CN109881696A - 一种hppg封底施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种HPPG封底施工方法，包括下列步骤：a)根据设计基坑的深度，确定一个更深的封底施工深度；b)确定在封底施工深度处固结体设计直径D不小于600毫米；c)确定固结体在封底施工深度平面上的排列分布，相互之间形成相互咬合的大体密排六方或者梅花形阵列；d)按照确定的固结体排列分布对底层打孔，直到封底施工深度；e)在封底施工深度处，利用压缩空气和高压水泥浆对地层进行旋喷，形成直径不小于D的水泥浆和泥土浆之混合泥浆体；f)让混合泥浆体凝固成水泥土固结体，高度不小于100厘米，抗压强度不低于1.0MPa。固结体只要能达到所述排列、尺寸和强度，就能达到封底止水防涌的效果。

Description

一种HPPG封底施工方法

技术领域

本发明涉及受地下水影响需要对底部工作面进行加固和止水处理的方法。

背景技术

在地下工程施工过程中，如：明、暗挖基坑、隧道等，为了控制地下水，悬挂式帷幕+坑(洞)内抽水是目前一种有效的方法。在条件允许的情况下，相对于落底式帷幕可以显著的减少工程造价。但在某些情况下，由于底部工作面处理不当，在地下水的影响下，会引发一系列工程问题。

按照底部工作面和含水层位置的关系，上述工况下出现的工程问题可以大致分为两大类。底部工作面位于含水层内：止水帷幕没有打入有效隔水层，坑(洞)内外部含水层(潜水或承压水)相互联通，在进行坑(洞)内抽水时，会造成水资源浪费，同时引发地面沉降，对周边环境造成影响。底部工作面位于含水层上部：止水帷幕没有打入有效隔水层，坑(洞)内外部含水层联通，随着坑(洞)内抽水、开挖的进行，底部工作面由于下方承压水的压力，会发生承压水突涌，底部隆起，涌水、涌砂的现象。上述两种情况的示意图见图1。

目前处理上述问题的方法有止水帷幕隔断、深井降水减压、封底三种常用的处理的手段。止水帷幕隔断是指在基坑周边设置止水帷幕，止水帷幕的底部进入有效隔水层起到止水的作用，但当有效隔水层埋深较深时，止水帷幕的高度会大大增加，造价也明显增大。深井降水减压，是通过在承压水层中打入降水减压井，降低基底的承压水水头高度，但在实际工程中由于场地的原因使用受限，且这样抽排地下水会引起地面沉降和地下水资源的浪费。封底是通过在基坑底部进注浆，起到加固基坑底板和止水的效果。封底的方法有：a.采用高压旋喷注浆法，在开挖前于基坑底面以下做成与坑周围帷幕结构为整体的隔水底板；b.采用注浆法或者高压旋喷注浆法，在开挖之前做成与坑周帷幕结构为一体的隔水底板；c.采用冻结法，在开挖前于基坑底面以下做成与坑周围帷幕结构为整体的隔水底板。

发明内容

本方法的目的是通过在工作面底部进行高压旋喷+双液注浆达到加固基底，防止工作面底部出现渗水涌砂的现象，适用于各种明挖、暗挖、浅埋暗挖法(侧洞法、中洞法、洞桩法)施工的基坑、隧道等工程，受地下水影响，需要对其进行封底的情况。

为此，本发明提供一种HPPG封底施工方法，包括下列步骤：

a)根据设计基坑的深度，确定一个更深的封底施工深度；

b)确定在封底施工深度处固结体设计直径D不小于600毫米；

c)确定固结体在封底施工深度平面上的排列分布，相互之间形成相互咬合的大体密排六方或者梅花形阵列；

d)按照确定的固结体排列分布对底层打孔，直到封底施工深度；

e)在封底施工深度处，利用压缩空气和高压水泥浆对地层进行旋喷，形成直径不小于D的水泥浆和泥土浆之混合泥浆体；

f)让混合泥浆体凝固成水泥土固结体，高度不小于100厘米，抗压强度不低于1.0MPa。

固结体只要能达到所述排列、尺寸和强度，就能达到封底止水防涌的效果。

最好，在步骤e)，同时进行高压空气旋喷。这样，既可以提高作业效率，又能获得更大尺寸或者材质均匀的固结体。

更好，在步骤e)，水泥浆液压力不小于0.2MPa，浆液比重1.60～1.80吨/m3，压缩空气压力不小于0.5MPa，高压水压力不小于30MPa。当然，更高的水压，作业效率更高。

