潛孔沖擊高壓旋噴復(fù)合管樁技術(shù)（DJP工法）及其在大灣區(qū)地基加固中的應(yīng)用

潘飛超，程子龍，劉厚樸，戴 斌，包小華，陳湘生

（1、中鐵南方投資集團(tuán)有限公司 深圳 518054；2、深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳 518060；3、北京榮創(chuàng)巖土工程股份有限公司 北京 100085）

0 引言

粵港澳大灣區(qū)有著復(fù)雜的地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件，在中低山丘陵區(qū)和盆地邊緣，斷裂構(gòu)造發(fā)育，加之經(jīng)歷了2 次大規(guī)模的海侵，從而導(dǎo)致大灣區(qū)沿海地區(qū)場地存在下臥軟弱淤泥夾層。其次，區(qū)內(nèi)三角洲平原水系眾多，一些地方隱伏碳酸鹽巖巖溶發(fā)育。再者，灣區(qū)濱海地帶存在大量人工回填工程［1］。同時，大灣區(qū)內(nèi)不同的地貌單元往往貯存有不同類型的地下水。在珠江三角洲河口平原區(qū)以第四系松散巖類孔隙水為主，而在丘陵山地區(qū)則以基巖裂隙及巖溶水為主［2］。

在此種地形條件下，為保證巖土工程項(xiàng)目的安全性及穩(wěn)定性，需要進(jìn)行合理的地基處理［3-9］，而地基處理作業(yè)難度較大，作業(yè)程序也比較復(fù)雜。在深厚塊石填土地層中進(jìn)行地基處理時，常用的施工方法有強(qiáng)夯+高壓旋噴樁工藝或旋噴法等。其中在深厚填土地層的場地處理時，強(qiáng)夯法常常深度不夠；常規(guī)的高壓旋噴樁工藝在噴射高壓漿前需要其他設(shè)備引孔，因增加引孔工序?qū)?dǎo)致施工效率降低，且引孔設(shè)備離開孔外時孔壁極易坍塌，導(dǎo)致再下入注漿管難度大；在無地下水的大空隙深厚填土地層中噴漿，注入地層中的水泥漿液極易沿空隙流失；在具有動水環(huán)境的深厚填土地層中噴漿，注入地層的漿液易被地下動水沖蝕，造成漿液的流失，均無法有效控制注漿范圍，導(dǎo)致成樁質(zhì)量均不可靠［10］。

潛孔沖擊高壓旋噴復(fù)合樁與傳統(tǒng)的高壓旋噴技術(shù)相比，該技術(shù)適用的地質(zhì)條件更廣，能夠在雜填土、碎石土、拋石地基和厚硬砂層等復(fù)雜地層中施工，無需引孔，一次性成孔成樁，并且成樁質(zhì)量具有可靠保證，大幅提升施工效率，節(jié)約材料和成本［11-13］。

1 工程概況

深圳市媽灣跨海通道（月亮灣大道～沿江高速）工程位于深圳市西部，途經(jīng)前海媽灣及寶安大鏟灣兩區(qū)域（見圖1）。線路呈南北向布置，南起于媽灣大道與月亮灣大道相交處，向北穿越前海灣海域，最終止于沿江高速大鏟灣收費(fèi)站及金灣大道與西鄉(xiāng)大道相交處路線全長約8.05 km。本段基坑深度為14.495～15.314 m。整體設(shè)計(jì)為DJP 復(fù)合管樁地基處理方案，DJP水泥土外樁樁徑700 mm，管樁為PHC-400-AB-95。

圖1 媽灣跨海通道位置Fig.1 Location of Mawan Cross-sea Passage

1.1 工程地質(zhì)條件

本工程場地勘察深度范圍內(nèi)主要分布巖土層從上至下依次為：人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積淤泥，全新統(tǒng)沖洪積粘土、中粗砂，上更新統(tǒng)湖沼沉積淤泥質(zhì)粘土，沖洪極細(xì)砂（含淤泥）、粘土、粗砂，中更新統(tǒng)殘積砂質(zhì)粘性土、構(gòu)造巖及全～微風(fēng)化薊縣系的混合花崗巖，如圖2所示。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面Fig.2 Typical Engineering Geology Profile （m）

1.2 水文地質(zhì)條件結(jié)

地下水（見圖3）主要有第四系松散層中的上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水3 種。上層滯水主要賦存表層素填土、填砂、填石層中，水位標(biāo)高1.4 m，地層深度范圍為0～5.18 m?？紫冻袎核饕嬖谟诖稚皩?，地層埋深13.28～22.37 m?；鶐r裂隙水地層埋20.79～37.20 m。

