背景技术
水泥土搅拌桩由于其施工简便、成本低廉，而被广泛应用于地基处理、基坑支护及止水帷幕桩等领域，但搅拌桩在现有设备条件下施工较硬土层，受到极大限制。单纯旋喷桩，无论单管双管或三管旋喷，尤其三管旋喷返浆量巨大，在市内施工，仅排污就是一个很大的问题。在现有设备条件下施工较硬土层，同样受到这样或那样的限制。例如某基坑工程采用了在每两根钢筋混凝土护坡桩(桩中心间距1.6m)之间设置两根直径600mm的单管旋喷水泥土桩，基坑开挖后，观测止水效果并不理想，而且个别旋喷水泥土桩垂直度也未能达到设计要求。为此人们开始积极地改进方法，采用复合的方式解决问题便应运而生。据查公开号CN1078519专利公开了“钻孔注浆成桩法及钻具旋喷装置”(92106176.5)采用了在长螺旋钻具上设置旋喷装置的方法，扩大了旋喷和长螺旋两种工艺的适用范围。再如公开号CN2223653专利公开了“喷搅注浆处理地基装置”(95216200.8)，提供了一种用深层搅拌法和高压喷射法相结合的喷浆处理地基装置，以达到增大地基面积、增大承载力的目的。
公开号CN1504613专利公开了“防水桩挡墙的成型方法及其使用的螺旋钻机”，其防水桩挡墙的成型方法，包括以下步骤：(1)用螺旋钻机钻孔，钻到设计的旋喷深度时，开动泥浆泵，调整水泥浆喷嘴的喷射压力和螺旋钻钻杆的钻进速度，使水泥浆喷嘴旋喷水泥浆，形成扩孔护壁；(2)待钻孔达到设计的钻孔深度时，使钻杆停止转动，此时一边提升钻杆，一边压灌混凝土，混凝土压灌到设计高度时，形成混凝土桩；(3)根据设计的需要按上述步骤依次成桩，形成防水挡墙。
另一种防水桩挡墙的成型方法，其包括以下步骤：(1)用螺旋钻机钻孔；(2)待钻孔达到设计的钻孔深度时，使钻具停止转动，调整喷嘴的方向、钻具的提升速度和喷嘴压力，此时一边提升钻具，一边压灌混凝土，同时定喷水泥浆，定喷到设计高度后，定喷停止，混凝土压灌到设计高度时，移开钻具，将钢筋笼插入桩孔内的混凝土中至钻孔底部，形成钢筋混凝土桩；(3)根据设计的需要按上述步骤依次成桩，形成防水挡墙。
公开号CN1818228A专利公开了“桩排式地下防水墙的成型方法及其使用的螺旋钻机”，桩排式地下防水墙的成型方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据设计需要，在地面上确定每个挡墙桩位置，然后制作形成多个挡墙桩；2)待挡墙桩固化以后，根据二个挡墙桩之间的间距，用螺旋钻机分别在二个挡墙桩之间的地面上进行钻孔，所钻孔的孔壁分别与二个相邻挡墙桩的侧壁相切或相距400mm以内；3)当钻孔钻到设计深度后，一边提升螺旋钻机的钻杆，一边开动泥浆泵，通过钻杆内的注浆管经位于钻杆下部的水泥浆喷嘴向钻孔内喷射制备好的水泥浆，形成一个与两边相邻挡墙桩相连的水泥土桩；4)按上述步骤依次在每个挡墙桩之间形成水泥土桩，形成桩排式地下防水墙。
专利“钻孔注浆成桩法及钻具旋喷装置”(92106176.5)主要用于形成扩大头；“喷搅注浆处理地基装置”(95216200.8)，主要用于地基处理，提高承载力；而专利“防水桩挡墙的成型方法及其使用的螺旋钻机”(02153752.6)，其中防水桩挡墙的成型方法主要用于在制作钢筋混凝土护坡桩的同时利用旋喷形成防水挡墙。
现就“防水桩挡墙的成型方法”(02153752.6)及“桩排式地下防水墙的成型方法”(CN1818228A)存在的不足进行以下分析：
1、可行性差：以北京地区直径800mm护坡桩支护体系为例，桩间距一般1.5～1.6m常用，桩间净距为0.7～0.8m，采用上述任何一种旋喷方法，其喷射半径至少要达到0.4～0.45m才可保证形成连接好的“防水挡墙”，保证止水效果，但是从北京地区基坑开挖来看，还没有一个成功的实例。换言之，该方法在大部分情况下，要形成可靠的“防水挡墙”，距离实践还有一段距离。
