CN103015429A - 长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法 - Google Patents

Abstract

一种长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，利用改造了的长螺旋钻头钻具更能适应较硬土层的特点，就地旋喷搅拌原状土层，边搅拌边加入水泥浆，到设计标高后，拔出长螺旋钻具完成水泥土桩的施工，随后在水泥土桩的顶端插入型钢等劲型材料，形成具有一定强度及抗渗能力的柱状水泥土型钢桩桩体。本发明的优点是：能在较硬土层中钻进，达到设计深度及桩径，通过桩体之间咬合，可形成闭合连续的桩墙体，提高了止水帷幕的可靠性；为了增加桩墙体的刚度与强度，水泥土搅拌完后插入型钢等劲型材料，保证止水可靠、基坑安全。适应的地层范围广，尤其在北方地区较硬土层中更显优势。型钢、锚杆或内支撑可回收重复利用，大大降低成本。

Description

长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法

技术领域

本发明属于建筑地基基础施工中基坑支护方法（包括地铁基坑），特别涉及长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩及其施工工艺，可形成桩墙体，用于止水(隔水或截水)帷幕及护坡桩或其母桩，在富水地层中，基坑开挖可不降水。本发明适应的地层范围广，尤其在北方地区较硬土层例如密实砂卵石地层中更显优势。 

背景技术

目前SMW（水泥土搅拌墙）工法以其节能环保质量可靠而在软土地区广泛应用，其设计与施工技术也日趋成熟，包括型钢起拔回收技术也变得成熟，基坑支护工程型钢回收率一般可达100%。三轴搅拌机设备功率大，效率高，施工深度大，质量可靠，应用也日益广泛。但在如北京地区这样的硬土地层应用还极为有限，到目前为止，在北京地区采用三轴搅拌机施工水泥土连续墙采用钢管内支撑仅有一个案例，而且未涉及到北京的砂卵石地层。 

水泥土搅拌桩由于其施工简便、成本低廉，而被广泛应用于基坑支护、止水帷幕及地基处理等领域，但传统搅拌桩在现有设备条件下施工较硬土层，受到极大限制，尤其搅拌砂层或砂卵石层更是无法实施。水泥土旋喷桩包括单管、双管和三管，虽然在软土地区基坑支护、止水帷幕及地基处理等领域也得到成功应用，但在施工较硬土层时，同样受到极大限制，尤其遇到砂层或砂卵石层同样无法实施。 

而长螺旋旋喷搅拌桩技术较好的解决了硬土地区成孔成桩问题，目前已在北京、河北、山东、云南、内蒙等地得到较好应用，实践证明是一项实用可行的技术，能达到设计的桩径和设计的桩长，如果利用该技术施工连续的帷幕墙插入型钢配以内支撑或锚杆进行基坑支护是完全可以实现的。尤其在坑深或设计桩长时利用长螺旋旋喷搅拌桩就比长螺旋旋搅拌桩更容易保证桩径，也更易保证垂直度和咬合效果。 

发明内容

为了克服以上现有技术的不足, 提供一种长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑支护施工方法。 

本发明的技术方案是：一种长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：利用改造了的长螺旋钻头钻具更能适应较硬土层的特点，就地旋喷搅拌原状土层，边搅拌边加入水泥浆，到设计标高后，拔出长螺旋钻具完成水泥土桩的施工，随后在水泥土桩的顶端插入型钢等劲型材料，形成具有一定强度及抗渗能力的柱状水泥土型钢桩桩体。 

多根所述的桩体之间咬合形成连续闭合桩墙，根据工程需要可形成单排咬合或多排咬合，咬合方式可顺序咬合或隔孔咬合。 

所述的桩墙形成后，进行锚索锚杆或内支撑。 

所形成的基坑支护体系具有一定抗渗能力，能够实现不降水施工，保护地下水资源。 

根据每米有效桩长耗用的水泥量，一次性配制一根桩所用的水泥浆，水泥浆液的水灰比为1.3～1.5；水泥浆进入储浆池前须过筛；凡已配好的水泥浆使用前存放时间不能超过2小时。 

