三轴水泥土搅拌桩止水帷幕与锚索钻杆施工组合应用技术

如今，社会各界对施工安全的关注度日益提高，不论是政府、企业、施工项目均以安全为第一要务开展建设工作，规范要求不断从严，而基坑工程当属施工安全的重中之重，起着至关重要的作用。基于此大环境前提下，所创造的一种满足基坑施工安全以及为后续施工提供安全环境的技术。

通过对北京市平谷区马昌营镇（沥青厂）项目面临的实际基坑支护及降水施工中遇到的问题，经过不断探讨研究，创造以及应用的一种三轴水泥土搅拌桩止水帷幕与锚索钻杆施工组合运用技术，有效解决了多层地下水以及厚层粘性土层（多为粉质）并存在换填地基所造成的锚索成孔困难、塌孔等问题，提高了经济效益和工程质量，满足工期要求，保证了施工安全。

1工程水文地质条件

1.1工程地质概况

该工程位于北京市平谷区马昌营镇，共有8栋住宅楼及地下车库，住宅楼均属于共有产权房，地下2~3层。建设场地位于冲洪积平原范围内，拟建场地原为北京某沥青制品厂厂址，自2016年场地腾退后开展场地环境评价工作，随后进行场地土壤治理，现土壤治理已完成并通过相关验收。现状场地主要为场地治理施工后的空地，较为平整。实测的勘探孔口位置标高为28.510~29.310m，场区范围内岩土构成情况如下。

1.1.1人工堆积层

表层主要为平均厚度在0.70~5.50m（钻探揭示）人工堆积的杂填土①层及重粉质粘土素填土、粉质粘土素填土① ₁ 层。

（1）杂填土①层：杂物、局部含粘质粉土素填土。该层的厚度为0.50~3.90m，层底标高为24.910~28.300m。

（2）重粉质粘土素填土、粉质粘土素填土① ₁ 层：局部夹粘质粉土素填土薄层。该层厚度为0.40~5.50m，层底标高为23.560~27.970m。

1.1.2新近沉积层

（1）粘质粉土、砂质粉土②层：夹粉质粘土、粉砂薄层。该层厚度为1.00~4.50m，层底标高为20.290~26.190m。

（2）重粉质粘土、粉质粘土② ₁ 层：夹粘质粉土、粘土薄层。该层厚度为1.80~3.20m，层底标高为21.510~25.840m。

（3）粘土② ₂ 层：夹粉质粘土薄层。该层厚度为0.60~1.60m，层底标高为20.700~23.490m。

（4）粉砂、细砂② ₃ 层：夹砂质粉土薄层。该层厚度为0.90~1.30m，层底标高为22.150~22.580m。

1.1.3第四纪沉积层

（1）重粉质粘土、粉质粘土③层：夹粘质粉土薄层。该层厚度为6.50~7.30m，层底标高为12.950~15.620m。

（2）粘质粉土、砂质粉土③ ₁ 层：夹粉质粘土、粉砂薄层。该层厚度为0.90~2.40m，层底标高为19.700~20.730m。

（3）粘土③ ₂ 层：夹粉质粘土薄层。该层厚度为1.30~1.90m，层底标高为18.330~19.880m。

（4）粉砂③ ₃ 层：夹砂质粉土薄层。该层厚度为0.60~1.50m，层底标高为19.680~20.670m。

（5）重粉质粘土、粉质粘土④层：夹粘质粉土薄层。该层厚度为3.80~5.20m，层底标高为9.980~10.740m。

（6）粘质粉土④ ₁ 层：夹粉质粘土、粉砂薄层。该层厚度为2.30~3.40m，层底标高为7.780~9.840m。

（7）粘土④ ₂ 层：夹粉质粘土薄层。该层厚度为0.80~1.40m，层底标高为11.350~12.490m。

（8）粉质粘土、粘质粉土⑤层：夹砂质粉土薄层。该层厚度为4.50~6.10m。

（9）重粉质粘土、粘土⑤ ₁ 层：夹粘质粉土、砂质粉土薄层。该层厚度为0.80~1.20m。

（10）细砂、中砂⑥层：夹砂质粉土薄层。该层一般厚度为4.00~6.50m。

（11）圆砾⑥ ₂ 层：含中砂约20%~30%，局部含少量卵石。

由以上土层分部可看出，工程地质条件的主要难点在于人工填土层一般土质不均、成分复杂，回填时间较短、一般未完成自重固结，工程性质较差。其次，其他土质含粉质粘土及砂质粉土，均会对本工程的基坑施工产生一定的不利影响。另外，受工程建设活动影响，场地内部分区域人工填土厚度可能有一定的变化，同样对基坑支护与降水有一定影响。