圖3 地下含水層剖面Fig.3 Underground Aquifer Section （mm）

1.3 地基處理重難點(diǎn)

1.3.1 工程地質(zhì)條件復(fù)雜

⑴場地表層分布有巨厚人工拋石填土層，填石不均勻分布，給高壓旋噴樁及管樁成樁帶來很大困難；地層均分布有砂土、風(fēng)化巖分布，地層強(qiáng)度不均，地基加固條件復(fù)雜；

⑵地層分布有地下動水條件的高水頭承壓含水層，含水層與海水有水力聯(lián)系，水位因潮汐作用常有變化，試樁抽芯水泥土成樁效果差，水泥漿液流失嚴(yán)重；

⑶地層分布有機(jī)質(zhì)淤泥土（有機(jī)質(zhì)含量9%），導(dǎo)致攪拌或高壓旋噴水泥土樁體不易成樁且水泥土強(qiáng)度低。

1.3.2 施工難度大

⑴基坑采用混凝土撐+鋼支撐的內(nèi)支撐支護(hù)體系，最下部支撐距離基底高度不足4.0 m，在基坑底面施工管樁，常規(guī)設(shè)備難以滿足工作高度要求；基坑開挖后在槽底施工預(yù)應(yīng)力管樁，若采用低凈空施工設(shè)備，市場保有量少，施工工效低，管樁接頭多，樁身質(zhì)量不易保障，施工進(jìn)度慢，基坑暴露時間長，支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、止水帷幕滲漏、坑底隆起、基坑突涌、周邊建筑物不均勻沉降等風(fēng)險(xiǎn)概率將大大增加（見圖4）。

圖4 地基處理樁與基坑圍護(hù)及支撐體系位置關(guān)系Fig.4 Pile Foundation Treatment and Foundation Pit Retaining and Supporting System

⑵支撐下立柱樁較多，且隧道結(jié)構(gòu)外墻與圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅100 mm，造成槽底施工鄰近立柱樁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁難以施工。

⑶在槽底進(jìn)行工程樁施工時，若采用靜壓工藝會產(chǎn)生擠土效應(yīng)，當(dāng)采用錘擊工藝時會產(chǎn)生振動，將對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及立柱樁產(chǎn)生較大影響，不利于基坑的穩(wěn)定性。

⑷若在地表進(jìn)行工程樁施工時，最大送樁深度達(dá)28.0 m，傳統(tǒng)送樁設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)。

2 施工工藝

2.1 技術(shù)參數(shù)

相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 DJP復(fù)合管樁施工參數(shù)Tab.1 Construction Parameters of DJP Composite Pipe Pile

2.2 技術(shù)原理

DJP 復(fù)合管樁技術(shù)是根據(jù)地層條件，首先水泥土外樁通過潛孔沖擊高壓旋噴樁工法或旋擴(kuò)高壓噴射注漿工法形成，然后在水泥土外樁內(nèi)同心植入預(yù)制芯樁，最后形成DJP 復(fù)合管樁。芯樁承擔(dān)了大部分的樁頂荷載，通過水泥土固結(jié)后對芯樁的握裹力，將芯樁的樁身軸力傳遞給水泥土外樁，水泥土進(jìn)一步通過其自身強(qiáng)度，將樁身軸力繼續(xù)傳遞給樁周土，以芯樁-水泥土-樁周土的方式實(shí)現(xiàn)了荷載傳遞。樁周土通過端阻力和側(cè)阻力的形式為復(fù)合樁提供承載力。

與普通高壓旋噴樁不同，DJP 水泥土外樁在形成過程中，因高壓水、高壓氣和高頻振動共同作用，水泥漿液滲入周邊土體內(nèi)或巖體裂縫更加充分，形成相互交錯的水泥土外樁表面，增加了水泥土樁與地層之間的摩阻力；同時，由于水泥土外樁具有較高的強(qiáng)度（≥1.2 MPa），為芯樁提供具有一定剛度的側(cè)向約束，不但增加了芯樁抗壓強(qiáng)度，同時也提高了芯樁抵抗水平荷載的能力，為樁基礎(chǔ)的抗震性能提供了安全儲備。由于水泥土將芯樁包裹，減少了地下水對芯樁的腐蝕，延長了芯樁的使用壽命。

