浅谈钢管桩结合高压旋喷桩在水闸深基坑支护中的应用

浅谈钢管桩结合高压旋喷桩在水闸深
基坑支护中的应用
摘要：通过钢管结合双管法高压旋喷桩在深基坑支护中的应用工程实例，介绍了钢管结合双管法高压旋喷桩的主要设计过程、施工工艺、主要技术参数的确定及施工质量控制方法，通过理正深基坑计算软件验证钢管结合双管法高压旋喷桩在场地受限条件下的良好适用性。

关键词：钢管桩；高压旋喷桩；深基坑；围护结构；水闸
引言：随着城市建设、城市水环境提升、水安全的逐渐重视，河道中水闸的
建设成为其中重要的版块，然而在城市构筑物附近、地下管线高度密集、空中高
压电线等存在的前提下，对于水闸基坑的施工提出了更为苛刻的要求。

在常用的
深基坑围护结构中，地下连续墙、灌注桩、钢板桩等施工方法采用的大型施工机
械设备对施工场地的平面和竖向有较高的要求，例如高压电线存在区域，长螺旋
旋挖机等大型施工机械设备就发挥不出其优势。

土钉墙、重力式水泥土墙等维护
结构，一方面其适用的基坑深度一般较小，另一方面对于我国南方沿海软土地基，土钉墙难以形成有效的锚固端。

而采用钢管结合高压旋喷桩的方法不仅施工机械
设备灵活，且能保证基坑的安全。

本文介绍了钢管结合高压旋喷桩在广州市黄埔
区双岗涌水闸深基坑支护中的应用，作为受场地条件及高压线净空限制，且地质
复杂的深基坑工程，为以后本地区类似工程的设计、施工提供了一些参考经验。

1 工程简介
1.1 工程概况
广州市黄埔区某新建水闸位于黄埔区红山街道内，现状水闸左岸为新建市政道路，右岸紧邻河道为一大型船厂，水闸主要由内涌海漫、内涌消力池、闸室、外江消力池、外江海漫组成。

水闸顺水流方向总长度93m，采用单孔下卧式闸门，闸室净宽12m，总宽度18.7m。

水闸左岸设置三套冲淤设备。

水闸设计标准与珠
江前航道堤防一致，为200年一遇设计标准。

水闸上方现状有三路高压电缆通过,其中高压线最低点距地面约11m高。

本次水闸基坑设计安全等级为二级。

水闸基坑设计纵向长度62.5m，净宽20.7m。

最大开挖底高程-5.05m，现状地面高程约3.0m，基坑开挖深度 6.51~8.05m。

水闸基坑左岸距设计导流明渠最小距离约8.6m，右岸距文冲船厂围墙最小距离为4.7m，水闸基坑周边现状情况如下图：
图1 水闸基坑周边现状图
1.2 工程地质
本工程基坑支护左岸至上而下主要地层分布为1素填土层，2-2淤泥质土，
2-3中粗砂，2-4淤泥质土，3砂质年粘性土，4-2强风化花岗岩，4-3弱风化花
岗岩。

其中：
1-1层杂填土、1-2层素填土，为稍密，局部松散，孔隙比0.918~0.924，压缩系数0.463~0.62 MPa-1，中等~高压缩性，根据经验渗透性弱~中等。

2-1层粉质粘土层，可塑状，含水率20.1%，孔隙比0.57，压缩系数0.259MPa-1，中等压缩性，承载力一般，局部较低，渗透性弱。

2-2层淤泥质土层，软流塑状，含水率38.7%~74.8%，孔隙比1.05~1.89，压缩系数0.806~1.751MPa-1，高压缩性，承载力较低，渗透性弱。

2-3层中粗砂层，稍密，承载力好，渗透性中等～强透水。

2-4层淤泥质土层，软流塑状，高压缩性，承载力较低，渗透性弱。

3层砂质粘性土，可塑~硬塑，压缩系数0.2~0.584 MPa-1，中等压缩性，承载力较好，渗透性弱。

4层基岩风化层，为全~弱风化，承载力好，渗透性弱。

具体地质情况及地层物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数建议值
1.3 水文地质
工程区地下水水位埋深一般为0.65m～3.00m，标高为-0.16m～2.04m；初见水位埋深为0.73m～3.70m，标高为-0.86m~1..37m。