更好，在步骤e)，浆液比重1.60～1.80，浆液压力不小于20MPa，压缩空气压力不小于0.7MPa。当然，浆液压力，作业效率更高。

更好，在步骤e)，旋喷转速不小于20转r/min。

最好，在步骤e)，相邻的三个固结体之圆心构成一个正三角形的顶点，正三角形边长为0.7-0.8D。这样，相邻固结体之间就能结合紧固，并相对节省灌注材料且兼顾提高效率。

最好，在步骤e)，D等于800毫米，正三角形边长为600毫米。

最好，注浆结束标准：当注浆量小于20升/min，压力表读数稳定大于2.5Mpa后持续稳定15min，步骤e)结束。这兼顾到注浆的充盈度和施工效率，同时也不至于憋泵。

附图说明

图1悬挂式帷幕+坑(洞)内抽水常见的两种问题；

图2高压旋喷注浆的三种方法；

图3施工现场地质剖面图；

图4施工现场封底加固示意图；

图5旋喷桩孔位示意图；

图6旋喷桩施工流程图；

图7注浆孔布置示意图；

图8注浆施工流程图；

图9注浆系统布置图。

具体实施例

在介绍该HPPG封底施工方法之前,先对该HPPG进行一定的阐述：

H指high(高的意思)，P指pressure(压力、压强的意思)，P指pile(桩的意思)，G指grouting(灌浆、注浆的意思)，其中，HP即高压，PG即桩+注浆。HPPG，是high pressurerotary grouting pile and grouting的缩写，即高压旋喷桩+注浆。

本发明的封底施工技术已成功应用于某市地铁站施工，节约了宝贵地下水资源，实现的社会经济价值不可估量。此外，封底施工技术的成功实施避免了车站周边很大范围内的地面沉降变形，防止了周边路面、地下管线及建(构)筑物开裂，倾斜和下沉，保证了周边居民的正常生活，创造了良好的社会效益。该实施例的要点如下：

1.高压旋喷桩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乃至于空气成为20～40MPa(上限受现有泵机经济技术性能所限)的高压射流从喷嘴中喷射出来，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，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。根据喷射方法的不同，可分为单管法、二重管法和三重管法。

单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。二重管法：又称浆液气体喷射法，是用二重注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在土中凝固，形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。三种注浆工艺的示意图见图2。

本工程中要求的成桩直径为800mm。三重管法由于成桩质量好，效率高，结合本工程的地层条件，主要选择该工艺作为成桩的手段；单管法和二重管法在能够达到设计要求的条件下也有使用。三种工艺推荐的技术参数如下：

(1)单重管法：浆液压力20～40MPa(上限受现有泵机经济技术性能所限)，浆液比重1.30～1.49，旋喷速度20r/min，提升速度0.2～0.25m/min，喷嘴直径2～3mm，浆液流量80～100L/min(视桩径流量可加大)。

(2)二重管法：浆液压力20～40MPa，压缩空气压力0.7～0.8MPa。

(3)三重管法：浆液压力0.2～0.8MPa(上限受现有泵机经济技术性能所限)，浆液比重1.60～1.80，压缩空气压力0.5～0.8MPa，高压水压力30～50MPa(上限受现有泵机经济技术性能所限)。

2.双液注浆注浆是指通过外界作用力如液压、气压或其他方法将浆液通过注浆管压入地层中，排出土体中的水和空气，填充上浆液；利用浆液将土体固结后粘结成一个整体，从而改善被注土层的物理力学性质，提高土体强度和稳定性，降低渗透性，以达到加固或堵水的工程目的。

注浆材料是注浆工程的关键因素之一。目前注浆材料种类归纳起来可以区分为两大类：溶液型和悬浊型。溶液型注浆材料又叫化学浆材，分为水玻璃类、木质素类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、聚氨酯类、环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类、脲醛树脂类和其他类化学注浆材料。悬浊液型注浆材料是指浆液中的固体颗粒悬浮在水中，主要包括水泥浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等。化学浆液大部分是有机化学品组成，一般具有初始粘度小、凝胶时间可调、注浆范围可控等特点。但是此类浆液价格昂贵，结石体强度低、耐久性差，而且往往具有毒性，应用条件较为苛刻。悬浊型注浆材料中，水泥浆液应用范围最广，水泥浆液具有强度高、抗渗性好、材料来源广泛、无毒无污染等优点，但是水泥浆液的缺点是凝胶时间长、稳定性差、后期性能下降等，因此常与其他外加剂一起使用。近年来，随着注浆材料的发展，超细水泥、纳米水泥、高水速凝材料、酸性水玻璃浆材、高分子化学材料等逐渐应用到注浆工程中，取得了良好的效果。