2.2.1 水泥土樁成樁

⑴若遇到填海拋石、碎石、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，則采用潛孔沖擊高壓噴射注漿工法形成水泥土樁。如圖5?［11］所示，在鉆機(jī)就位后，開動大功率動力頭旋動鉆桿，向鉆桿底部的沖擊器提供高壓空氣（空氣壓力不低于2.0 MPa），潛孔錘在高壓空氣驅(qū)動下開始產(chǎn)生沖擊效能，直接將塊石、碎石、強(qiáng)風(fēng)化巖體錘擊破碎；同時，由高壓泵向噴嘴提供高壓水，沖擊器上部四周的噴嘴在≥25 MPa 的壓力下水平噴射高壓水流，將塊石碎石中夾雜的砂土或細(xì)粒土切割打散。鉆進(jìn)達(dá)到一定深度時，當(dāng)圍壓積累到一定程度，潛孔錘的高頻振動沖擊和高壓空氣的聯(lián)合作用將會在錘底地層內(nèi)產(chǎn)生“微氣爆”效果，進(jìn)一步提升鉆進(jìn)對周邊地層的沖擊破壞能力，同時在地層內(nèi)充分打開通道，利于后續(xù)水泥漿進(jìn)入被加固區(qū)域。

成孔完成后提鉆開始注漿，如圖5?［11］所示。此時，將高壓水切換為高壓水泥漿，同時提升噴射壓力至25～40 MPa，由噴射器側(cè)壁的噴嘴向周圍土體進(jìn)行高壓噴射注漿；此時，已成流塑或液化狀態(tài)的土體被噴射器四周噴射高壓漿充分?jǐn)嚢琛⒒旌?。同時，錘底噴射的高壓氣可加大攪拌混合力度，并將漿液往四周擠壓，沿著氣爆打開的孔隙和通道注入被加固的土體，從而形成均勻的水泥土混合物。這種噴射注漿方式要比普通的旋噴注漿產(chǎn)生的壓力更大，效果更好，在碎石土地層內(nèi)所形成的樁徑也更大。

圖5 DJP水泥土樁成孔、成樁示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Hole Formation and Pile Formation of DJP Cement-soil Pile

⑵若在淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、砂土層及全風(fēng)化花崗巖地層，則采用旋擴(kuò)高壓噴射注漿工法形成水泥土樁。采用大扭矩動力頭，驅(qū)動與外樁直徑相同螺旋鉆頭的長螺旋鉆具，垂直鉆入土體，同時啟動空壓機(jī)在鉆頭處噴射高壓空氣，輔助鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。此時啟動大流量高壓泵，將高壓空氣切換成大流量膨潤土水泥漿液（復(fù)合漿液），通過鉆頭噴嘴注射進(jìn)入鉆孔中，同時開始提升鉆具，由復(fù)合漿液將樁孔完全填充，直至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上0.5 m 處停止噴漿，然后將鉆具提升出地面完成DJP水泥土樁的施工。

2.2.2 復(fù)合管樁成樁

如圖6［11］所示，水泥土樁完成后，復(fù)合漿液初凝前，靜壓樁機(jī)采用大剛度超長送樁器，將樁身安置了定位裝置的PHC 管樁，同心植入未初凝的復(fù)合漿液中，形成DJP復(fù)合管樁，在管樁樁身安置了定位裝置，確保管樁在植樁時不發(fā)生掉樁，確保到位后的管樁在未初凝復(fù)合漿液中不會在樁孔內(nèi)偏斜，保證了水泥土外樁與管樁的同心度。管樁植入過程對復(fù)合漿液產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，使復(fù)合漿液擠壓滲透至樁周土體內(nèi)，增加水泥土樁與樁周土的側(cè)阻力。管樁植入過程施加壓力小于正常土層工作壓力，對樁身質(zhì)量影響?。?4］。

圖6 DJP復(fù)合預(yù)制樁成樁示意圖Fig.6 Schematic Diagram of DJP Composite Precast Piles

2.3 施工工藝流程

DJP 工法施工工藝流程如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)施工工藝流程Fig.7 Standard Construction Process

3 技術(shù)效果分析

3.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

⑴媽灣跨海通道工程起于南山媽灣港區(qū)的媽灣大道與月亮灣大道交叉處，穿越前海灣止于寶安區(qū)大鏟灣港區(qū)，場地分布有機(jī)質(zhì)淤泥土（有機(jī)質(zhì)含量9%），導(dǎo)致水泥土樁體不易成樁且水泥土強(qiáng)度低；地下動水條件的高水頭承壓含水層，試樁抽芯水泥土成樁效果差，水泥漿液流失嚴(yán)重。采用潛孔沖擊高壓噴射注漿（DJP）工法與旋擴(kuò)工法相結(jié)合的專利，克服地層高塑性指數(shù)，高粘聚力等不利因素，實(shí)現(xiàn)水泥土均勻攪拌，既確保了水泥土的成樁直徑，同時又確保了水泥土的均勻性，更加有利于水泥土強(qiáng)度的提高。