1.2水文地质条件

在本场区进行岩土工程勘察时，钻孔中实际测得有4层地下水，实际测得的地下水位情况见表1。

表1实际测得的地下水位情况

2　三轴水泥土搅拌桩止水帷幕及基坑降排水施工方案

2.1场区内地下水控制方案选择

基坑开挖深度范围内存在多层地下水，且场区邻近主干道及既有住宅小区，对基坑边坡安全影响较 大。经过综合考虑后，确定本方案地下水控制采用以下措施。

（1）采用三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，保护周边水文地质条件，确保地基及周边管线、建筑物不沉降、不变形，同时也对基坑起到一层隔水、止水保护的功能。

（2）基坑上口线外一定范围场地需硬化，设置排水沟，且排水沟尽量远离基坑上口，用以避免坑外雨水等进入基坑，保护基坑边坡安全。

（3）基坑设置疏干井，坑外设置应急井，肥槽内设置300mm×300mm排水盲沟，沟内填充碎石，且每隔20~30m设置1个集水井。集水井深1000mm，成井直径为600mm，内置 ?400mm的无砂混凝土管，场区内设置地下水位观测孔，随时监测地下水位情况，水位升高或遇有积水立即进行降排水。

通过以上措施，可很好地阻隔地下水，满足基坑开挖、支护要求，为后续灌注桩施工提供了便利条 件，满足安全施工的要求，在进行基坑作业的同时，也最大限度地保护了周边环境。

2.2三轴水泥土搅拌桩止水帷幕主要施工方法及要点

三轴水泥土搅拌桩施工工艺如图1所示。具体施工要点如下。

图1三轴水泥土搅拌桩施工工艺示意

（1）三轴水泥土搅拌桩止水帷幕施工应在护坡桩施工完成后。

（2）三轴水泥土搅拌桩采用套接一孔法施工，桩体施工必须保持连续性，形成水泥土搅拌墙，确保防渗可靠性。

（3）施工前应准确定位，确定搅拌桩孔的中心位置。

（4）三轴搅拌桩桩机立柱导向架垂直度偏差小于1/250。

（5）施工控制参数。钻头搅拌下沉速度宜控制在0.5m/min，提升速度宜控制在0.8~1m/min，并保持均匀下沉与匀速提升。在水泥土搅拌桩成桩过程中，如遇故障停止喷浆，应在12h内采取补喷措施，补喷重叠长度不小于1.0m，需严格按照设计要求控制施工质量。

（6）三轴水泥土搅拌桩桩径650mm，桩间搭接250mm，初凝时间45min，共2202根，桩长13m，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6~0.8，水泥掺和量为15%~20%。制浆时水泥浆拌和时间不能过短，否则容易离析。水泥浆存放时间不能超过2h，注浆压力为0.4~0.6MPa，以浆液输送能力控制，通过控制注浆压力和泵送量，使水泥浆均匀地喷浇在桩体中。

（7）桩与桩的搭接时间不宜大于24h，若因故超时，导致无法搭接或搭接不良，应作为冷缝记录在案，并经设计单位认可后，采取在搭接处补旋喷桩等技术措施，确保止水帷幕的施工质量。

（8）第一次提升喷浆搅拌。搅拌头下沉至设计深度后开启灰浆泵，待浆液到达出浆口在桩底喷浆30s后，喷浆头边喷浆边提升搅动，使浆液与土混合均匀。搅拌头提升速度控制在1m/min。具体数据以施工前的试验桩取得的数据为准。

（9）第二次搅拌下沉和喷浆提升。搅拌机提升至设计标高时，关闭灰浆泵后再如前所述一样，搅拌下沉，下沉时搅拌均匀。搅拌下沉速度宜控制在0.5m/min，并保持均匀下沉与匀速提升，钻头到桩底后搅拌喷浆1~2min。搅拌头下沉至设计标高后，如前述一样，进行第二次搅拌提升。搅拌头提升速度和第一次提升速度相当。