成桩速度不能太快，用变频器控制，提升速度≤0.5m/min，每次上升或下沉，要求成桩速度必须均匀。 

本发明的优点是：能在较硬土层中钻进，达到设计深度及桩径，通过桩体之间咬合，可形成闭合连续的桩墙体，从而提高了止水（隔水或截水）帷幕的可靠性；为了增加桩墙体的刚度与强度，水泥土搅拌完后插入型钢等劲型材料，从而保证止水可靠、基坑安全。适应的地层范围广，尤其在北方地区较硬土层例如密实砂卵石地层中更显优势。同时由于型钢可回收重复利用，大大降低基坑支护施工的成本；另外由于锚杆或内支撑的拆除回收利用，使得基坑支护更加集约环保。 

附图说明

图1是本发明施工工艺流程图； 

图2是本发明开挖的导向沟槽和安置定位型钢的立体结构示意图；

图3是本发明采用顺序施工打桩孔的示意图；

图4是本发明采用跳跃施工打桩孔的示意图；

图5是本发明基坑止水支护结构的剖面图（包括锚杆和桩顶连梁）；

图6是图5中桩顶连梁的放大图；

图7是图3中锚固件的放大图（锚杆节点的结构图）。

  

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细介绍。 

实施例1：

1、施工准备

1）收集资料，搞好现场踏勘，认真编写施工组织设计；

2）对施工现场地下地上障碍物进行清理，并搞好场地的平整，合理布设现场设施，确保正常施工。

3）原材料的准备： 

（1）所有使用的物料，应符合设计及国标和地标规定；

（2）水泥必须具备出厂质量证明书，进货时应对其品种、标号、包装、出厂日期等进行验收，并按有关规定贮存；每供应200吨水泥，必须取样送检。送检样品从10袋中各取少量。H型钢必须提供出厂质量证明书。

（3）型钢焊接用15T履带吊配合焊接，方式采用型钢对接，焊缝达到设计规范要求，型钢焊接验收采取边焊接边验收方法。 

（4）按规定做好各有关原材料的采样和测试工作，确保原材料的质量。 

4）机械设备及辅助设备：长螺旋钻具，水泥浆制作系统设备、50t履带式吊车、液压挖土机、空气压缩机等。 

测量放线、开挖导沟

1）首先在平整场地上测量放线定桩位及导向沟，两端用测量仪器做好定位桩及导向沟，防止桩位出现偏差时随时复核；定桩位通常是用钢钎或打孔器在地上打一深孔，灌入白石灰粉，在桩位处插上钢筋棍等明显标志。

2）开挖导向沟槽、安置定位型钢（图2）：根据基坑围护内边控制线，采用挖土机或人工开挖沟槽，并清除地下障碍物，沟槽尺寸及定位型钢如图2，开挖沟槽余土及时处理，以保证钻机顺利就位。 

钻机定位、钻孔、移机

在开挖的工作沟槽两侧铺设导向定位型钢，按设计要求在导向定位型钢上划出钻孔位置和插型钢的位置，操作人员根据确定的位置严格控制钻机桩架的移动，确保钻孔轴心就位不偏，并保证钻具的垂直度偏差在0.5%范围之内。同时控制钻孔下钻深度的达标，利用钻杆和桩架相对位移原理，在钻管上划出钻孔深度的标尺线。

钻机沿基坑围护轴线移动，采用施工顺序示意图的方法套钻，二种方法均安全可靠。两种方法施工顺序示意图如下所示。 

方法（1）为常用的施工方法，优点是施工速度较快，顺序为1→2→3→4→5。 

方法（2）也为一常用的施工方法，可避免桩架侧向力偏移，顺序为1→3→5→2→4。相邻的桩孔之间相互重叠（咬合）一部分（占半径的20－50%），参见图3和图4。 

依次循环直至围护墙体成型。水泥土旋喷搅拌桩为基坑内外隔水围幕，施工时不容许出现施工冷缝，如出现超过12小时的施工冷缝，需采用搭接套钻或在后排补桩。 

钻进与喷搅

根据设计所标深度，钻机在钻孔和提升全过程中，保持螺杆匀速转动，匀速下钻，匀速提升，并采取高压喷气在孔内使水泥土翻搅拌和，保证整桩搅拌充分、均匀，确保旋喷搅拌桩的质量。

