原位淤泥固化技術在供水管道工程軟基處理中的應用

吳 碩

(福建省莆田市供水有限公司，福建 莆田 351100)

1 工程概況

本工程是石門澳產(chǎn)業(yè)園專管供水工程，保障石門澳產(chǎn)業(yè)園各部門用水，供水管線總長11.4km，其中供水干管長3.18km，管徑DN1600，管材采用PCCP管。工程等別為Ⅳ等，工程總投資8300萬元，工期360d。管道基礎承載力需達到150kPa。工程區(qū)位于湄洲灣的灣內(nèi)，場地地貌上屬濱海潮間帶灘涂。根據(jù)地質(zhì)鉆探報告及地表踏勘結合區(qū)域地質(zhì)資料，供水管道區(qū)域為淤泥質(zhì)灘涂，由上至下分布：①吹填淤泥(流泥)，高含水率、欠固結；②淤泥，高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低強度；③粉質(zhì)黏土。

供水管道平均開挖深度4m，基本無法形成管槽，存在超沉降與不均勻沉降，抗滑穩(wěn)定性差、承載力不足等地質(zhì)問題。供水管道面臨地質(zhì)差，任務重，工期急，探討一種有效解決吹填淤泥中管道基礎處理方案問題尤為重要。

2 淤泥基礎處理方案的分析比較

2.1 選擇淤泥基礎處理方案

根據(jù)GB51064—2015《吹填土地基處理技術規(guī)范》、JGJ79—2002《建筑地基處理技術規(guī)范》，可以采用的地基處理方法有壓實法、堆載預壓法、真空預壓法、強夯法、振沖法、固化法、電滲排水法、換填墊層法、水泥土攪拌法、碎石(砂)樁置換法等。

工程區(qū)域為淤泥質(zhì)灘涂，管基在吹填淤泥、淤泥層上。由于淤泥含水量高，淤泥層較厚，根據(jù)施工布置、大面積淤泥場區(qū)施工需要，本工程基礎處理選擇低位高真空分層預壓擊密方案、原位淤泥固化方案和水泥攪拌樁方案進行比選。

2.2 淤泥處理方案工藝原理

(1)低位高真空分層預壓擊密法。第一階段預壓固結排水，在吹填淤泥層中插入排水板進入粉質(zhì)黏土層，鋪設排水管路、土工布、土工膜形成真空體系，在預壓荷載作用下前期固結排水速率高，沉降量大，較好完成前期土質(zhì)固結；第二階段動力固結排水，在淺層插入高真空排水管，利用擊密產(chǎn)生的孔隙水壓力和高真空形成的負壓共同作用，使得淤泥層中水快速排出，地基土達到超固結，在動力固結排水影響范圍內(nèi)淤泥層承載力再一次提高，形成剛度及承載力較大的硬殼層。

表1 場地地質(zhì)參數(shù)

(2)原位淤泥固化法。利用安裝在挖掘機上的液壓強力攪拌頭向淤泥中摻入專利固化劑進行原位攪拌。專利固化劑為復合型材料，主要成分為礦渣微粉、硅酸鹽熟料等。固化劑通過管道由壓縮空氣輸送到滾軸中間經(jīng)由錐形噴頭噴出，有效成分在堿性環(huán)境中充分化學反應，生成各種水化膠凝產(chǎn)物。膠凝物質(zhì)產(chǎn)生的強度和穩(wěn)定性主要是靠凝結、包裹土層中的細小顆粒，形成具有一定強度的骨架結構。固化材料顆粒與淤泥顆粒相互填充，形成緊密堆積結構，加上固化材料本身具有較高的強度和硬度，通過水化產(chǎn)物相互搭接后，固化材料顆粒的未水化部分在水化產(chǎn)物之間還可起到強有力的“微集料填充”和“骨架支撐”作用，在養(yǎng)護齡期內(nèi)持續(xù)地增加強度，使土體達到要求的承載力。

