基坑工程中桩间灌浆止水几个问题的探讨
基坑工程中桩间灌浆止水几个问题的探讨
随着高层建筑发展与地下空间的进一步利用，基坑越来越深，在城市深基坑开挖时，由于受到周围环境的制约，普遍需要采用各种形式的基坑支护结构与可靠的止水措施以保证基坑边坡土体的稳定以及周围邻近设施的安全与正常运作，也保证了地下结构的正常施工及有关人员的安全。在基坑工程中，探索支护体系的壁、撑、水、土在施工全过程的时空关系，选取适当的支护方法，可最大限度地节约深基坑施工费用。灌浆技术的发展与进步，地下连续墙作为基坑工程围护结构的主角地位已经动摇，各式各样的基坑工程的围护结构与灌浆相结合已成为流行的支护方法，但是，个别基坑工程支护设计者没有就其适应性进行深人的理论研究，防渗问题没有处理好，在工程应用中出现管涌破坏，造成基坑施工困难和周围建筑物沉降开裂。针对上述情况，本文作者根据自己多年的工程实践，提出灌浆工艺在基坑工程中应用必须注意的若干问题。
2 挡土桩的垂直度偏差与其影响
在基坑工程中，主要采用土体改良与刚性围护结构加支撑（或锚拉）两种支护方式，而在超深基坑中，大多数工程选用后者。在中国、香港和欧洲许多国家，除了选用地下连续墙作为基坑工程的围护结构外，也经常采用灌注混凝土桩，根据不同的工程级别，灌注混凝土桩通常采用相切和相割两种型式，灌注混凝土挡土桩与地下连续墙相比，其在平面布置上有较大的灵活性，单根桩的长度可长可短，在功能上可作为基坑开挖的围护结构和止水结构，亦可作为地下结构永久性外墙及支承上部结构的桩，在造价上比较便宜。
作为基坑工程的挡土桩，通常采用一、二序桩的布置方式，两序桩能否搭接主要取决于桩的平面偏差及垂直度的控制。国家现行规范《建筑桩基技术规范》（JGJ94一94）中平面允许偏差为100mm，桩身垂直度允许偏差为1%。当采用相切型式时，桩间的空隙是绝对存在的；当基坑工程的挡土桩采用相割型式时，桩间的空隙取决于桩的平面偏差及垂直度的控制，还取决于桩的平面相割的宽度。作为基坑工程的挡土桩，其平面偏差的控制值一般需要比规范严格，通常也具备施工的可行性，而垂直度的控制却往往因为地质与施工设备等因素，无法大幅度提高精度。根据大量的施工统计资料，灌注混凝土桩平面最小偏差为25mm，桩身垂直度最小偏差为0.5%。在基坑工程设计时，挡土桩的直径通常为800或者1000mm，桩的平面相割的宽度为100～200mm。我们不难推算，一、二序桩出现不相割的最小深度为：
Hmin＝（0.5B－x）/Y
式中 B——桩的平面相割的宽度；X——桩平面偏差；Y——桩身垂直度偏差。
当桩的设计平面相割的宽度为200 mm，最多可以确保巧15m深度以内不出现桩间的空隙，当桩的设计平面相割的宽度为100mm，离地面5m深以外是无法确保桩间不出现空隙。由此可见，采用相切和相割的灌注混凝土桩作为基坑开挖的围护结构，必须根据实际情况进行桩间空隙的处理，才能保证基坑边坡土体的稳定以及周围邻近设施的安全与正常运作。
3 基坑渗水及其影响
在基坑施工时，首先进行上部开挖，由于基底离地面较近，上部灌注混凝土桩间不出现空隙可封闭止水，地下水是通过下部的桩间空隙向基坑内渗流，水头较小，渗径长，因而水力坡降亦较小，不产生基坑内侧管涌破坏，但由于基坑外侧的地下水流失，会引起水位下降而导致周围地面下沉，严重时可能出现建筑物开裂，当基坑逐步向下开挖时，水头越来越大，渗径越来越长，因而水力坡降逐步增大，最后超过土的允许渗透坡降，一般土的允许平均渗透坡降J允许如表1所示，因而必产生管涌。