1）水泥浆的配制：依据不同地层、地下水位，选择不同类型水泥，确定不同的水灰比，最终水灰比应通过设计要求及现场试验确定，一般情况下水灰比可选1.0~1.5，另外可根据实际情况添加适量的外掺剂。 

2）依据土层、水位情况确定提、下钻速度，事先利用变频器将其调节好。边喷搅边下钻，达到设计深度后旋喷提升（含水层部位，可重复上下多次喷搅）直至孔口位置。全孔段上下喷搅多次，可使全孔水泥土体更均匀。搅拌完后反向转动，退出钻具。浆液压力控制20~30MPa，浆液流量根据钻进实际速度、地下土层特性情况进行调整。 

本发明长螺旋旋喷搅拌钻具采用专利号ZL200820108775.0公开的“长螺旋旋喷搅拌桩复合钻具”。 

型钢插入

在钻孔的水泥土充分搅拌均匀后，开始初凝硬化之前，采用DH500履带吊车将定尺的型钢吊起，插入指定位置，依靠型钢的自重下插到设计规定深度，不能达到设计深度时，开动振动锤，振动插入，然后采用换钩方法，将型钢脱离吊钩，用挂钩固定在沟槽两侧铺设的定位型钢上，直至桩孔内的水泥土凝固。型钢在插入喷搅桩前，表面应涂刷减摩剂。

型钢为了减小下沉阻力，下端加工成V形尖，同时在型钢外侧涂抹脱模油。用起重设备将型钢吊起，利用其自重下沉。不能达到设计深度时，开动振动锤，振动插入，在插入过程中采取可靠导正措施保证型钢的垂直度。型钢可以是H型钢，也可依据坑深及受力大小选择其他型钢，如工字钢、槽钢、角钢、圆钢等。一般情况下，型钢上端高出桩顶连梁0.5~1.0m，并在型钢上打孔，以利起拔。截面尺寸由计算确定。 

内支撑或锚杆施工

依据坑深坑宽及土层情况，设计采用内支撑或锚杆支护，锚杆采用现有的可拆式锚杆。锚杆8的顶端穿过水泥土型钢桩1的外侧至内侧通过锚固件9连接，锚固件9包括两根工字钢91和楔形钢支架93和锚头92，两根工字钢91设在水泥土型钢桩的内侧，在工字钢外侧设有楔形钢支架93，锚杆8的顶端穿过楔形钢支架93的通孔用锚头92锁紧（参见图5-图7）。图5中的标记5是建筑底板和外墙，6是防水层，7是基础垫层。

桩顶连梁施工

如采用钢筋混凝土连梁，钢筋绑扎应避开型钢，型钢用泡沫及油毡等包裹，便于起拔拆除。如采用预制连梁，则可在完成其功用后一并拆除回收，重复使用。

内支撑或锚杆拆除

主体建筑达到一定阶段时，临时性基坑支护将失去其作用，可以对其内支撑或锚杆进行拆除，重复利用，也使基坑支护锚杆不再留在地下，更环保。

型钢起拔回收，重复利用

待基坑回填完成后，可将型钢起拔回收，起拔工具可采用专用起拔机，或基坑不深时，型钢摩擦力不大，地方又较狭窄时，可用千斤顶预先起拔，待达到一定高度后，可采用震拔机震动拔起，最后用起重设备吊起，回收，重复利用。确保集约环保。

空洞回填

型钢起拔后，留下的空洞，可用水泥浆或水泥土浆液灌满，必要时上部1~2m范围用粘土封住，保证不会流入水。

实施例2：

1、工程概况

拟建的顺义区劳动实训基地和电子政务中心工程位于北京顺义区北二环路北侧，基础埋深约为4.15～9.85m。

2、工程水文地质条件 

  拟建场区属于潮白河冲积扇的中上部，场地地形基本平坦，钻孔地面标高27.46～30.06m。本次勘察钻探深度（35.00m）范围内的地层，按成因类型、沉积年代划分为人工堆积层、第四纪沉积层。现自上而下分述如下：