本实施例中双液注浆采用的材料为水玻璃+水泥。由于其造价低、取材方便且绿色环保，该浆液在工程中得到了广泛使用。除了本工程中使用的浆液材料，其他浆液在达到设计要求，并且价格等条件合理的情况下也可考虑使用。

更具体地说，该地铁站初步设计为悬挂式帷幕+坑内降水，然后实现基坑的正常开挖。然而，在勘察深度范围内，地下水位标高为782.76～789.55m，水位埋深为1.6～5.7m，需降低水位达16m以上。由于该地铁站位于老城区，街道狭窄，而且临近车站基坑的住宅楼，入住率高、人口密集，受场地限制基坑周边自来水、雨污水、热力、煤气等老旧管线无法改迁到基坑施工影响范围外。经前期降水试验发现降水引起的房屋沉降大，故无法满足大范围降水条件，如继续降水，由降水引起的沉降将造成管线损坏，甚至断裂，出现基坑周边地面塌陷、居民恐慌等严重后果，经济损失巨大，出现险情造成社会影响将极为恶劣。如不降水开挖，由于承压水水头较高，一旦坑内出现大的涌水涌沙，可导致管线破损甚至断裂，破坏是灾难性的，出现险情造成社会影响巨大。本实施例的地质剖面图及封底区域见图3。

车站长度258m，宽度22.1m，总高13.39m，结构底板埋深约16.14～16.98m。小里程盾构端头段宽度32.5m，大里程盾构端头宽度28.8m，总高14.72m，底板埋深约17.87～18.03m。车站主体为地下双层岛式车站，结构形式为双柱三跨(局部采用单柱双跨)现浇框架结构，地下水控制方式为地下连续墙悬挂式帷幕+坑内降水+封底的方法。车站的封底如图4所示。

该实施例高压旋喷桩和双液注浆的具体施工工艺如下：

1.高压旋喷桩三重管旋喷桩高度为基底下2.5～7.5m。

(1)材料及设备

1)材料：P.O 42.5普通硅酸盐水泥；

2)钻孔用设备：旋喷桩机，空压机，高压泵，注浆泵；

3)注浆设备：配套注浆管；

4)制浆设备：水泥搅拌桶及搅拌机；

5)辅助设备：流量计、浆液比重计等。

(2)施工工艺流程

1)作业面布置在土方已开挖的部分上浇筑20cm厚C15混凝土作为注浆工作平台。

2)孔位布置按图纸孔位布置图用钢尺和测线实地布设桩位，并用竹签钉紧，一桩一签，保证桩孔中心移位偏差小于20mm。高压旋喷桩按照600mm×600mm梅花形或者密排六方布置，如图5所示。

3)钻机定位移动旋喷桩机到指定桩位，将钻头对准孔位中心，同时置平钻机，保持平稳、水平，钻杆的垂直度偏差不大于1％。就位后，首先进行低压(0.5MPa)射水试验，用以检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。

4)浆液制备桩机移位时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，材料用P.O42.5型普通硅酸盐水泥，根据需要加入适量的外加剂，所用的外加剂的数量应根据具体情况通过试验确定，水泥浆液的水灰比约为1.0左右，水泥掺量为约35％，水泥土抗压强度不低于1.0MPa。首先将水加入桶中，再将水泥和外掺剂倒入，开动搅拌机搅拌10～20分钟，并检测浆液比重。符合要求后拧开搅拌桶底部阀门，放入第一道筛网(孔径为0.8mm)，过滤后流入浆液池，然后通过泥浆泵抽进第二道过滤网(孔径为0.8mm)，第二次过滤后流入浆液桶中，待压浆时备用。

5)成孔施工钻孔的目的是将注浆管顺利置入预定位置，一般将注浆管兼做钻杆进行钻孔。在下管过程中，若碰到孤石、砼路面、杂填土硬物等某种障碍物导致钻孔机具无法开孔，则应采用高硬度合金钻头先引孔。钻进时需防止管外泥砂堵塞喷嘴，确保下管顺利，下管过程中同时输送压缩气流，直至注浆喷头下到预定位置(设计桩底)。钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm。