2、施工参数不匹配：采用边压灌混凝土边旋喷提升钻具，两者之间需要一个合适的匹配参数，否则只能保证其中一项的正常效果，如果保证压灌混凝土连续(其泵量固定)，喷射的效果则保证不了，反之亦然。要保证喷射的效果，则压灌混凝土连续就有困难。
3、水泥用量偏大，经济效益差：因该工法实质是以旋喷为主的工法，长螺旋钻进置换了的土大部需要用水泥浆来填充，水泥用量偏大，以直径600mm旋喷桩为例，每米水泥用量达250～350kg。
4、缺少测量放线定桩位控制步骤：测量放线定桩位步骤是保证桩位准确的前提。帷幕桩位不准确造成的后果很严重，曾有的工程案例，在地表施工帷幕桩，而护坡桩在地表下2～3m，结果帷幕桩打在了护坡桩上。其桩间止水效果就无法保证。
5、桩排式地下防水墙的成型方法，其提升速度是螺旋钻机本身的提升速度，实践证明提升速度快切割作用时间短，不能达到一个“临界”的作用时间，对土层的切割效果是很差的，即使采用多遍上下，其切割土层效果也不能保证，作用遍数不能代替“临界作用时间”的效果，从而在已施桩和新施帷幕桩之间不可避免留下空隙。从而使漏水成为不可避免。
6、由于工艺本身的缘由，在不喷浆直接提升钻具时就形成一个“空洞”。某工程案例已证明不得已在基坑壁上支模板浇注混凝土填充“空洞”，给施工带来不便。
7、未能体现节能效果：现场施工提供的用电量偏小时，采用该设备就显不足，有时被迫改为并不可靠的普通旋喷桩技术。致使施工质量无法保证。
另外，本人在发明专利申请《长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩及其施工方法》(申请号为200810101832.7)中公开了采用长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩的施工方法，主要步骤是：在相邻的护坡桩之间用长螺旋钻机钻出引孔；利用长螺旋旋喷搅拌桩钻具边钻进边旋喷水泥浆，边搅拌至设计孔底标高；旋喷搅拌提钻形成帷幕桩成桩：钻具在上返时边旋喷或定喷水泥浆，边搅拌至设计标高成桩。这种工艺虽然可以形成水泥土帷幕桩，但是也存在以下缺点：1、引孔后在新孔与已施护坡桩之间留有部分原状土，这就在随后通过旋喷水泥浆形成的帷幕桩与护坡桩之间产生结构间隙，使得二者之间不能很好的结合，整个止水帷幕的强度和止水效果大为降低；2、旋喷搅拌提钻的速度为匀速，不能根据地层不同、含水层位置不同实现分段变速控制，而为了适于任何地质情况都采用相同的、最低的提钻速度，导致施工效率降低和能源的浪费；3、在钻出引孔后需要回填钻出的虚土，增加了工序，延长了工期，也浪费了劳动力。
具体实施方式
参见图1～图3，本发明一种长螺旋旋喷搅拌帷幕桩的施工工艺，其主要工艺步骤包括：在相邻的两根护坡桩之间确定桩位，钻引孔，旋喷搅拌钻进和旋喷搅拌提钻形成帷幕桩，其特征在于：所述的旋喷搅拌钻进和旋喷搅拌提钻采用长螺旋旋喷搅拌桩钻具，采用以下“三遍水三遍浆”的工艺：(1)给钻具施加高压清水：首先从上至下旋喷钻进搅拌至设计孔底，然后定喷提升钻具到孔口，最后再定喷到孔底；(2)给钻具切换高压水泥浆：首先旋喷搅拌提升钻具到孔口，然后定喷下到孔底，最后再提升钻具定喷至设计标高成桩；进行上述的定喷工艺时，钻具的两个喷嘴分别朝向相邻的两根护坡桩。
所述的确定桩位的方法是：首先是测量放线定桩位将帷幕桩【由图3所示的喷射水泥浆之后的扩散桩体2、引孔直径内的桩体(构成帷幕桩的中心部分)3和定喷凸耳7】布置在两根护坡桩4后一定距离或两桩中间。
所述的钻引孔方法是：采用长螺旋钻机钻引孔，以确定桩的准确位置，并排除地下障碍；钻出引孔后反转上提钻具，将土留在孔内，或将浮土回填至不塌部位或离孔口1/3～1/4处。
钻具升降的速度由变频器控制，实现分段变速控制，控制方法是：有水孔段慢速升降，达到“临界作用时间”；非含水段可实现快速升降，提高生产效率，形成变直径或变控制宽度的帷幕桩，对于止水有更强的针对性可靠性，同时也具有节能效果。