地下稳定水位为钻孔终孔后24小时后所观测水位，由于野外作业期短，所实测的地下水位与设计及施工期间
的地下水位会存在一定差别。

根据对周边场地地下水位的调查及走访，结合地区经验，本场地地下水水位年变化幅度约1m～3m，实测的地下水稳定水位与设计和施工期间的地下水位存在一定的差别，设计、施工时应予以注意。

2 设计方案
2.1 基坑支护方案
水闸基坑开挖深度6.51~8.05m，开挖高程-3.25m~-5.05m，施工平台设计位
于0.00m高程处，基坑支护设计受左岸导流明渠、右岸船厂及上部高压电缆影响，其中上部高压电缆距0.00m高程处约14m，考虑高压电缆保护范围，可供施工的
竖向空间仅为8m左右。

由于上述边界条件的限制，若采用放坡、地下连续墙、
灌注桩、钢板桩等常规支护方案，成槽机、冲击钻、旋挖钻均不能在此场地内开
展施工。

经多方案比选后结合以往施工经验，并充分考虑水闸需在本枯期段施工
完成。

经计算分析，采用带内支撑体系的钢管桩结合高压旋喷桩止水帷幕的方法
是可行的。

本次基坑支护设计支护桩顶高程为0.00m，上部采用放坡型式，坡率1：1.75，支护钢管桩采用φ180×10无缝钢管，钢管长度10m，钢管外侧采用双排φ600~500高压旋喷桩止水帷幕。

闸室段采用两层32b工字钢腰梁，腰梁垂直距离2.5m，内支撑体系采用φ580×16钢管，间距10m布置，其中闸室段竖向支撑两道，上下游消力池段支撑1道，考虑到水闸基坑宽度较大，在水闸中部设置500×500钢格构立柱一道，立柱采用拓展基础。

水闸基坑支护平面布置图见图2所示：
图2 水闸基坑支护平面布置图
2.2 计算验证
本次水闸基坑支护结构计算软件采用理正深基坑排桩模块（7.0版），计算选取最大开挖深度即闸室段左右岸各一个断面进行计算，其中左岸最大开挖深度8.08m，右岸最大开挖深度7.95m。

计算考虑坡顶超载15kpa，坑内最终降水深度取基坑一下0.5m。

同时考虑分层开挖，先支撑后开挖，支撑超挖深度0.5m。

计算结果中围护结构变形量采用弹性法计算成果，坡顶沉降采用抛物线法计算成果。

右岸基坑支护计算模型详见图2，左岸基坑支护计算模型详见图3。

图3 闸室段右岸深基坑计算模型
图4 闸室段右岸深基坑计算模型
图5 闸室段支护结构最大变形曲线图（左侧为右岸计算结果，右侧为左岸计
算结果）
表2 理正深基坑支护计算结果表
根据上述理正深基坑计算结果，钢管桩结合高压旋喷桩止水帷幕在各项计算指标上均满足相关规范要求，同时钢管桩施工及高压旋喷桩施工设备高度均低于8m的允许施工空间，从理论计算及可实施性来说，本方案均是可行的。

2.3 施工效果
水闸基坑于2019年底进场施工，于2020年1月开挖至设计高程，施工期位于枯期，基坑开挖期间旋喷桩止水效果良好，整个施工期间未见有地下水渗入基坑，整个施工期间，检测基坑变形值均小于规范要求，在满足水闸基坑稳定的同时，较好地保护了附近构筑物及市政设施。

同时体型较小的施工机械也解决了水闸上部施工空间受限的问题。

图6 水闸基坑开挖施工现场照片
3 施工工艺及质量控制
3.1 施工工艺流程
高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、（空气）从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。