⑵基坑采用混凝土撐+鋼支撐的內(nèi)支撐支護(hù)體系，在槽底施工，工作面空間不足，施工進(jìn)度慢，且增大了基坑安全風(fēng)險(xiǎn)，若在地表進(jìn)行工程樁施工時，最大送樁深度達(dá)28 m，傳統(tǒng)送樁設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)。

為解決以上難題，實(shí)現(xiàn)地面施工DJP復(fù)合管樁，采用超長送樁器。實(shí)現(xiàn)在地面進(jìn)行水泥土復(fù)合管樁施工，可減少基槽底暴露時間，既降低下雨泡槽風(fēng)險(xiǎn)，又可增加土體穩(wěn)定性減小支護(hù)位移，確保地基加固工程絕對安全、無質(zhì)量事故。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，成功將管樁送至地下。檢驗(yàn)結(jié)果表明，樁位偏差垂直度均滿足規(guī)范要求，送樁后管樁樁身完整性無任何損害。

送樁器采用圓形鋼管，外徑400 mm，鋼管壁厚25 mm，管內(nèi)澆筑C40 混凝土。送樁器采用“六方頭”快速接頭，上節(jié)送樁器起吊后直接插入下節(jié)送樁器六方孔內(nèi)，兩側(cè)插入鋼銷固定，此種接頭連接速度快，可大幅提高施工效率。送樁器構(gòu)造及施工示意如圖8～圖10所示。

圖8 超長送樁器示意圖Fig.8 Super-long Pile Follower Schematic Diagram

圖9 送樁流程Fig.9 Send Pile Flow Chart

圖10 送樁器提拔Fig.10 Pile Feeder Promotion

⑶根據(jù)本地區(qū)水泥土試樁成樁檢驗(yàn)結(jié)果，在加固下部砂土、風(fēng)化砂、含黏礫石土層時，采用一般水泥凈漿，在粗砂、承壓水條件下，容易被地下動水流帶走而效果不好。為此，在本工程中擬采用抗沖蝕增稠的型添加劑，使其加入水泥漿液形成復(fù)合漿液，以抵抗潮汐作用下沖蝕水泥土漿液，改善漿液的抗動水能力，可以確保成樁效果。增稠效果如圖11所示。

圖11 RC-1型添加劑增稠效果展示Fig.11 Display of Thickening Effect of RC-1 Additive

⑷采用樁身定位裝置，確保管樁與水泥土樁同心同向。在管樁樁底與樁頂安裝定位裝置，保證管樁在水泥土樁中心不偏斜。

⑸采用先進(jìn)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，定位誤差小于5 mm。水泥土外樁施工完成后，北斗系統(tǒng)生成新的實(shí)際成樁坐標(biāo)，靜壓機(jī)設(shè)備依此坐標(biāo)準(zhǔn)備開始植樁作業(yè)，樁位放樣精度控制在20 mm 內(nèi)后方可點(diǎn)擊開始打樁，確保管樁同心植入水泥土樁中。

⑹本工程建立智能施工信息化物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺，以手機(jī)APP 為系統(tǒng)平臺終端，通過對施工的重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時全程監(jiān)控。針對DJP 工法，將施工過程各項(xiàng)信息通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，及時傳輸至相關(guān)管理人員的手機(jī)APP 上。確保在時間和空間上全方位了解項(xiàng)目的實(shí)施，做到隱蔽工程透明化。

3.2 潛孔沖擊高壓旋噴復(fù)合管樁的適用性分析

在本工程地基處理項(xiàng)目中采用DJP 復(fù)合管樁方案，可以解決復(fù)雜地層成樁困難、超長送樁、材料抗沖蝕強(qiáng)度等一系列問題；另外，從規(guī)避地基處理施工對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響、保證基坑支護(hù)體系安全角度來說，本方案具有顯著優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

⑴在地面施工地基處理所需全部樁，避免坑底施工遇到的各種困難和安全風(fēng)險(xiǎn)；

⑵先通過DJP 工法形成水泥土樁，后同心植入管樁，解決超長送樁難題的同時，可降低壓樁阻力，避免樁身因施工原因出現(xiàn)損傷；

⑶水泥土復(fù)合管樁的單樁承載力較普通管樁大幅提高，可大幅降低工程樁數(shù)量，縮短工期；

⑷DJP水泥土外樁為含膨潤土水泥復(fù)合漿液，其固化后滲透系數(shù)可以達(dá)到10-8cm∕s，且定位裝置確保了包裹管樁的外樁厚度均勻，因此在具有中強(qiáng)等結(jié)晶侵蝕長期浸水地下水環(huán)境中，以上可避免管樁樁身（含接頭）直接與地下水接觸，既提高了管樁的耐久性，又使得本工程可以采用P8 抗?jié)B等級普通硅酸鹽水泥的管樁作為芯樁，大大節(jié)省了造價；