该工艺采用的钻具为长螺旋旋喷搅拌桩复合钻具(授权公告号为CN201212147Y)，其钻头为长螺旋钻头加侧喷嘴或底喷嘴；钻杆为外平内空穿高压注浆管组合式搅拌钻杆。
实施例1：北京大学留学生公寓1～3#楼基坑工程
1、工程概况
北京留学生公寓位于北京市海淀区中关园，是一个集住宿、餐饮、会议、文化交流、办公休闲、健身娱乐于一体的综合性公寓园区。一、二、三号楼地下部分连为一体筏板基础。
2、工程地质条件
地层：根据钻孔资料及土工试验资料，拟建场地地层分为人工填土层及一般第四纪沉积层，地层描述如下：
人工填土(Qm1)
①素填土：①-1杂填土。
新近期沉积物(Qa1)
②-1砂质粉土。②-2粉砂。②-3粉质粘土。②-4、粘质粉土。
一般第四纪冲积物(Qa1)及冲积物(Qa1+p1)
③-1粉质粘土。③-2粘质粉土。③-3细砂。④细砂。④-1砂质粉土。④-2粘土。
⑤重粉质粘土。⑤-1粉砂。⑤-2粉质粘土。⑤-3砂质粉土。⑥粘土。⑥-1粘质粉土。⑦砂质粉土。⑧细中砂。⑨卵石。⑩细砂。(11)粘土。(11)-1粉质粘土。
(12)卵石，本层未钻穿。
3、水文地质条件
(1)地下水类型：
据勘察揭露，场地内地下水有4层，主要为第四纪地层中的孔隙水、微承压水和承压水，稳定水位为0.8-3.40米，水位标高为46.20-48.82米。主要受大气降水和地下径流补给，水位应季节性而变化。各层地下水类型及附存条件见表1。
表1
层号
主要含水层地层名称及层号
地下水类型
1
②-1砂质粉土、②-2细砂
台地潜水
2
④粉砂
台地潜水
3
⑦砂质粉土、⑧细中砂、⑨卵石
微承压水
4
(12)卵石
承压水
(2)降水方案：考虑上层潜水及第二层水变化幅度，根据场地降水施工条件，地下水的降深及地层的渗透性，综合考虑三侧采用了管井降水方案，西侧由于临近四栋六层居民楼，决定采用止水帷幕。
4、西侧止水帷幕
由于西侧已有四栋六层居民楼，距离基坑边缘5m左右，采用管井降水方案易导致建筑物产生沉降，故西侧选用了护坡桩之间设置本发明的帷幕桩组成止水帷幕。
本工程采用在相邻护坡桩4之间高压旋喷搅拌水泥浆形成帷幕桩，从而形成封闭的止水帷幕，可靠的切断坑内外水力联系。该长螺旋旋喷搅拌帷幕桩的桩径(喷射水泥浆之后的扩散桩体2的外径)为φ1000，桩长15.5m(从地表下2.0m计算)，在现有的每两根护坡桩4中间布置一根长螺旋旋喷搅拌的帷幕桩(参考图2和图3)。
5、长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩的施工参数及施工准备
(1)施工参数
①止水帷幕桩引孔直径![]()
600mm，孔深15.5m，护坡桩间净距0.8m，桩位置在两根![]()
800mm护坡桩的正中心向基坑外(即图2中向上)略偏移10～20cm。
②桩垂直度允许偏差0.5％以内；
③喷射水泥浆水灰比1.3～1.8，喷射压力20～30MPa。
④钻杆转速15～21r/min，提升速度0.3～1.5m/min，
(2)施工准备
①放线定桩位；
②水泥用P.O32.5，进场复试；
③施工机械及附属设施：液压步履式长螺旋钻机、往复式高压注浆泵、配电柜、搅浆筒、振动筛、滤网等。
(3)施工前对桩位进行校验，保证帷幕桩的位置准确；
(4)钻引孔：用![]()
600mm直径长螺旋钻具钻孔，钻机移至桩位，钻机调平、调直，钻至设计标高，钻出引孔后反转上提钻具，将土留在孔内，或回填钻出的虚土至适当为止；
(5)钻完引孔后，将长螺旋钻具更换为喷搅复合钻具，组装调试旋喷搅拌设备，确保设备运转正常，注浆管路畅通；
(6)按照设计水灰比对水和水泥重量(常规技术)进行计量，在搅浆桶里搅拌均匀后，经60目振动筛过滤后，放入储浆池中；
(7)储浆池中放置泥浆泵，对水泥浆进行不间断搅拌，防止水泥浆沉淀；