6)高喷成桩

①试管

当注浆管置入土层预定深度后应用清水试压，若注浆设备和高压管路安全正常，则可搅拌制作水泥浆开始高压注浆作业。

②喷射注浆三重管法施工，在达到设计深度后，接通高压水管、空压管，开动高压清水泵、泥浆泵、空压机和钻机进行旋转，并用仪表控制压力、流量和风量，分别达到预定数值时开始提升，继续旋喷和提升，直至达到预期的加固高度后停止。施工参数见表1所示。

③桩头部分处理当旋喷管提升接近桩顶时，应从桩顶以下1.0m开始，慢速提升旋喷，旋喷数秒，再向上慢速提升0.5m，直至桩顶停浆面。止喷桩顶应比设计桩顶高约0.5m，桩底位置应比设计低约0.5m。若遇砾石地层，为保证桩径，按上述重复喷浆、搅拌，直至喷浆管提升至停浆面，关闭高压泥浆泵(清水泵、空压机)，停止水泥浆(水、风)的输送，将旋喷浆管旋转提升出地面，关闭钻机。

7)冲洗、钻机移位喷射施工完毕后，应把注浆管等机具冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆，通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除。将钻机等机具设备移到新孔位上。

8)补浆喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，要及时用水灰比为1.0的水泥浆补灌。

封底施工中三重管旋喷桩施工工艺流程见图6所示。

表1高压旋喷桩的具体施工参数

(3)成桩检测

1)检测方法和内容高压喷射注浆可根据工程要求和施工经验采用开挖检查、取芯及无侧限抗压强度检查、标准贯入试验、载荷试验等方法进行检测。

对旋喷桩施工质量的检验，在高压喷射注浆结束后28天，检查内容主要为：桩体强度、平均直径、桩身中心位置、桩体均匀性等。

2)检测数量及部位检验点的数量根据设计而定，规范一般要求为施工孔数的2％，并应不小于5点。检验点布置在：

①有代表性的桩位；

②施工中出现异常情况的部位；

③地基情况复杂，可能对高压喷射注浆质量产生影响的部位。检验不合格者应进行补喷。

3)检验标准高压旋喷桩施工质量的检验标准见表2。

表2高压旋喷桩施工质量检验标准

2.双液注浆

(1)材料及设备

1)材料：P.O 42.5普通硅酸盐水泥；

2)辅料：水玻璃42Be°、酸性外加剂；

3)钻孔用设备：履带式液压钻机；

4)注浆设备：静压注浆机及配套注浆管；

5)制浆设备：水泥搅拌桶及搅拌机；

6)辅助设备：流量计、液压拔管器、浆液比重计等。

(2)施工工艺流程

1)作业面布置在土方已开挖的部分上浇筑20cm厚C15混凝土作为注浆工作平台。

2)孔位布置在已硬化完成的混凝土上用红色自喷漆将桩位标记明确，同步注浆孔位按照1m间距布置，同步注浆孔位布置示意见图7所示。

3)钻孔施工钻孔的目的是将注浆管顺利置入预定位置，开孔由履带式自走钻机开孔，孔深要求钻至底板底标高以下8m，钻进至设计标高后提起钻机。钻孔过程中需带水钻进，孔内垂直度偏差≤1°在钻进过程中应进行孔斜度的测量和校正以保证钻孔垂直度，钻孔完成后报项目部现场管理人员验收，验收合格后进入下道工序施工。

4)注浆管安放孔位经过验收合格后安放双重管，注浆管直径42mm，管路安放后用棉布和塑料布将注浆管顶部缠绕，减小注浆管与钻孔的间隙，防止跑浆漏浆。确保浆液的有效注入，管路安放中要检查密封胶圈。安放完成后将拔管器安装。

5)浆液配置

1)浆液材料由P.O 42.5型普通硅酸盐水泥，水玻璃42Be°，外加剂(磷酸和硫酸)组成。具体参数参见表3。

表3封底注浆参数表

①A液(水泥浆)配制拌浆前先将搅拌桶内残留结块清理干净，然后将水加入桶内，再将水泥倒入，根据现场实测第一种搅拌桶尺寸直径为1m高度为0.75m，有效容量为0.5m³，拌制一桶水泥浆需加入6袋水泥，拌制1m³浆液需投放12袋水泥。第二种搅拌桶尺寸为直径0.8m、高度为0.8m，有效容量为0.33m³，拌制一桶水泥浆需加入4袋水泥，拌制1m³浆液需投放12袋水泥。拌制完成的水泥浆要求水灰比达到1.3～1.35:1，浆液比重为1.41～1.42。

