水泥土攪拌樁在河道工程中的應用研究

鄧 旭 張 博

（1.上海浦東建筑設計研究院有限公司，中國 上海201204；2.上海市水利工程設計研究院有限公司，中國 上海200061）

1 水泥土攪拌樁介紹

水泥土攪拌樁是一種用于加固飽和粘土地基的常用軟基處理技術，是指運用水泥（或其他水泥類材料）作為固化劑，通過特殊的攪拌機械，將地基深處的原狀土體和固化劑（水泥類）強制拌和，固化劑和軟土體之間會發(fā)生一連串的物理、化學反應，從而使天然地基土結硬成具有一定整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的樁體，從而提高地基土承載力和增大變形模量。 這種樁法多數(shù)情況在處理軟土地基時應用，從而形成樁土復合地基；復合地基中水泥土攪拌樁與樁周土體共同承擔上部荷載，這樣就使地基承載力提高、地基沉降量減小。水泥土攪拌樁也可以用作基坑圍護結構及止水帷幕等。 根據(jù)施工方法的不同，可以分為水泥漿攪拌樁和粉體噴射攪拌樁兩種。前者是用水泥漿和地基土攪拌，后者是用水泥粉和地基土攪拌。

2 水泥土攪拌樁在河道工程中的應用

2.1 工程概況

本工程位于上海浦東新區(qū)通用汽車地塊內(nèi)， 軌道交通12 號線申江路站以東有一段約850m 長區(qū)間隧道位于巨峰路下。 本工程新開挖河道西群河位于巨峰路北側，其中有長約440m 的西群河河道藍線位于12 號線保護范圍內(nèi)， 此段河道藍線距12 號線盾構邊線最窄處僅8m。 此段現(xiàn)狀地面標高為3.83～4.18m，河道樁基工程及土方開挖卸載施工可能對區(qū)間隧道產(chǎn)生一定的影響。

2.2 河道開挖對地鐵12 號線影響分析

為保證地鐵12 號線正常運營，需研究西群河的土方卸載在施工、正常運行等工況下對地鐵12 號線運營的影響。 本工程護岸結構形式為直立式駁岸結構，護岸施工工藝流程為：施工準備→測量放樣→基坑開挖→護坡結構施工→土方回填→河道開挖→外運堆土→開挖斷面測量→整形→防汛通道、綠化種植→工程驗收。 即先進行護岸基坑開挖，待護岸施工完畢及墻后回填土按要求壓實后，再進行20m 寬河道基坑開挖。 施工時應根據(jù)實際情況，采取分段、分時開挖基坑方法，并在盾構邊線附近按規(guī)范要求埋設若干個沉降觀測點。

計算工況分為施工期及正常運行期對軌道交通12 號線區(qū)間隧道的影響。 其中施工期考慮河道基坑開挖對隧道的影響，正常運行期考慮不同河水位對于隧道的影響。 具體如下：

表1 計算工況表

為了較準確的反映河道開挖施工時填土卸荷對盾構隧道的附加變形影響，計算采用彈塑性有限元分析方法，準確考慮各結構的空間位置和剛度大小，按實際施工工序，精確模擬河道開挖對盾構隧道的影響。

因河道與盾構隧道相對位置恒定，故計算采用巖土專用有限元分析軟件Plaxis 進行三維有限元模型的平面計算，數(shù)值計算中充分考慮了河道開挖的影響范圍建立計算模型，其中模型長（x 方向）95m，深度方向（y 方向）為30m。 數(shù)值計算中，土體采用實體單元進行模擬；盾構隧道采用板單元模擬，并根據(jù)截面進行剛度換算。 其中，土體采用莫爾-庫侖模型模擬； 圍護結構材料考慮為彈性受力階段， 設為彈性材料。 計算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結沉降和初始應力的影響，并通過施工階段來模擬施工工況。

根據(jù)計算，若無土體變形控制措施，施工及運營過程中盾構隧道最大累計位移量為11.83mm。根據(jù)上海市城市軌道交通網(wǎng)絡建設標準化技術文件 《地下空間土壓平衡盾構施工風險控制建設指導意見》第6.4.2 地鐵保護標準， 河道開挖施工時盾構隧道各方向位移量不得大于5mm，則無土體變形控制措施時，計算盾構隧道位移量不滿足變形控制要求。

2.3 水泥土攪拌樁設計研究

由于計算得出的盾構隧道位移量不滿足要求，必須采取一定的變形控制措施。 河道開挖過程中涉及大面積卸土，卸土面下方土體由于正應力消失而上拱變形，土體上拱變形引起下方土側移，從而導致臨近的隧道結構側移，因此可從兩個方面控制變形：1.河道卸土區(qū)正下方地基加固，提高土體強度及彈性模量，從而控制整個土體變形；2.河道卸土區(qū)與隧道間設置支護結構，以控制臨近隧道的土體變形。 經(jīng)計算比較，若僅在河道卸土區(qū)正下方地基加固，如壓密注漿、旋噴樁、水泥土攪拌樁，加固效果一般，且加固土體量較大，費用較高；若在河道卸土區(qū)與隧道間設置支護結構，驗算看出，水泥土攪拌樁墻控制變形能力較好，且造價經(jīng)濟合理。

經(jīng)試算得出造價合理且控制變形效果較好的方案， 擬采用Φ850@600 三軸深層水泥土攪拌樁墻，攪拌樁樁長28m，其中固化劑采用425 號普通硅酸鹽水泥，水泥攪拌樁水泥摻量為20%，樁體無側限抗壓強度（28 天齡期）不小于1.4MPa。 墻厚5.05m。

根據(jù)計算結果，采用水泥土攪拌樁墻后，隧道最大累計變形為駁岸基礎開挖階段的隧道累積位移，位移量為3.93mm。 因此，水泥土攪拌樁墻作為河道開挖過程中的土體變形措施，能有效將盾構隧道變形量控制在允許范圍內(nèi)。

3 結論

水泥土攪拌樁利用水泥等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機械就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用水泥和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學反應，使土體硬結成具有整體性，水穩(wěn)定性和一定強度的樁體，從而減少軟土地基的沉降量，抑制土體側向變形。經(jīng)過三維有限元模型計算，水泥土攪拌樁能夠有效的控制土體位移，從而解決河道開挖對地鐵盾構隧道的影響問題。

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