（10）施工时若因故停浆，应将搅拌头下沉至停浆面以下0.5m，待恢复供浆时再喷浆搅拌提升。若停浆3h以上，宜先拆除管路，冲洗后再施工，以防止堵管。

（11）设置专人对每根桩的水泥掺量、搅拌情况和施工情况做详细记录。尤其记下搅拌头每次下沉深度、搅拌头提升的次数与时间、浆液的泵送时 间等。

3护坡桩与锚索钻杆施工组合支护方案

3.1基坑支护方案选择

本工程拟建场区受地质、水文等环境影响，共有以下问题需要在基坑支护方案选择中进行考量。

（1）依设计要求，基坑的安全等级为二级。

（2）场区周边有道路及成片住宅小区，需保护周边环境，防止水土流失。

（3）拟建场地经过土壤治理，土质不均，成分复杂且较松散。

（4）基坑开挖深度最深处为10.28m，属于超过一定危险性的专项工程，有一定施工难度，容易发生危险。

（5）按上文所述，本工程场地浅部分布有人工填土层，场区地质条件中土质含粉质粘土及砂质粉土，易松散。

（6）按上文所述，场区存在4层地下水，地下水埋深较浅且承压水具有承压性，场区受地下水影响较大。

综合考虑上述6个问题，发现此基坑施工存在边坡失稳、坍塌，坑底隆起以及边坡或基底涌水、流沙、突涌风险。同时为了保护周边环境，防止水土流失，确定基坑支护方案为桩锚式排桩支护（护坡桩+2道预应力锚杆）。

3.2护坡桩主要施工方法及要点

（1）护坡桩桩身混凝土强度等级为C25，桩径600mm，钢筋笼主筋保护层厚度为50mm，共811根护坡桩。钻尖与桩点偏移不得大于10mm，因桩距较小，为保证不发生串孔，采取跳打法施工。

（2）灌注时必须连续进行，泵斗内要有一定的混凝土容量，混凝土容量要高出进料口40cm以上，以防吸进空气。当泵口混凝土低于进料口时应即时通过口哨通知钻机停止提升钻杆，待混凝土搅拌好时再进行灌注。

（3）在灌注过程中，孔底1~2m段提钻速度放慢，中段可快些，上部3m放慢。直至达到设计标高，并超出设计标高0.500m停止灌注。

（4）混凝土灌注充盈系数不得小于1.0。

（5）桩位要统一编号，逐一填写记录表，防止错打或漏打。

3.3锚索钻杆施工方案

3.3.1干钻法与湿钻法对比分析

目前，随着我国社会经济的不断发展，高楼遍地而起，楼层越来越高，基坑也越挖越深，对于基坑工程的支护安全是一项重大考验，锚索钻杆施工就是基于此背景下不断被运用的施工方法。

锚索钻杆施工依据其成孔方式分为干钻法和湿钻法，本工程对于锚索钻杆施工的成孔方式，即干钻法和湿钻法的相应技术指标进行对比，具体见表2。

表2锚索钻杆施工干钻法与湿钻法对比

3.3.2锚索钻杆施工方法综合选择与确定

起初，为了不扰动原状土、施工噪声及施工进度等原因，锚索钻杆施工方案选择干钻法，而出于对工程质量及支护安全的考虑，决定在第一道锚索钻杆施工进行一次试成孔，检验施工工艺及技术要求是否适宜。

首先在场区内选择了3组锚索钻杆的试成孔检测区，分别设在基坑的北、西、东3个方向，每组3根锚索。其次应用干钻法施工成孔、二次注浆等工艺施工。待锚杆固体结构的强度达到可进行预应力张拉锚固时，开始对锚杆进行预应力张拉锚固，此时出现张拉值远小于锚杆轴向拉力标准值，且出现预应力筋直接拉脱现象，判定锚索锚杆施工质量不达标，试成孔检验结果为不合格。

通过对此次试成孔施工过程、工艺等进行分析、研讨，发现造成此次检验不合格因素主要有以下 几点。

（1）钻孔速度快，预计孔道内发生塌孔。

（2）清理不到位，残土、沉渣多。

（3）通过地质勘探报告可以看出，该项目地区地质土体易松散，不够密实，易发生塌孔现象。

（4）干钻法施工只能在地下水位以下进行，由于未对场区外土体进行勘探，可由施工场地的地质勘探报告推算场外同样存在多层地下水，对应剖面第一道锚杆孔口埋深2.5?m。依据图纸及试成孔位置，选择支护结构1–1剖面及剖面进行具体分析，如图2 所示。

图2支护结构1–1剖面示意

由图2可知，第一道锚杆施工角度15°，剖面1–1锚杆总长22m，自由段6.5m，锚固段15.5m，计算锚固段的对应剖面埋深为：

H ₁ （锚固段最深处对应剖面埋深）=sin15°× L ₁ （锚杆总长）+ H ₀ （孔口埋深）16.80?m。

H ₂ （锚固段浅处对应剖面埋深）=sin15?°× L ₂ （自由段长）+ H ₀ （孔口埋深）6.725?m。

计算可知，剖面1–1锚杆埋深为6.725~16.80m，对比以上地下水水位埋深可知，有部分锚固段在地下水中，由于锚杆是延伸出场区外进行锚固，场外未进行地下水控制，且自由段穿越多层地下水，在使用干钻法成孔时极易发生塌孔，且孔道内残土、沉渣 多，对锚索锚杆施工质量产生很大影响，无法保证施工质量。

