高压旋喷重力式挡墙支护体系在边坡工程中的应用研究

崔书杰   王帅   宋嘉俊   张严

中建八局第三建设有限公司  江苏南京  210046

摘要：高压旋喷重力式挡墙是一种利用高压喷射水泥浆与土体混合形成的水泥土帷幕作为挡墙的支护体系。它以重力式结构为基础，通过高压旋喷技术形成挡墙，具有施工简便、工期短、成本低、环保等优点。以高压旋喷重力式挡墙为核心构建的支护体系适用于各种边坡工程，如不稳定或易受侵蚀的边坡、滑坡治理、支挡结构物、防止冲刷等。同时，它也具有较好的环保性能，对周围环境的影响较小。基于此，本文对高压旋喷重力式挡墙支护体系在基坑边坡工程中的应用进行了深入探讨研究，以供参考。

关键词：高压旋喷重力式挡墙；支护体系；边坡工程

1 引言

高压旋喷的基本步骤包括利用强力的空压机生成的高压气体，使其传输到空心的钻杆中，接着通过钻杆的钻头的气嘴进行喷射，以实现土体的切割。同时，钻头设有浆嘴，负责在割土的过程中进行搅动，加入适量的水泥浆液。这种液体与气体相混后，使得土体和水泥浆液能够充分融合，从而形成强度较高的水泥土桩。高压旋喷的关键是通过高压气体切割土体，要求钻杆必须严密封闭，其钻头不附带金属切割刀片，这样会特别适合用于治理砂土、粉土、粘土、泥土以及如河道等地的淤泥土。此外，高压旋喷桩的桩径与空压机气体的压力以及斜坡土的质量有关，通过调整气体的压力，可以有效地控制桩体的最大直径。

选择采用高压旋喷桩+内支撑支护形式，不但可以解决基坑支护问题，还能起到止水帷幕效果。支护中充分利用高压旋喷桩的特性，起到支护及止水的功效；加以内支撑起到基坑稳定、牢固的特点，保证了基坑的稳定，给地下车库主体结构施工提供安全保障，是一项值得我们研究的技术。

2 高压旋喷重力式挡墙支护体系概述

2.1 重力式挡土墙简介

我国普遍使用重力式挡土墙，主要功能是借助挡土墙本身的重量阻挡土壤的横向压力以保持路基稳定。如，弹性预制混凝土、石块以及板石等都能被作为重力式挡土墙的施工材料，其修建步骤主要是使用板石混凝土或者混凝土进行浇铸，以实现路基的稳固。至于半重力式挡土墙，一般会选择用低筋混凝土或普通混凝土进行施工。总的来说，重力式挡土墙的制造通常会选用混凝土或石料，它的外观大多呈阶梯状。

重力式挡土墙的主要优势在于可以轻松获取建筑材料，工作效率较高，并且具有经济性和实用性。这一特性使其在公路，铁路，水利，港口，矿产等领域得到了广泛的应用。该墙的稳定性主要依赖于其自身的重量，因此，它的重量和体积相对较大，尤其在地基较软的工作地点，其承重能力可能会受到限制。例如，如果墙体较高，则需要的材料较多，导致建设成本增加。但是，如果建筑地基牢固，且挡土墙不需要过高，同时施工现场附近有所需材料，那么最佳选择就是重力式挡土墙。另外，这种墙体通常无需安装大量钢筋，可能只在特定区域内安装少量钢筋，因此，墙体的高度需限制在6米以下。在土壤稳定，对周边建筑物和道路构造影响小的环境下，重力式挡土墙是极好的选择。

2.2 高压旋喷重力式挡墙支护体系特点及设计原则

高压旋喷重力式挡墙支护体系是一种广泛应用于土木工程领域的支挡结构，主要用于承受土压力、水压力等垂直荷载，以防止土壤或岩石的位移和崩塌。该支护体系利用高压喷射技术形成混凝土桩，桩体之间通过连锁块或整体板连接，形成稳定的重力式挡墙，具有施工简便、承载力高、耐久性好等特点。