⑸全部樁可采用樁長控制，既簡化了配樁工作，又可大幅減少材料損耗；

⑹因工程樁數(shù)量大幅降低，可顯著節(jié)約檢測費(fèi)用和檢測工期。

3.3 成果檢測

DJP 水泥土成樁直徑檢測及取芯效果如圖12 所示。單樁承載力試樁應(yīng)在試樁完成28 d 后檢測單樁承載力；單樁承載力檢測采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)進(jìn)行檢測，要求單樁承載力≥1 650 kN，檢測數(shù)量為3 根。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)最大加荷值為3 300 kN，經(jīng)過檢測樁身最大沉降為29.17 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。復(fù)合地基承載力試樁應(yīng)在試樁完成28 d 后檢測復(fù)合地基承載力；復(fù)合地基承載力檢測采用靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行檢測，要求復(fù)合地基承載力≥230 kPa，檢測數(shù)量為3 根。試驗(yàn)用承壓板尺寸為3.0 m×3.0 m，試樁最大加荷值≥4 200 kN。經(jīng)過檢測最大沉降為12.43 mm＜20.0 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 DJP復(fù)合管樁成樁效果及DJP水泥土樁取芯效果Fig.12 DJP Composite Pipe Pile Piling Effect and Coring Effect of DJP Cement Pile

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

本工程采用DJP 復(fù)合管樁作為明挖段地基處理方案對比管樁復(fù)合地基（在槽底施工管樁）方案，將兩個方案的施工圖預(yù)算總造價進(jìn)行對比，在工程建造的直接成本方面，采用DJP 復(fù)合管樁方案相比采用管樁方案降低造價8%左右，體現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

工期方面，兩個方案的對比差異更為顯著，原因主要有：①采用DJP 復(fù)合管樁方案，需11 000 根左右的樁，而采用管樁方案，需35 000根左右的樁，樁數(shù)大幅縮減，假設(shè)兩種工藝的施工效率接近，配置相同數(shù)量的設(shè)備，則DJP 復(fù)合管樁方案的工期預(yù)計(jì)為管樁方案的1∕3左右，節(jié)約幅度非常大；②如按管樁在槽底施工方案實(shí)施，在施工時將面臨施工工作面、限高、槽底地基土承重等多方面的困難，實(shí)際施工的組織和工效遠(yuǎn)低于在地面施工的效率，實(shí)際工期會增加更多。

4.2 社會效益

地基處理工程產(chǎn)生的消耗主要涉及到水泥、管樁等主材以及施工時設(shè)備所需的水電及柴油等，主材和水電油等能源材料的消耗量高低直接決定生產(chǎn)這些材料的實(shí)際消耗。通過上述經(jīng)濟(jì)效益部分的對比發(fā)現(xiàn)，采用DJP 復(fù)合管樁方案可顯著節(jié)約工程量，并且在主材、能源材料消耗方面，該方案的節(jié)約幅度同樣非常顯著，在節(jié)能減排方面優(yōu)勢明顯，符合國家倡導(dǎo)的工程建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能減排的政策要求。

DJP復(fù)合管樁技術(shù)在智能化施工方面具有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，以高精度、智能化的設(shè)備監(jiān)控技術(shù)手段取代具有不確定性因素的人工監(jiān)控技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵施工參數(shù)實(shí)時同步顯示和全過程自動記錄，基本實(shí)現(xiàn)隱蔽工程可視化的目標(biāo)，體現(xiàn)出科技力量在工程建設(shè)中的優(yōu)勢，為推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、管理方式升級提供了新的案例，符合國家倡導(dǎo)的科技建設(shè)發(fā)展方向。

5 結(jié)語

綜上所述，潛孔沖擊高壓旋噴復(fù)合管樁技術(shù)結(jié)合創(chuàng)新技術(shù)，不僅提高了工法的應(yīng)用范圍與靈活性，同時也保障了地基加固的效果。該技術(shù)潛孔錘施工仍存在復(fù)雜地層系統(tǒng)的分類情況不明確；合理確定復(fù)雜地層鉆進(jìn)鉆具和工藝規(guī)程的方法不明確等問題，需不斷完善優(yōu)化施工工藝，從而為潛孔沖擊高壓旋噴復(fù)合管樁技術(shù)施工提供有力保障。