(3)水泥攪拌樁。以水泥系列材料為固化劑，通過深層攪拌機械，在地基深處就地將原位土和固化劑強制攪拌，形成水泥土增強體。固化劑、其他摻合料與土之間產(chǎn)生一系列物理化學反應，形成復合地基以提高地基承載力，減少沉降。

2.3 淤泥處理方案的比選

針對供水干管段地層分布，選取樁號G0+980～G2+480m段1.5km范圍的典型斷面進行比選。

表2 方案比選分析 單位:萬元

水泥攪拌樁理論成熟，應用廣泛，但由于水泥的固結特性，當遇到各類離子含量較高的海相軟土淤泥時，成樁不易。同時吹填淤泥含水率高，性質(zhì)較于普通淤泥更差，樁間土的土拱效應幾乎不能發(fā)揮，復合地基無法保障。水泥攪拌樁法投資比淤泥固化高825萬元，處理的吹填淤泥效果較難控制，不推薦該方案。

低位高真空分層預壓擊密法和淤泥固化處理法都屬于國內(nèi)先進的軟基處理技術，前者屬于物理處理法，后者屬于化學處理法。1.5km的軟基處理和管道鋪設，低位高真空分層預壓擊密法比淤泥固化處理節(jié)省213萬元，真空能提供80kPa左右的荷載，配合堆載土方荷載，先期完成大部分沉降。但真空預壓膜下真空到達處理極限后，強度無法繼續(xù)提高，單純真空預壓無法達到設計要求，需采取聯(lián)合堆載，低位預壓+堆載需運行6個月才能開始管道施工，處理后形成的“硬殼層”隨著深度的增加，地基承載力、邊坡穩(wěn)定性逐漸減少，工后沉降、含水率逐漸增加，管道鋪設施工條件較差，同時供水管道呈線狀走向，各單元分區(qū)密封溝設置難度大，兩側未處理吹填淤泥會導致線性處理區(qū)的真空度難以達到理想工作狀態(tài)，進而影響處理效果。

淤泥固化處理可就地固化施工，邊固化邊推進，形成的固化土具有良好的整體強度。處理1個月后可進行管道安裝輔設施工，工程質(zhì)量容易控制，工序少工期短，固化土具有防滲能力強，淤泥固化后可以達到Ⅲ類土級別，開挖的管槽邊坡較小，槽內(nèi)基本上沒有水，管道鋪設施工條件較好。

綜合考慮工程投資、工期、基礎承載力、施工條件等要求，本工程采用原位淤泥固化處理方案。

3 淤泥固化質(zhì)量控制要點

3.1 施工流程

淤泥固化施工工藝步驟如圖1所示。

圖1 淤泥固化施工工藝步驟

根據(jù)場地淤泥參數(shù)事先在實驗室內(nèi)確定固化劑的配方和使用量，施工現(xiàn)場根據(jù)實驗結果，使用固化攪拌機在規(guī)定的范圍內(nèi)邊向下旋轉邊噴放固化劑，使淤泥和固化劑充分攪拌達到均勻性，淤泥固化土的強度隨著時間不斷地增長，直至達到承載力要求。

3.2 淤泥固化質(zhì)量控制及改進措施

(1)施工前準備工作。目前原位淤泥固化技術沒有操作規(guī)程，根據(jù)工程特點和水泥攪拌樁做法，制定本工程淤泥固化操作規(guī)程指導施工。現(xiàn)場實驗確定分區(qū)長度、出灰壓力、攪拌時間、搭接寬度等各項參數(shù)，見表3。施工場地平整，不得有積水。

表3 各項參數(shù)

(2)優(yōu)化固化區(qū)域劃分。本工程淤泥固化施工作業(yè)區(qū)呈線性，設計管槽處理寬度9m，處理深度7m，固化劑摻量為85kg/m3，每車固化劑約32t，計算出每個固化工作區(qū)面積為54m2。根據(jù)工程場地條件，主要材料和機械設備從已硬化石門澳公路轉施工便道到達施工地點。供水管道固化區(qū)域劃分為9m×6m，4.5m×12m 二種，采用流水作業(yè)?？拷延泄?、地質(zhì)條件較好施工段采用9m×6m劃分區(qū)域，即管槽寬度范圍9m一次施工成型。距離公路較遠施工段鋪設便道進入場地，采用4.5m×12m劃分區(qū)域，先處理管道中心線一側，3d后機械在已初步固化區(qū)域鋪設鋼板施工另一側。在每個固化區(qū)域四個角點插彩旗標記，對管槽范圍充分處理，相鄰工作區(qū)之間搭接不得少于50cm，避免漏固化現(xiàn)象。