通过对以上4个因素研究分析，发现本工程采用干钻法不能很好地完成锚杆施工，无法保证施工质量与支护安全。由于场外地下水对施工的影响，依据上述的干钻法与湿钻法成孔的对比分析，项目更改施工方案，锚索钻杆施工的成孔方式由干钻法变更为湿 钻法。

3.3.3锚索钻机钻杆浆液回收施工技术应用

在确定了锚索钻杆施工的成孔方式为湿钻法后，出于对安全、成本、进度和节约水资源等方面的考 虑，项目部发明创造了一种锚索钻机钻杆浆液回收施工技术。

锚索钻杆泥浆回收装置通过不锈钢管筒内壁丝扣直接安装在锚索钻机钻杆出浆孔位置，安装时保证预留支管孔与锚索钻杆出浆孔对齐，在管筒预留出浆口安装塑料软管，软管通过预留管箍固定在预留回收浆液支管上，当锚索钻孔施工时，钻杆浆液通过钻杆出浆口流向回收支管口，经过浆液回收软管管路，最终由浆液回收软管将锚索钻进成孔产生的泥水排放至泥浆沉淀池内，沉淀后的泥浆再通过锚索钻机的进水管进入到孔内，进行循环利用。

锚索钻机钻杆浆液回收装置包括定位架、定位管、主套筒和分流支管、回收软管和泥浆池，如图3所示。

图3装置结构示意

采用此项技术后，待锚杆固体结构的强度达到后进行张拉锚固，张拉值和锚固值均满足设计要求。

此项技术改变了湿钻法在基坑锚索施工时钻杆出浆口排出的泥水在基坑内四处溢流，不仅影响后续基坑开挖施工效率，还浪费水资源以及增加大批量锚索施工的成本，能够实现基坑锚索钻杆施工时产生的泥浆100%回收及循环利用，节约水资源，提高后续施工的工作效率，可为大批量锚索施工带来经济 效益。

3.3.4锚索钻杆施工要点

（1）锚杆施工时应与土方施工密切配合，严格控制每层锚杆土方开挖深度，禁止超挖。

（2）共1305根锚索，设有两道锚杆，第一道锚杆孔口埋深2.5m，施工角度15°，第二道锚杆为避开建筑物，孔口埋深6.0m，施工角度25°，通过大角度锚杆，将锚杆末端延伸至既有建筑物下方。

（3）锚杆采用跳打法隔孔施工，待相邻锚杆的浆体完全凝固后，方可进行该锚杆的施工。

（4）成孔后及时注浆，并采取二次压力注浆措施，注浆用水泥浆的设计水灰比为0.50~0.55，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。注浆压力应不大于上覆压力的2倍，且应不大于5MPa，且不小于1.5MPa。注浆宜在固结体强度达到5MPa后进行；第二次注浆应水泥浆初凝后终凝前进行，终止注浆压力不小于1.5MPa。

（5）锚杆张拉后应保留钢绞线一定长度，以保证锚杆二次张拉。加强锚杆轴力监测，当预应力小于设计锚固值20%时，应进行补张拉。

4结束语

根据场地多层地下水的特殊情况，采用的三轴水泥土搅拌桩止水帷幕可很好地阻隔地下水，保护周边的环境。后续运用了护坡桩以及锚索锚杆支护形式，为基坑侧壁安全提供了有力保障。施工期间也发生过方案选择错误的情况，但因及时改正，避免了对工期和成本造成浪费。锚索钻机钻杆浆液回收施工技术更是降低了成本和提高了施工效率，同时保护了周边环境和节约水资源。经过对整个地基基础工程的实际测算，应用本施工技术后，综合成本降低约17%，工期缩短7d。

综合上述的三轴水泥土搅拌桩止水帷幕与锚索钻杆施工组合应用技术，根据进行了连续1年的支护结构桩顶、坡顶水平、竖向位移监测和基坑周边地表水平、竖向位移监测，监测结果均为合格，没有发现位移过大的情况，说明这种组合应用技术的可行性，也说明项目部应用的锚索钻机钻杆浆液回收施工技术值得推广应用。