高压旋喷重力式挡墙支护体系的设计应遵循以下原则：

（1）确保支护体系的稳定性和安全性，能够承受可能出现的最大荷载；

（2）优化结构设计，减轻结构自重，减小对地基的压力；

（3）考虑周边环境的因素，尽量避免对周边环境的影响；

（4）满足工程预算及工期要求。

2.3 高压旋喷重力式挡墙支护体系设计流程

（1）墙体结构形式设计

高压旋喷重力式挡墙支护体系采用重力式结构，利用墙体的自重来抵抗水平荷载，达到支护的目的。设计时，根据地质勘察报告、基坑深度、周边环境等因素，确定墙体的高度、厚度、材料等参数。

（2）墙体材料选择

墙体材料应具有足够的强度、耐久性和稳定性，常用的材料有混凝土、浆砌片石、钢渣等。混凝土具有较高的抗压强度和耐久性，但自重大，施工不便；浆砌片石具有较好的抗滑性能和耐久性，但强度相对较低；钢渣等轻质材料具有较轻的自重和良好的稳定性，但需要采取防锈措施。设计时，应根据实际情况选择合适的材料。

（3）墙体施工工艺

墙体施工工艺主要包括施工准备、测量放样、开挖基槽、垫层施工、墙体浇筑/砌筑、锚杆施工、防水层施工等步骤。施工过程中，应控制好基槽的开挖深度和宽度，保证墙体的稳定性和承载能力；锚杆施工时应确定好锚杆的位置、深度和角度，确保锚杆能够提供足够的加固作用；防水层施工时应选择合适的防水材料，确保墙体具有良好的防水性能。

（4）墙体锚杆加固

锚杆是一种常见的加固方法，可以增加墙体的抗滑能力和稳定性。设计时，应根据实际情况选择合适的锚杆类型、长度、直径等参数，并确定好锚杆的位置和角度。施工过程中，应控制好锚杆的施工质量和深度，确保锚杆能够提供足够的加固作用。

（5）墙体防水设计

防水设计是墙体的重要组成部分，可以防止水分渗透和侵蚀墙体。设计时，应根据实际情况选择合适的防水材料和设计方法，并确定好防水的施工工艺和质量标准。常用的防水材料有防水卷材、防水涂料等。

（6）墙体监测和维护

墙体监测和维护是保证墙体安全和稳定的重要措施。监测方面，应定期对墙体进行沉降观测和位移观测，及时发现和处理异常情况；同时应做好周围环境的监测，如发现异常应及时采取措施。维护方面，应定期对墙体进行检查和维护，如发现损坏应及时进行修复或加固。

（7）墙体环境保护

在设计和施工过程中，应充分考虑环境保护的因素。例如，在选择材料时，应尽量选择环保的材料；在施工过程中，应控制好噪音、扬尘等方面的影响，避免对周边环境造成不良影响。

（8）墙体经济效益评估

在设计高压旋喷重力式挡墙支护体系时，除了考虑其技术性能和环保性能外，还需要对其经济效益进行评估。评估的内容包括投资成本、施工周期、维护费用等方面，以便更好地确定其经济合理性和可行性。

3 高压旋喷重力式挡墙支护体系在边坡工程中的应用

3.1 工程概况

清江中学新校区建设项目是淮安市重点教育类项目，总建筑面积9.5万㎡，地上建筑面积8.1万㎡，地下建筑面积1.4万㎡，包含地上7栋单体，地下人防和非人防地下车库，最大单体建筑面积18194.32，非装配式，基坑最大深度6m，混凝土构件最大跨度9.2m，钢结构最大单跨30m。