 人工填土层

a. 粉土填土①：黄褐色，稍湿，稍密，局部含较多灰渣、砖块等建筑物垃圾及生活垃圾。本层厚度0.50～3.00m，局部厚度达3.80～5.50m。

第四纪沉积土层 

a．粘质粉土～砂质粉土②：黄褐～灰色，饱和，可塑，含云母片、氧化铁及少量有机质，土质不均。局部含较多粘土薄层及砂质粉土薄层。砂质粉土②1：黄褐～灰色，密实，饱和，含云母片，氧化铁，土质不均。细中砂②2：灰色，密实，饱和，含云母片及少量粘土矿物，顶板标高23.84～28.17m。

b．细砂③：灰，中密～密实，饱和，含云母片及少量粘土矿物。砂质粉土③1层：灰，密实，饱和。含云母、氧化铁，土质不均，局部含粉细砂薄层。顶板标高18.16～21.60m。 

c.粉质粘土～粘质粉土④：灰，饱和，可塑，含云母片、氧化铁。砂质粉土④1层，灰，密实，饱和，含云母及氧化铁。顶板标高14.36～17.50m。 

d．细砂⑤：灰，饱和，密实，长石～时应质，含云母及少量粘土矿物。顶板标高4.36～6.10m。重粉质粘土～粘土：灰，密实，饱和，可塑，含氧化铁。顶板标高1.13～2.30m。 