原材料加入搅拌桶后开动搅拌机搅拌10～20分钟，而后拧开搅拌桶底部阀门，然后通过泥浆泵抽过滤网(孔径为0.5mm)，过滤后流入浆液桶中，待压浆时备用。

②B液(水玻璃)配制将水玻璃原浆稀释成35Be°现场实测搅拌桶高0.9m直径0.55m有效容量0.2m³，稀释配比为1:1(体积比)，拌制一桶水玻璃浆液需使用0.1m³水加0.1m³水玻璃。

③C液(外加剂)配制外加剂采用磷酸或硫酸，现场实测搅拌桶高0.9m直径0.55m有效容量0.2m³，稀释配比为9:1(体积比)，拌制一桶外加剂浆液需使用180L水加20L酸。

2)注浆时采用两种浆液混合注入的方式进行注浆

①化学浆配比为B液+C液，配比为1:1，胶凝时间为3～10s；

②双液浆配比为A液+B液，配比为1:1，胶凝时间为30～90s。

6)注浆

1)注浆前准备正式注浆前先检查注浆系统各部分管路连接正常后开动注浆泵进行压水试验，检查注浆系统连接情况有无渗漏，以及注浆泵各表情况，确保管路畅通，各仪表工作正常。注浆压力不得大于3.0Mpa，试验正常后进行注浆施工。

2)注浆参数注浆压力为1～3Mpa，不得大于3Mpa。浆液流量为20～40L/min，不得大于40L/min。

7)注浆施工注浆施工时采用交替注浆的方式，同时注4～8个孔，且孔位两侧应对应，尽量做到同时同步同位注浆，开始注浆时先注入化学浆50～80L，然后注入双液浆50～80L，以此类推，循环施工。

注浆过程中严格控制注浆量和注浆压力，保证做到均衡同步，并通过流量计观察注浆压力，检查随注浆量的增加，压力变化情况。注浆过程中采用压力控制，注浆压力达到2.0Mpa时，喷浆管往上提0.2～0.5米后，继续注浆，以此类推，往复施工直至提升至设计标高。

8)封孔封孔采用0.8:1的浓稠水泥浆封堵，并然后抹平。

(3)注浆结束标准

1)注浆结束标准：在注浆施工的末期，泵压逐渐升高，当注浆量小于20L/min，压力表读数稳定大于2.5Mpa后持续稳定15min注浆结束。

2)若在注浆过程中发生大量返浆的情况时，先逐渐将注浆压力减小后停止注浆，并对其他孔进行注浆，待其余孔位注浆完成后再返回该孔位进行二次注浆。

3)单孔注浆完成后报现场管理人员检查，经现场管理人员确认完成后对该孔位进行封堵。

封底施工中双液注浆施工工艺流程见图8所示，注浆系统布置见图9所示。

以上内容，是对具体实施例的详细描述，不能用作对权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种HPPG封底施工方法，包括下列步骤：

a) 根据设计基坑的深度，确定一个更深的封底施工深度；

b) 确定在封底施工深度处固结体设计直径D不小于600毫米；

c) 确定固结体在封底施工深度平面上的排列分布，相互之间形成相互咬合的大体密排六方或者梅花形阵列；

d) 按照确定的固结体排列分布对底层打孔，直到封底施工深度；

e) 在封底施工深度处，利用压缩空气和高压水泥浆对地层进行旋喷，形成直径不小于D的水泥浆和泥土浆之混合泥浆体；

f) 让混合泥浆体凝固成水泥土固结体，高度不小于100厘米，抗压强度不低于1.0MPa。

2.如权利要求1所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，在步骤e)，同时进行高压空气旋喷。

3.如权利要求2所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，在步骤e)，水泥浆液压力不小于0.2 MPa，浆液比重1.60～1.80 吨/m3，压缩空气压力不小于0.5 MPa，高压水压力不小于30 MPa。

4.如权利要求1所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，在步骤e)， 浆液比重1.60～1.80，浆液压力不小于20 MPa，压缩空气压力不小于0.7 MPa。

5.如权利要求1-4任一项所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，在步骤e)，旋喷转速不小于20转r/min。

6.如权利要求1-4任一项所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，在步骤e)，相邻的三个固结体之圆心构成一个正三角形的顶点，正三角形边长为0.7-0.8D。

7.如权利要求6所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，在步骤e)，D等于800毫米，正三角形边长为600毫米。

8.如权利要求1-4任一项所述的HPPG封底施工方法，其特征在于，注浆结束标准：当注浆量小于20升/min，压力表读数稳定大于2.5 Mpa后持续稳定15min，步骤e)结束。