(3)更換攪拌頭。原攪拌頭直徑1100mm、長7m，插入底部轉速變慢，攪拌效果不佳。更換攪拌頭直徑，由原來的1100mm更換為900mm，減少單次攪拌范圍，提高轉速，達到充分攪拌效果。

(4)控制固化劑摻量?？刂瞥龌覊毫_0.2MPa，在出灰管設置固體流量計，實時控制出灰量，特別是深部攪拌出灰量，每車固化劑使用不得超出劃定工作區(qū)，確保工作區(qū)內(nèi)固化劑使用達到摻量要求。

(5)控制攪拌頭插入垂直度及攪拌時間。控制攪拌頭插入垂直度偏差小于桿長的1.5%，每個插入點時間控制在20～25s，由上至下，攪拌頭下沉速度由快變緩。通過監(jiān)控得知到達最底部出灰量較少，所以攪拌達設計高程時固定2～3s，讓其噴灰，再向上提升攪拌。每個工作區(qū)內(nèi)插入點互相搭接至少30cm，使固化劑與淤泥充分混合，保證淤泥的固化效果。

(6)控制攪拌遍數(shù)。淤泥固化土攪拌3遍以上，在第一遍注料結束后繼續(xù)第二遍注料，經(jīng)2次注料，固化劑可比較均勻注入到施工區(qū)域，最后空料攪拌一遍，現(xiàn)場觀察判斷是否需要第四遍空料攪拌，如果判斷攪拌不均勻，應進行第四遍空料攪拌。

(7)控制場地整平壓實及養(yǎng)護。淤泥固化土攪拌后，盡快完成面層碾壓，消除攪拌造成的空隙，便于固化土整板形成。場地原位養(yǎng)護，3d內(nèi)禁止各類車輛通行。28d養(yǎng)護期內(nèi)淤泥固化土隨著時間增加強度不斷增長。

4 淤泥固化成效及工后沉降

現(xiàn)場取樣攪拌完成的散土制模檢測5d無側限抗壓強度(平均分2層，表層3.5m隨機抽樣一組，底層3.5m隨機抽樣一組)，檢測頻度為每層每1000m2檢測為一組，每組6個試件，共檢測51組，強度均超過50kPa。輕型動力觸探配合淺層平板荷載試驗對地基承載力進行檢測，即大范圍內(nèi)采用觸探法進行測試，并用平板荷載試驗輔證觸探法，檢測頻次1000m2不少于1點。輕型動力觸探檢測21組，淺層平板荷載試驗做3組，部分檢測結果見表4—6。

淤泥固化處理深度7m位于淤泥層，管槽底部范圍有軟弱下臥層，根據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》，計算最終沉降量48mm。工程完工后在管道沿線設置3處工后沉降觀測點，每個月觀測1次，連續(xù)觀測6個月，累計沉降量小于允許總沉降量。

通過過程檢測、竣工檢測，養(yǎng)護后固化土地基承載力達到鋪設要求，并且滿足沉降要求。

表4 無側限抗壓強度檢測值

表5 輕型動力觸探結果

表6 平板荷載試驗測試結果

5 結語

原位淤泥固化技術可有效用于供水管道工程吹填淤泥地基加固處理，具有就地固化施工、邊固化邊推進的優(yōu)勢，施工效率高，工藝簡單，快速成型滿足承載力及沉降要求，有效控制工期。施工過程中控制的重點主要包括固化劑摻量、出灰壓力、攪拌頭垂直度、攪拌時間、攪拌遍數(shù)等參數(shù)，確保固化劑與淤泥充分混合，達到處理效果。