旋喷桩施工工艺流程：施工准备→测量定位→钻机就位→钻孔、插管（制备水泥浆）→喷射注浆→成桩→桩机移位。

无缝钢管施工工艺流程：钻孔定位→钻机就位→钻孔及跟管（接管）→清孔→注浆（视现场请款进行二次注浆）→养护→钻机移位。

（1）测量定位：根据施工平面布置图采用全站仪测出高压旋喷桩及无缝钢管钻孔中心位置和标高。

（2）钻机就位：将钻机安置在现场精确测设的控卫上，使钻头对准空位中心，钻机安装定位应准确、水平、稳固。

钻机就位后做水平校正，钻杆垂直度应<1%，就位后，进行低压（0.5MPa）射水试验，检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。

（3）钻孔、插管：高压旋喷桩钻孔和插管两道工序可以合二为一。

开钻前，根据设计桩长选用钻杆，并逐一丈量钻杆，计算钻具总长，再减去设计桩长即为机上余尺，利用机上余尺控制成孔深度，确保达到设计要求。

钻孔位置与设计孔位偏差不得大于5cm，桩机移位时，即开始按试验最终确定的水灰比制备水泥浆。

（4）喷射注浆：注浆过程应严格执行试验最终确定的施工技术参数或设计提供的技术参数，控制好注浆压力和提升速度，并做好施工记录。

（5）桩机移位：施工完成后，应冲洗干净注浆管等机具设备，再将钻机等设备移至新孔位。

（6）高压旋喷桩达到设计强度后，采用地质钻在设计钢管桩位置处钻孔，清孔合格后下φ180钢管，按设计水灰比进行注浆。

3.2 主要技术参数
在高压旋喷桩施工前，应现在施工场地施工三组试验桩，以确定最佳的施工技术参数。

未进行试桩时，旋喷桩施工参数可初定为：浆液扩散半径不小于600mm, 旋喷桩有效搭接宽度根据排数分别不小于100（双排）和200（单排），水泥采用P.S42.5，浆液水灰比 1.0～1.1(根据实际土层情况在此范围内适当调整)，注浆压力不小于20 MPa，提升速度10~20cm/min，旋转速度20r.p.m。

水泥掺合量：高压旋喷桩每延米桩长水泥用量不小于200kg。

桩位位置偏差±5cm，垂直度允许偏差±1%；
桩身完整性检测应在桩身强度达到设计后进行，可采取现场开挖、抽芯等方法，检测数量不小于施工孔数的2%，且不得小于6根。

钢管注浆采用充填型注浆的方式，注浆采用P.S42.5级水泥浆，水灰比1.2，流量不宜大于20L/min，注浆管单次上拔高度宜为0.5m；应采用跳孔间隔注浆、先外围后中间、自下而上的注浆顺序，当地下水流速较大时，应从水头高的一端开始注浆，直至浆液从钢管顶口流出浓浆为止。

3.3 质量控制要点
（1）旋喷桩、无缝钢管等施工材料进场前应进行检验，合格后方可使用。

（2）测量定位准确，钻杆垂直，搭接合规，桩心偏差控制在±5cm。

（3）严控施工流程，确保旋喷桩的质量。

特别是在注浆提升过程中应保持钻杆的旋转和提升连续不断，拆卸钻杆继续旋喷时，其搭接长度不小于100mm。

（4）无缝钢管上每个20cm加工φ10mm泄浆孔，成梅花型布置。

无缝钢管采用套管连接，相邻钢管连接位置应错开1m。

（6）注浆前应先冲洗钢管内杂物，再将注浆管插入孔底，采用水灰比 1.2水泥浆由下往上顺序注浆，直至浆液从钢管顶口流出浓浆为止。

4 结语
通过对广州市黄埔区某新建水闸基坑采用φ180×10钢管桩结合高压旋喷桩结构支护的工程设计实例，表明在施工场地受限，尤其是施工净空受限的条件下，无法采用地下连续墙、钢板桩、灌注桩等常规支护结构的情形下，采用钢管桩结合高压旋喷桩的支护方案是可行的，其围护结构具有施工灵活、基坑变形安全均有保证。

本文为城市水闸工程在受施工场地限制，且地质条件复杂的影响下，不能采用常规的施工方法的情形下提供了一些设计参考。

同时本方法也存在一定的局限，例如相对于地下连续墙、灌注桩等具有刚度强度小、需要施工内支撑、与水闸结构施工存在干扰等因素。

另外由于时间仓促，本方案设计尚有许多地方需要进一步完善。