表1 工程概述表

基坑支护及降水	支护形式	北地块：1:1自然放坡+六排Φ600@400高压旋喷桩重力式挡墙（局部八排） 南地块：自然放坡+单排排Φ600@400高压旋喷桩止水帷幕
	降水方式	北地块布置110口降水井、14口观测井，南地块布置18口降水井、4口观测井，井径φ615，井内下φ315高强度波纹管，井深15m。 在雨季时，坡顶设置轻型井点降水。采用φ48PVC@1200，管长6米。
地基基础	桩型	抗压桩：UHC-500（125）II-C105，桩长24米/28米，桩芯填充C40 P6微膨胀混凝土 抗拔桩：PHC 500 AB 125（C80），桩长11米，桩芯填充C40 P6微膨胀混凝土
	基础类型	地库：桩基承台/下柱墩+筏板，C#组团桩基承台地梁；其他：桩基承台
	混凝土等级	桩芯：C40 P6微膨胀;基础、外墙（水池）、顶板、梁C35P6;墙、柱：C35~C60。
地上主体	结构类型	现浇混凝土框架结构
	砼强度等级	柱：C30~C60， 梁、板：C35、C30。
	填充墙体	ALC轻质隔墙板；蒸压加气混凝土砌块

图1 基坑支护平面图

1）主动土压力计算

主动土压力是影响重力式挡土墙稳定的关键因素。常见的计算公式有库仑主动土压力公式和朗肯主动土压力公式。

2）稳定性验算

稳定性验算主要包括抗倾覆稳定性和抗滑稳定性。抗倾覆稳定性计算公式为：

η=(G-E)/F

其中，η为稳定性系数，G为挡土墙重力，E为土压力，F为抗倾覆力矩。

抗滑稳定性计算公式为：

μ=(G-E)/(f×A)

其中，μ为稳定性系数，G为挡土墙重力，E为土压力，f为摩擦系数，A为挡土墙底面积。

3）基底应力与偏心距验算

基底应力验算公式为：

P=F/A

其中，P为基底压力，F为土压力，A为基底面积。

偏心距验算公式为：

e=M/P

其中，e为偏心距，M为弯矩，P为基底压力。

3.2 施工要求

（1）土方开挖

a.只有当校对基坑支撑平面图与地下室建筑平面图一致后，才能开始土地挖掘作业。

b.挖掘基坑和修复边坡的过程需要自上向下，逐层逐段进行，每一层的挖掘深度应在土钉或插筋下方0.5m，且最多不可超过1.5m，每一段的挖掘长度应在10-20m范围内。具体要根据实际场地的土质状况来决定，严格禁止深度和长度超出规定范围的挖掘行为，每挖掘一层后，作业面暴露的时间不能超过24小时。

c.因此，只有在顶部注浆体和喷射混凝土外壳的强度各自到达其设计强度的70%（注浆体的设计强度为20MPa，喷射混凝土外壳的设计强度为C20）我们才能启动下一级地基的开挖。也就是说，每个土钉的保养周期为三到五天。

（2）土钉、锚管施工

a.C48钢管用于进行锚管项目，直接悬挂在地底，其管壁厚度不得少于3.0mm。当钢管的前端1/3部分进入地表时，每隔600mm就设置一组排浆口，以防止土壤堵塞，焊接薄钢片覆盖在孔口上。

b.在进行旋挖钻机的施工时，我们遵循的是干式钻挖工艺，严令禁止利用江水进行孔洞的打造。该孔径达到了100mm。同时，所使用的钉杆由HRB400型的钢筋所构造。在每隔1.5米的钉杆上，都会焊接出一对中架支撑，这些支撑由钢筋或钢板制作而来。

c.将P.042.5型水泥浆液应用于土钉与错管的灌浆材料，其中灌浆所需要的水和水泥的比例应在0.4至0.5之间。全程灌浆的压力要维持在0.4至0.6MPa的区间。

d.在进行水泥浆的混合过程时，需保证其混合均匀。同时，混合完成后应立刻投入使用，要确保在开始凝固之前将所有混合好的水泥浆全部耗尽。并且，要让土钉和锚管保持整齐的排列，每增加一个米的长井，土钉和锚管的浇注量必须不少于五十公斤。