(8)注浆泵泵头用细目纱网罩罩住，防止吸入粗颗粒物而堵塞钻头喷嘴；
(9)每20棵帷幕桩从钻孔返出的水泥土浆液中取样，留置一组试块，试块尺寸为10×10×10cm。
6、质量控制
帷幕桩施工应符合下列规定：
(1)引孔深允许偏差为-50mm～+100mm；
(2)引孔距允许偏差为±100mm；
(3)帷幕桩的垂直度允许偏差为±0.5％。
7、应注意的问题
(1)注浆泵泵压不得小于20MPa，不得大于30MPa；
(2)钻具喷射注浆时的提升速度不得大于1.5m/min；
(3)旋喷搅拌水泥土帷幕桩施工前应针对现场地层进行旋喷搅拌试验，掌握喷射压力和孔内喷射直径的关系，水泥浆液喷射量和钻具提升速度的关系，水泥掺量和止水帷幕抗渗性能的关系，设定合理的施工技术参数。
8、旋喷搅拌水泥土帷幕桩施工主要设备参数
(1)启动柜
采用天津源顺五金电器设备厂生产的XL21启动柜表2
(2)往复式高压注浆泵
注浆泵采用天津市聚能高压泵有限公司生产的XPR-90E型高压注浆泵。其性能参数如下表3
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(3)高压泵电动机
采用衡水电机股份有限公司生产的三相异步电动机表4
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(4)钻机型号
采用徐州鹏达基桩工程机械研究所生产的液压步履式长螺旋钻机进行改装(见表5)。
表5
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(5)震动筛及筛网
采用改装型震动筛，网目数为60。
立式过滤网，网目数为60。
9、成桩情况：
帷幕桩施工完成后，对施工情况进行现场检查，开挖后考察帷幕桩成桩及止水效果，经检验，成桩情况良好，达到设计要求。经现场测量，桩径可达900mm，帷幕桩与护坡桩连接紧密，止水效果显著。
旋喷搅拌桩施工完成后，根据成桩情况及前期经验，又进行了进一步实验，实验方式为：钻具下降过程中以用旋喷搅拌形式钻进，达到设计深度后调整钻头喷嘴的方向，以定喷的形式提升钻具，最终形成水泥土板组合桩，其长度达1.35m。其控制长度更大，成桩效果更好。
通过本次施工，对现场原料用量及对实际工作量统计，与在两根护坡桩之间布两根旋喷桩相比，可知此项技术不仅效果好，而且大大降低了工程造价。工程量造价对比计算参见表7。
表7
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实施例2：中国建筑科学研究院科研试验大楼基坑工程
1、工程概况
拟建科研试验大楼位于北京市朝阳区北三环东路30号中国建筑科学研究院内。拟建建筑物由两栋科研主楼、裙房、地下车库组成，形成大底盘多塔楼联体结构；科研主楼部分地上20层、钢筋混凝土框架-剪力墙结构，裙房部分地上2层，裙房及地下部分为钢筋混凝土框架结构；主楼、裙房及地下车库均地下4层，筏板基础，基础埋深为19.11m。拟建建筑基坑开挖时为保证已有建筑的安全，拟采用桩锚支护结构。
基坑西侧16m处为中国建筑科学研究院主楼，基础埋深约10m，箱形基础，天然地基，支护结构为支护桩，预计桩长15m；
基坑西侧南部11m处为2层办公楼，无地下室，天然地基；
基坑北侧为北三环东路；
基坑东侧北部5m处为6层办公楼，1层地下室，天然地基；
基坑东侧中部5m处为16层住宅楼，1层地下室，基础埋深约5m，采用预制桩基础，桩长10m；
基坑东侧南部7m处为3层办公楼，无地下室，天然地基；
基坑南侧9m处为7层办公楼，1层地下室，采用夯扩挤密桩复合地基。
地下有污水雨水电讯热力等多种管线。
2、工程水文地质条件
2.1、地层概况
根据建研地基基础工程有限责任公司提供的岩土工程勘察报告，拟建场地标高为44.54-45.26m，地面下勘察深度范围内的土层划分为人工堆积层、第四纪沉积层，按地层岩性及其物理力学指标进一步划分为8个大层，各土层自上而下的分布简述如下：