场区水文地质条件如下： 

根据勘察报告，地下水有两层，其地下水类型分别为：

第一层地下水类型为上层滞水，其含水层为粉土填土①层，粘质粉土～砂质粉土②层，砂质粉土②1层，细中砂②2层；第二层地下水类型为潜水，含水层为细砂③及以下各层。

地下水埋藏情况一览表

该区上层滞水的补给主要为大气降水入渗、地下径流及管道渗漏补给；潜水主要接受地下径流补给。地下水的排泄以地下径流排泄为主。

3、基坑支护设计 

3.1基坑支护方案确定

根据基坑各部位的开挖深度、周边工作面的影响、场区内地质条件及现场周边实际情况，本工程的基坑支护方案如下：

1-1剖面：基坑开挖深度为9.85m，基坑边支护采用长螺旋旋喷搅拌水泥土桩中插H型钢+锚杆联合支护方案。

2-2剖面：基坑开挖深度为8.15m，基坑边支护采用长螺旋旋喷搅拌水泥土桩中插H型钢+锚杆联合支护方案。 

3-3剖面：此处为基坑内错台，深度为4.0m，基坑边支护采用长螺旋旋喷搅拌水泥土桩中插H型钢支护方案。 

4-4剖面：基坑开挖深度为4.15m，基坑边支护采用坡比为1:0.3的土钉墙支护方案。依据不同开挖深度的不同设计形式，用剖面表示。 

3.2、设计基坑开挖深度与超载地层参数 

地面附加载取值30kPa。

3.3、基坑支护方案设计 

1-1剖面：

长螺旋旋喷搅喷桩：

桩径φ900，桩间距为0.7m，桩长16.0m。水泥的掺入量为12%～15%，水灰比1.0～1.3，施工完毕后在水泥土桩中插入型钢。

型钢：型号：HW300×300，插入型钢的水泥土桩的桩间距为1.4m（每两根水泥土帷幕桩中插一根H型钢桩），桩长为13.85m，嵌固5.0m， 

面层和锚杆：

面层：墙面挂钢板网，并喷射40mm厚的混凝土面层，喷射混凝土的强度为C20。设置两排锚杆。

锚杆设计参数 

   桩顶连梁：

桩顶连梁为一根40b槽钢，扣于型钢上，在槽钢及H型钢侧面打孔，用螺栓连接。

剖面：喷搅桩：

桩径φ900，桩间距为0.7m，桩长16.0m。水泥的掺入量为12%～15%，水灰比1.0～1.3，在施工完毕后在水泥土桩中插入型钢。

型钢：型号：HW300×300，桩间距为1.4m（每两根帷幕桩中插一根H型钢桩），桩长为11.15m，嵌固4.0m， 

面层和锚杆：面层：墙面挂钢板网，并喷射40mm厚的混凝土面层，喷射混凝土的强度为C20。设置1排锚杆。

锚杆设计参数 

   桩顶连梁：

桩顶连梁为为一根40b槽钢，扣于型钢上，在槽钢及H型钢侧面打孔，用螺栓连接。

剖面：

喷搅桩：桩径φ900，桩间距为0.7m，桩长10.15m。水泥的掺入量为12%～15%，水灰比1.0～1.3，在施工完毕后在水泥土桩中插入型钢。

型钢：型号：HW300×300，桩间距为1.4m（每两根帷幕桩中插一根H型钢桩），桩长为8.0m，嵌固4.0m， 

面层：面层：墙面挂钢板网，并喷射40mm厚的混凝土面层，喷射混凝土的强度为C20。

桩顶连梁：桩顶连梁为为一根40b槽钢，扣于型钢上，在槽钢及H型钢侧面打孔，用螺栓连接。 

剖面：

土钉墙面层参数

间距为1.8m×1.5m，呈梅花状布置。倾角为5～10⁰，钻孔直径φ100mm。主筋为1Φ16，每排土钉外配φ14加强筋与所有主筋端头相连。墙面挂φ6.5＠250×250的钢筋网片，并喷射80mm厚的混土面层，喷射混凝土的强度为C20。

土钉参数表

3.4主要施工机械设备安排

4.9 主要施工方法

4.9.1施工测量

4.9.1.1施工测量控制

本工程地下建筑占地面积较大，施工场地狭小，测量精度要求高，轴线控制好与否直接影响到工程质量。因此本工程在业主提供的原始平面控制点、高程控制点的基础上建立平面控制网及高程控制网。

4.9.1.2施工测量方法 

1、施工控制网

本工程以业主提供的导线点及高程控制点作为首级控制点。根据施工需要，土方及护坡施工时，控制点设在建筑物四周，利用这些点布设施工平面控制网和高程控制网，以满足施工定位、轴线测量及高程传递的需要。

施工控制点埋设在施工场地变形区外，不受施工干扰，易于保护和便于使用的地方。按Ⅰ级建筑方格网技术要求施测，测角中误差小于5”，相对闭合差小于1／20000。观测时采用全站仪观测，水平角左、角右观测各一测回，距离往返测量各两测回。 

高程控制网一般以Ⅲ等水准测量技术要求施测，其每千米高差全中误差小于6mm，闭合差小于±

L（L为水准路线长度公里数）。各高程控制点尽量利用平面控制点。 

2、施工测量 

施工测量主要工作内容有建筑物的轴线定位、土方开挖、土钉墙工程等测量。

施工放线使用全站仪、经纬仪、水准仪等仪器。全站仪主要用于控制点施放，经纬仪、水准仪等仪器用于开挖边线、标高、位移、沉降等的测量。 

4.9.2水泥土喷搅桩+型钢桩施工方法 

4.9.2.1施工流程

钻机定位→钻进喷浆预搅下沉→喷浆搅拌上升→重复喷浆搅拌下沉→定喷上升→成桩→插型钢→移位进行下一根桩施工

4.9.2.2施工技术要求

(1)钻机就位前，一定要对准桩位标志下钻，对中误差应<50mm，调整好桩机，桩机的主动钻杆要保证垂直，垂直度允许偏差≤0.5%，防止桩斜。

(2)对施钻和喷浆严格要求。在施钻前，项目技术负责对钻进速度、复搅次数、钻进速度、喷浆速度、喷浆次数及停浆面向作业人员详细交待；特别对水泥用量、水泥浆液水灰比进行检查。 