依据地质报告中描述的地层分布，我们把填土层的设计组件定为锚管，老土层的设计组成要素定为土钉。在现场施工的过程中，我们需要依照实际的地层分布做适当的调整。在需要把锚管和土钉进行互换的时候，我们要确保它们的水平距离和长度的一致性。

e.每个剖面的土钉墙施工必须严格遵守设计规定的坡度，绝对禁止反坡事件的发生。

f.对于锚管和土钉使用的注浆材料，其强度等级应当至少为M20。

（3）高压旋喷施工

a.双管工艺被运用在高压旋喷柱中，而浆液则选用的是纯水泥浆，其水灰比被设计为1.0。高压水泥浆液的流动压力最低为25MPa。每米的高压旋喷桩应有至少200kg的水泥俘获量，同时，高压旋喷柱的桩顶空头必须用回灌法填充水泥浆以实固。

b.旋喷柱的高压位移绝不可超过50毫米，立方偏移量也不应超出1.0%。若在建立防水帷幕的过程中检测到压力突降、急升或大量冒浆等不正常情况，需立刻找出问题源头并实施相应措施，确保问题解决后方可恢复施工。如果在挖掘后发现帷幕漏水，必须使用注浆进行堵漏。

c.施工作业中的高压喷射灌浆应遵循孔间分布的顺序，喷射灌浆的相邻孔位间歇期不应短于一天；

d.若因故导致喷射注浆在过程中暂停，恢复进行时，应确保与之前停喷时的注浆体进行连接，且该连接长度需不低于500。

e.应当按照现行的行业标准，《建筑地基处理技术规范》JGJ79的相关规定，来进行高压旋喷和注浆帷幕的施工。

f.高压旋喷柱施工前应进行试柱，经检测合格后方可大范围施工。

表2 基础开挖检验标准及验收方法

序列	项目	允许偏差	检验数量	检验方法
1	基坑边缘距路基中线距离	+50，-10mm	4 点	尺量
2	台阶尺寸	±100mm	4 点	尺量
3	斜面基底坡率	±1%	4 点	水平尺与楔形尺量计
4	起讫里程	±100mm	截面尺寸变化处2点	经纬仪测量尺量
5	基底高程	0，-50mm	5点	水准仪测量
6	地基承载力	符合设计要求	2点	土质基坑采用动车触探 N63.5）；石 质基坑采用现场目测鉴别方法

表3 重力式挡墙允许偏差及检验方法

序列	项目	允许偏差	检验数量
1	距线路中心距离	0，+20mm	3 处
2	墙身厚度（前缘至后缘 ）	0，+20mm	3 处
3	顶面高程	±20mm	3 处
4	泄水孔间距	±20mm	全部检验
5	起讫里程	±100mm	全部检验
6	沉降缝位置	±50mm	每道缝
7	沉降缝宽度	±4mm	6 处
8	垂直度（h≤6m）	10mm	3 处
9	垂直度（h>6m）	15mm	3 处
10	斜度	+3%设计斜度	3 处
11	平整度	20mm	3 处
12	墙身混凝土强度	强度等级符合 设计要求	每100m3混凝土取试件1组，不足100m3亦制取1组试件。

3.3 施工方法

1）旋喷桩的定位：在动工前，对旋喷桩进行定位设计、标定并通过复核，然后布置桩位，以确保桩孔核心的位置偏差小于50毫米。

2）建设污水排放和砂浆混合系统：在施工的过程中，产生的回转浆应该被排入沉淀设施，沉淀后的清水应被以环保方式排放。沉淀的泥土应配合后期施工废弃物统一运输。结合现场实际情况，砂浆混合系统应设于水泥附近，以便于施工。

3）置好钻机以后，必须将其调至水平并对准中心，同时调节桩机的直度，以便钻杆的方位与桩位吻合。对各种设备如空压机与泥浆泵进行调整，保障其能够正常运作。对钻杆长度进行检测，然后在钻塔附近用红色的漆来标出深度线，以便确保打孔底部的标高可以达到预先设定的深度。