杂填土①层。
粘质粉土②层。
粉质粘土③层。
粘质粉土④层。
中细砂⑤层：含5％左右的圆砾。
粉质粘土⑥层。
卵石⑦层：杂色，饱和，密实，卵石含量约为70％，卵石母岩成分主要为灰岩、石英岩、花岗岩等，中细砂、粉质粘土为主要充填物，卵石最大粒径12cm左右，一般粒径4～6cm，亚圆形，偶含漂石；圆砾⑦2层透镜体：杂色，饱和，中密，中细砂为主要充填物，最大粒径4cm左右，一般粒径1～2cm，亚圆形。
卵石⑧层：杂色，饱和，密实，卵石含量约为80％，卵石母岩成分主要为灰岩、石英岩、花岗岩等，中砂为主要充填物，卵石最大粒径18cm左右，一般粒径6～8cm，亚圆形，偶含漂石，中细砂为主要充填物，最大粒径5cm左右，一般粒径1～2cm，亚圆形。
2.2、工程水文概况
拟建场地在勘察深度范围内分布有3层地下水：第一层为潜水，静止水位埋深4.1-6.4m；第二层为层间潜水，水位埋深13.0-15.5m；第三层为微承压水，水位埋深20.1-22.5m。地下水对混凝土结构无腐蚀性，在干湿交替作用条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性。
3、主要设计施工参数
基坑由护坡桩和喷搅桩形成截水帷幕，喷搅桩位于两根护坡桩中间。桩顶标高为-4.0m，桩长20.0m。
(1)喷搅桩引孔直径300-600mm，喷搅桩有效直径不小于800mm。
(2)搅喷桩垂直度允许偏差为桩长的0.5％。
(3)喷射水泥浆水灰比为1～1.5，喷射压力20～30MPa。水泥采用P.S.A32.5水泥，复试合格后使用。
(4)钻杆转速15～21转/min，提升速度0.2～1.5m/min。含水层提速0.2～0.5m/min。
(5)水泥掺入量依土质、含水层性质，并经试验桩后确定。
(6)落底式截水帷幕。
4、施工质量控制措施
(1)施工前对桩位进行校验，保证喷搅桩桩位准确。
(2)长螺旋钻机就位、调平、调直进行钻孔直至设计深度。
(3)将长螺旋钻具更换为旋喷搅拌复合钻具，按设计要求的施工参数旋喷搅拌成桩，要保证设备运转正常，输浆管路通畅，供浆正常。
(4)按照设计的水灰比对水和水泥重计量，先放水后放水泥，在搅拌桶里搅拌均匀后，经振动筛过滤后放入贮浆池中。
(5)贮浆池中放置搅拌机(或泥浆泵)对水泥浆进行不断搅拌，防止水泥沉淀。
(6)注浆泵泵头用细目纱网罩罩住，防止粗粒物堵塞钻头喷嘴。
(7)喷搅工艺确定为“三遍水三遍浆”：旋喷搅拌复合钻具对准引孔中心后开动高压泵，泵送清水，旋喷下到孔底，定喷上来，再定喷下去，在水层上下2m范围，钻具上下速度0.2～0.5m/min。切换为水泥浆，泵送水泥浆至复合钻具，边旋喷边搅拌边上提，定喷钻进至设计深度，定喷提升钻具至孔口时停泵停喷搅，提起钻具移机至下一桩位。
(8)时刻检查高压水泥浆泵、输浆系统运转是否正常，并核算输浆量是否达到设计要求。
5、成桩及开挖后整体效果
帷幕桩施工完成后，对施工情况进行现场检查，开挖后考察帷幕桩成桩及止水效果，经检验，成桩情况良好，达到设计要求。经现场测量，桩径可达900mm，帷幕桩与护坡桩连接紧密，止水效果显著。
本发明的上述两个实施例中，关于钻具上下速度控制的基本原则是：有水孔段需要较低的提升和下降速度；无水孔段需要较高的提升和下降速度。变径是由于相同的喷嘴直径相同的压力情况下作用时间长的就形成了较大直径。由于提下钻速度慢，作用时间长，基本能够达到临界作用时间(达到工艺要求所需要的时间，而不是现有技术中为了适于任何地质情况都采用相同的、最低的钻速或增加上下作用遍数，造成施工效率降低和能源的浪费)，喷水时能清除干净桩间留下的土(如达不到该作用时间就不能清除干净留下的土)，同时喷浆时能形成较大的桩径或较大的控制宽度，止水效果好。