表1 地基土偶然性破坏的允许平均渗透坡降J允许
|
地基土
的类别 |
建筑物的等级 |
|
I |
II |
Ⅲ |
Ⅳ |
|
细砂 |
0.18 |
0.20 |
0.22 |
0.26 |
|
中砂 |
0.22 |
0.25 |
0.28 |
0.34 |
|
粗砂 |
0.32 |
0.35 |
0.40 |
0.48 |
|
壤土 |
0.35 |
0.40 |
0.45 |
0.54 |
|
粘土 |
0.70 |
0.80 |
0.90 |
1.08 |
当基坑出现管涌时，基坑外侧地下水位大幅度下降，砂、土涌入基坑内，周围地下淘空引起地面沉陷及建筑物倒塌，基坑工程、闷福的围护结构出现移动，引至支护失效，个别基坑工程因此而倒塌，造成重大工程事故。
4 桩间灌浆的分类与方法
4.1 灌浆的分类
按灌浆形式和作用机理，常见的灌浆主要分为三种类型：
①渗透灌浆：在一定灌浆压力作用下，浆液在土体渗透并凝固而达到加固的一种灌浆方法。浆液渗透人土体孔隙后，孔隙中的自由水和气体被排出，但浆液并未破坏土体的原有结构。
②劈裂灌浆：先破坏土体的结构，然后使混合浆固化的灌浆方法。在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构破坏和扰动，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，促使浆液的可灌性和扩散距离增大而达到加固目的。
③压密灌浆：用较高的压力向土层灌人浓度较大的混合浆液，挤压软土层、砂层，提高被灌土体的密度，减少其含水量。按灌浆材料划分，主要有纯水泥灌浆、化学材料灌浆与混合材料灌浆等几种，而水泥灌浆一般分为普通水泥灌浆和湿磨超细水泥灌浆，混合材料灌浆的材料主要有水泥、粉煤灰、膨润土（粘土）浆液与水玻璃浆、液或其它外加剂等。
纯水泥浆是主要的灌浆材料灌浆，但其它灌浆材料往往在桩间灌浆中起到关键的作用。粉煤灰用于灌浆，在国外受到越来越多的好评，粉煤灰的主要成分是具有活性的氧化硅、氧化铝和氧化铁，它们在常温下与水泥水化物氢氧化钙发生二次反应生成新的水化物，具有水硬性，可促成结石强度增长，尤其是后期强度有较大增长。膨润土（粘土）颗粒细，掺人浆液分散性和触变性能好，不易沉淀，可灌性好，可控性强，结石弹模低，变形性能好，密实度与抗渗性能高。外加剂可改善浆液的可泵性与可灌性，提高结石强度和抗渗性及耐久性。而水玻璃近年也因具有价廉、凝结时间可控制和没有毒害等特点而被广泛使用。
4.2灌浆的方法
桩间灌浆方法的选择主要取决于地质条件，其次要考虑施工机具与灌浆材料，一般而言，砂卵石、漂石与人工抛填块体层进行灌浆，由于它的孔隙率较大，在灌浆过程中浆液将沿着压力坡降最大的方向走动，最后形成的灌浆体不一定是设计希望的形状，对于这类地层应采取下述措施：①低压浓浆；②限流；③间歇；④待凝；⑤加速凝剂氯化钙或水玻璃；⑥灌注水泥水玻璃双液泉；⑦灌注高掺粉煤灰稳定性膏状浆液，以确保在桩间形成防渗本。而在砂层进行灌浆，除了要考虑灌浆体的强度和抗渗性能外，必须注意浆液颗粒的细度与浆液的粘度，对于这类地层，如灌浆采用压力注浆方式进行，建议选择湿磨超细水泥灌浆或化学材料灌浆，但在城区的深基坑工程中，考虑环境保护的因素，通常不宜选取化学材料灌浆。