4）在着手工作之前，需要先对地面进行预采。待钻机顺利启动后，可开始对引孔进行钻进。在整个钻孔期间，应积极记录钻杆节数，以准确判断钻孔的深度。施工的步骤包括利用泥浆保护壁面和采取回转钻进方式。钻孔直径为50mm，并用直径110mm的钻机导孔，若高压清空后，继续进行旋喷注浆。钢桩穿越填充土层直到接触至下方的粉质粘土，深度至少达0.5m。如在钻进过程中泥浆丢失或未能返浆，可通过增加泥浆浆稠度、在泥浆中添加砂子或向孔内填充止漏材料等方式，等到返浆正常后再继续钻进。在钻孔过程中，应记录孔位、深度以及地质变动，以及泥浆泄漏、落钻等特殊情况和应对方案。

5）把岩心管拉出，然后放进引孔钻，再向预期深度钻进，之后替换成为喷射填浆管。为了避免喷嘴被沙子或者泥土堵住，需要一边喷射水一边插管，而水压的强度不应该超过1Mpa。同步地，也需要用塑料布将高压水喷头包裹好，以防泥土渗透进管里。

6）在执行旋转喷射动作的过程中，应自底向上进行喷射管的操作，并清理出的泥浆。在启动喷射之前，需要达到预定的喷射压力，并进行喷浆，接着逐步提升旋喷管的位置。以保证桩底的质量，当喷嘴下降到设计深度时，应让喷嘴保持原位旋转大约30秒，等待孔口溢出浆液后再提升喷射管。钻杆的旋转和升降过程必须保持连续，假如钻机出现故障应立即终止并进行维修，以免造成桩体断裂。为了提升桩底部的质量，可以适当延长在桩底部1.0m范围内的钻杆旋喷时间。根据遭遇的地层情况，可以在旋喷升降过程中调整旋喷参数。

7）一旦旋喷达到预设的桩顶高度，便中断旋喷流程，把钻头拉升到孔口位置，接下来清理注浆泵以及输送管道，最后转移钻机的站点。

4高压旋喷桩施工检查

高压旋喷桩的整体检查是有效保证工程顺利进行的基础，主要分为施工前检查、施工中检查和施工后检查三个阶段。日常维护和清洁工作，确保整个机械设备在使用过程中的平稳运行，避免因维护不当造成整个井口和管道的堵塞。施工前准备好一系列原材料，根据工程需要选择相应类型的水泥，确保水泥质量检验合格。同时对施工过程中所需的搅拌桶、电机进行调试，保证比重仪、坐球机、直尺等工具的准确性，加强施工设备的全面管理。施工前应对整个注浆过程进行测量，确保整个注浆作业的稳定性。具体步骤：

4.1 施工前检查

施工前检查是整个施工工艺和设备质量的保证。对包括水泥在内的整个施工项目所需原材料进行了充分测试，并对水灰比进行了充分测试。调试施工设备旋转位置的准确性，确保设备在整个施工工作中的完整性。试试高压旋喷桩、钻机、泥浆泵等。需要施工时，检查是否有问题，确保整个钻杆和钻头顺利完成。施工前可对施工环境进行安全检查，确保整个施工环境满足工程初步设计要求。

4.2 施工中检查

施工质量检查主要体现在以下几个方面。检查整个施工过程中的重要环节，包括整个钻杆的倾斜度、水平面的放置和孔眼的准确定位。用精确的方法测量水泥和水的比例，使整个钻机在工作过程中保持转速。实时测量水泥喷射压力，观察地面冒浆情况，完整记录施工过程，根据土层变化记录施工情况。

4.3 施工质量标准

对固定土的整体状况和均匀性、土的尺寸、强度、直径和位置的检查。

结语

高压旋喷重力式挡墙适用于各种边坡工程，如不稳定或易受侵蚀的边坡、滑坡治理、支挡结构物、防止冲刷等。同时，它也具有较好的环保性能，对周围环境的影响较小。然而，在应用过程中也需要考虑地质条件、工程规模、材料等因素，以及施工过程中的质量控制和维护管理。合理的勘察设计和施工方案是保证支护体系有效性和安全性的关键。

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