(3)停浆面控制：停浆面保证在设计桩顶上不少于50cm处，保证保护桩长达50cm，误差<10cm。 

(4)制浆：根据每米有效桩长耗用水泥多少，一次性配制一根桩所用的水泥浆。水泥浆液的水灰比为1.3～1.5。水泥浆进入储浆池前一定过筛。凡已配好的水泥浆大于2小时仍未使用的，应全部废弃，不准用来制桩。 

(5)制桩：成桩速度不能太快，用变频器控制，提升速度≤0.5m/min，每次上升或下沉，要求成桩速度必须均匀。 

4.10基坑支护异常情况的处理 

基坑开挖和喷锚支护施工过程中，由于破坏了土层中的原有的应力平衡，坡面肯定会发生变形，直到达到新的平衡。为此当基坑开挖深度超过2米后，即在坡顶上口外翻的混凝土面上用经纬仪设置观测点，对坡面的位移进行观测；同时在整个施工过程中对地面和周围墙面等注意进行观察。当发现坡面的安全存在问题时，应采取相应措施：

1）、在施工过程中，就要进行预防，严格按设计施工方案进行施工，并在边坡建立相应的位移观测点。

2）、如观测点累计位移量超过基坑二级控制值，应停止当前开挖，并对边坡进行增加锚杆加固处理。 

3）、注意周边现场管线情况，杜绝管道水渗漏，喷锚护坡安全的最大隐患是水，为此施工过程中对少量地下滞水，一定要将其引出。同时对地表水亦应做好排水工作，不能使其渗入，特别是在基坑周围不得有渗水井的存在。若发现基坑四周有地下管线跑漏水的现象时，一定要将其处理妥当。基坑四周坡顶施工场地应进行硬化处理，以保证施工机械以均布荷载的形式作用于坡面。 

4）、由于施工速度过快，锚杆水泥浆尚未凝固，锚杆沿不能起作用时坡面发生较大位移时，应和土方施工单位加强配合，安排好施工顺序，避免发生上一步坡面刚施工完就立即开挖的情况发生。 

5）、当坡顶部分地段的土质情况不好时（如坡顶附近有近期挖沟且回填不密实的松动土层），采用通过锚杆设置地面拉筋的办法进行固定。 

6）、在坡面变形较大的地段另补设锚杆，通过槽钢对坡面施加预应力的方法来控制坡面的变形，必要时可将该坡面回填，待变形得到控制时再将该坡面挖开。 

7）、当发现坡面位移较大时，现场应设专人24小时不间断的注意观测，发现问题及时通过有关技术人员进行处理； 

8）、一旦市政管线发生泄漏，必须及时与市政管理部门联系，便于及时抢修；

9）、现场准备足够的水泵，以备市政管线发生破裂大面积出水时进行抽水；

10）、做好在边坡上钻孔导水的准备，以备发生紧急泄漏出水时疏导之用。

Claims (6)

1.一种长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：利用改造了的长螺旋钻头钻具更能适应较硬土层的特点，就地旋喷搅拌原状土层，边搅拌边加入水泥浆，到设计标高后，拔出长螺旋钻具完成水泥土桩的施工，随后在水泥土桩的顶端插入型钢等劲型材料，形成具有一定强度及抗渗能力的柱状水泥土型钢桩桩体。

2.根据权利要求1所述的长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：多根所述的桩体之间咬合形成连续闭合桩墙，根据工程需要可形成单排咬合或多排咬合，咬合方式可顺序咬合或隔孔咬合。

3.根据权利要求2所述的长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：所述的桩墙形成后，进行锚索锚杆或内支撑。

4.根据权利要求1所述的长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：所形成的基坑支护体系具有一定抗渗能力，能够实现不降水施工，保护地下水资源。

5.根据权利要求1所述的长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：根据每米有效桩长耗用的水泥量，一次性配制一根桩所用的水泥浆，水泥浆液的水灰比为1.3～1.5；水泥浆进入储浆池前须过筛；凡已配好的水泥浆使用前存放时间不能超过2小时。

6.根据权利要求1所述的长螺旋旋喷搅拌水泥土型钢桩基坑止水支护方法，其特征在于：成桩速度不能太快，用变频器控制，提升速度≤0.5m/min，每次上升或下沉，要求成桩速度必须均匀。

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