虽然采用上述灌浆方法是可以提高地层的综合抗渗能力，通常使地基的渗透系数降低到2×10-5 cm/s，从理论与以往的试验两方面都可以有足够的资料证明这一点，但在实际基坑工程设计与施工中，需要充分考虑地质条件和施工工艺等多方面的因素，并经过论证分析，选取适合的灌浆方式与工艺参数，才能达到预期桩间止水目的，就地质而言，在同一施工地点，有多种地层，其土体的结构与土力参数相差甚远，采用同一种灌浆方式是无法达到预期桩间止水目的，在工程实践中，可以采用两种或两种以上的灌浆方式进行施工，如在极软的粉砂质粘土层，采用低压力的渗透灌浆一般很难改变土体的力学性质，因而也不能形成止水帷幕，但选取单管旋喷灌浆工艺可以达到桩间止水效果，此工艺在壤土层和松散砂层中亦适用，而在密实砂层或砾砂层需采用高压三管旋喷灌浆工艺，利用其高压的切割与劈裂作用，先破坏土体的结构，然后使浆液固化，其防渗性能远比一般灌浆、单管旋喷桩及深层搅拌桩好，在密实的中、粗砂层及卵石层，更体现其止水优点。
用于基坑工程的桩间灌浆，其效果不但取决于地层的可灌性、结石强度和抗渗性及耐久性，更取决于灌浆孔的施工精度控制，其平面定位及垂直度的控制值，不但需要根据相邻近的挡土桩的平面偏差及垂直度作具体计算确定，还需要结合灌浆的灌人量与扩散半径作适当的调整。在基坑工程中，桩间灌浆应布置在挡土桩的外侧，通常以品字形按两排方式布置，必要时按3排方式布置，采取分级加密次序进行灌浆施工。
综上所述，近几年来在笔者负责设计或施工的基坑工程中所采用的灌浆方法是多样的，粗略统计如表2所示。
表2 基坑工程灌浆方法统计表
|
序号 |
工程名称 |
基坑深
度/m |
基坑结构
方式 |
地质情况 |
灌浆方法 |
|
1 |
广州市荔湾区医院 |
9 |
相切钻孔桩 |
淤泥、粉砂 |
两序单管旋喷灌浆 |
|
2 |
广东广播中心大楼 |
8 |
相切钻孔桩 |
粉质粘土 |
三重管定喷灌浆 |
|
3 |
海军某船厂船坞 |
10 |
相切钻孔桩 |
中、粗砂 |
三重管定喷灌浆、混合材料灌浆 |
|
4 |
广州荔景苑 |
12 |
相切钻孔桩 |
粉质粘土 |
深层搅拌桩、混合材料灌浆 |
|
5 |
广州市海珠广场
地铁站北出口通道 |
9 |
相切钻孔桩 |
淤泥、粉细砂 |
单管旋喷灌浆 |
|
6 |
香港湾仔污水泵房 |
26 |
相切钻孔桩 |
抛石、粉砂 |
水泥灌浆、混合灌浆逐级加密 |
|
7 |
香港中环泵站 |
27 |
相切钻孔桩 |
抛石、淤泥、粉土 |
膨润土、水泥灌浆、水玻璃、水泥灌浆逐级加密 |
5 结束语
桩间灌浆工艺的设计与施工的控制十分复杂，地下结构的不确定因素较多，因此，在基坑工程灌浆设计时，必须考虑灌浆工艺的可泵性、可灌性、灌浆体的强度与弹模等重要因素，亦要对施工的工况进行深人的研究，明确桩、灌浆与支撑（或锚拉）的施工时空关系；灌浆工艺参数要根据实际的土质情况进行动态设计；在基坑施工过程中应采用信息化施工，加强对基坑及支护结构的监测，确保基坑工程设计与施工的安全可靠。灌浆工艺经过多年的工程实践，已广泛在基坑工程中应用，而随着新材料不断出现，新的灌浆工艺有待进一步探索与研究。
于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。