损坏机具 ， 同 时也不安全 ； ( 2 ) 振动锤 和桩纵轴必须 在同一垂直 线上 ， 保证桩身垂直度偏差 0 5 。 2 2 设计实例 上海市青浦某工程 ， 基坑面积 2 3 0 0 m ， 周长约 2 0 0 I T I 。2层地下车库 ， 开挖深度 8 7 m， 局部落深坑 达 1 0 1 i n 。拟建建筑物基坑西边距西侧河 道最小 距离仅 3 m左右 ， 距东侧住宅楼最小距离仅 6 m左 右 ， 拟建场区南侧道路分布有地下管线 ， 且基坑边距 地下管线最近处约 8 0 m。因场地周边 的复杂性 ， 基坑围护设计 的深度 和宽度均须满足抗倾 覆 、 抗 滑 移、 抗渗透及整体稳定等要求。为了最大限度地减 少施工对周边居民生活 的影响 ， 同时达到较好的止 水效果， 还要考虑降低挤土以避免对地下管线造成 破坏， 设计拟采用施工噪声较轻、 挤土效应较小、 止 水效果较好的钻孔灌注桩挡土结合三轴水土搅拌桩 止水加内支撑的传统围护体系。 施工前通过对工程地质勘察报告 的研究发现 ， 施工场地上部 5 m范围为杂填土 ， 有大量石块及建 筑垃圾等障碍物， 且相当密集 ， 对围护工程的施工有 着很大的影响。故需在施工前对场地进行翻土清障 处理。因清障工作量较大， 对原场地地基土进行了 扰动， 土体密实性受到了很大影响， 若想继续施工三 轴搅拌桩势必需先对扰动后土体进行压实后再铺设 道渣及混凝土加 固场地后才行 ， 否则大型 的三轴搅 拌桩机无法安全施工。建设单位 因清障已耗费了大 量资金， 为了降低建设成本， 希望设计和施工单位能 在围护体系上作适当调整， 以便降低施工费用。 考虑基坑的整体安全性 ， 不能降低原设计方案 的挡土和止水效果 ， 笔者建议保持原设计方案 内撑 体系不变， 选择施工便捷的高压旋喷桩作为止水帷 幕 ， 内插预应力钢筋混凝土方桩劲性材料挡土， 不但 能够达到原设计方案同样的效果， 更能在施工工艺 方面为建设单位节约相当大的成本 。 变更前后 的平 面及剖 面如 图 1 4所示 ( 取南 部近道路一侧 1 0 m范围) 。 中9 0 0 钻孔灌 图 1 变更前 的平面 图 C 3 0 压 顶 瑟 C 4 0 圈梁 I i 1 3 0 0 8 0 0 c 4 o 支撑 l 2 9 0 | 一L j =- r J _一薏_i苎曼 一9 5O9 70 m l ( ) 4 0 m ( 1 0 2 O m ) C 3 0 灌注桩 中 9 OO 11 O O 一 2 0 8 0 m 8 5 0 1 2 0 0 -2 轴搅 拌桩 水泥掺量 2 O 一 25 8 0m 4 0 0 4 0 0 预制钢筋 混凝土方 图 2 变更前剖面图 图 3 变更后的平面图 护 内边线 压旋喷桩 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 3 年第 4 0 卷第6 期 图 4变更后的剖面图 2 3 技术经济效果分析 2 3 1 技术效果 实践证明， 高压旋喷桩内插预应力方桩围护体 系在上述工程中应用 十分成功 ， 确保了基坑安全顺 利地开挖施工 ， 在技术上非常可行 。 2 3 2 经济效果 笔者将新型围护体系与原设计方案进行了经济 对 比， 详细参数见表 1 。 通过表 1可 以看 出， 新 的围护设计方案比原设 计方案每延米 节约 费用 1万 多元 ， 整个 基坑 周长 2 0 0 余延米， 直接节约成本 2 0 0多万元 ， 加上 2 种工 艺的施工设备轻便所节省 的场地处理 费用 ， 总计降 低了成本近 3 0 0万元 ， 给建设单位带来 了巨大的经 济效益。 表 l 原设计 与新设计 方案经济效果对 比 设计进行 了对 比外 ， 还同时与其他两种传统 围护体 3 与其他两种围护体 系的经济效果对比 系作 了比较 ， 见表 2所示。 笔者在设计过程 中， 除了将新型 围护与原 围护 表 2 新设计方案与传 统围护体 系经济效果对 b 很明显 ， 高压旋喷桩 内插预应力钢筋混凝土方 桩 围护体系除了具备 2种施工工艺本身的一系列优 点外 ， 在经济性方面也更胜于其他几种常用 的传统 基坑围护体系。 4 结 语 设计和施工实例表明， 高压旋喷桩内插预应力 钢筋 昆 凝土方桩围护体系在软土地基中完全可以发 挥其 良好的挡土止水效果 。这种新型的围护体系有 效降低了建设成本 ， 同时满足了基坑围护施工安全 、 高效、 经济且环保的要求， 可在今后的建设项 目中进 行推广。 参考文献： 1 徐洪球 ， 姚燕明 小 型预制桩用 于 S MW 工法基 坑 围护 结构 的 计算分析 J 工程建设 与没计 ， 2 0 0 3 ， ( 6 ) 2 吴水根 ， 康殿丙 ， 先张预制抗拔方桩应用研究及 技术经济分 析 J 结构工程师 ， 2 0 0 9 ， ( 4 ) 3 0 4 G 3 6 1 ， 预制钢筋混凝土方桩 s 4 G B 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ， 建筑地基基础设计规范 s 5 曾国熙 ， 等 桩基工程 手册 M 北京 ： 中 国建 筑工业 出版社 ， 1 9 95 6 龚晓南， 等， 深基坑工程设计施工手册 M 北京： 中国建筑工 业 出版社 ， 1 9 9 8 7 刘作昌， 高立明， 杨辉廷， 等 新泰盛世佳苑摆喷帷幕止水与桩 锚支护应用实例 J 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 5 ) ： 3 94 1 8 贺启鑫， 张智博， 季玉国， 等 大连临海超大深基坑旋喷桩止水 帷幕施工技术 J 探矿工程 ( 岩土钻 掘工 程 ) ， 2 0 1 0 ， 3 7( 1 2 )： 5 45 7