河道基礎(chǔ)淤泥固化

馬良

摘要：本文結(jié)合華佗大道跨宋湯河箱涵工程的現(xiàn)場實(shí)際狀況，通過理論研究、現(xiàn)場試驗(yàn)，總結(jié)形成了河道基礎(chǔ)淤泥固化施工方法，解決了淤泥棄置對環(huán)境的污染問題，保證了施工過程中的安全和質(zhì)量，節(jié)約了成本，保護(hù)了環(huán)境，確保了工期，取得了顯著社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：淤泥；固化劑；深層攪拌機(jī)

1、序言

淤泥換填為施工中較為常見的施工方法，但換填存在很多問題，首先淤泥成分復(fù)雜，含許多重金屬，有機(jī)污染物，病源微生物等有害物質(zhì)，不容易利用，棄置對生態(tài)環(huán)境破壞巨大，易腐敗發(fā)臭，易污染土壤、水體，特別是目前正處于環(huán)保大檢查及環(huán)保技術(shù)改革階段，淤泥的運(yùn)輸及棄置就更是一件難事。其次，隨著我國環(huán)境保護(hù)法的嚴(yán)格管控，使得部分地區(qū)地材（換填片石、碎石等）短缺，價格較高。再則，換填施工開挖基坑較深，對周邊土體擾動較大，易造成安全隱患，特別是河道兩側(cè)充滿流砂體系的環(huán)境土質(zhì)。故常規(guī)的淤泥換填已不能滿足環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全等方面要求。

2、固化法特點(diǎn)

2.1淤泥固化過程中無振動，無噪音，對環(huán)境無污染。

2.2對周邊無側(cè)向擠壓，對鄰近建筑物影響很小，相對于換填施工安全隱患大大減小。

2.3根據(jù)設(shè)計荷載和地基承載力要求，以現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方式確定淤泥固化劑摻量。

3、適用范圍

3.1淤泥質(zhì)土地基（河道、湖泊、軟基路床等）處理，工作面寬度≥10米，深度2-25米。

3.2建、構(gòu)筑物、橋、箱涵等淤泥、雜土地基的固化處理。

3.3淤泥換填難度較大或者換填材料成本較高。

4、工藝原理

該工法針對淤泥加固的重難點(diǎn)，對傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，主要工藝原理如下：

利用降水措施將地下水水位降至淤泥底50cm，通過深層攪拌機(jī)對基礎(chǔ)進(jìn)行攪拌同時噴入固化劑，原地將淤泥固化，利用固化劑與淤泥強(qiáng)制拌合，使固化劑和淤泥發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，使之凝結(jié)成具有整體性、穩(wěn)定性、有足夠強(qiáng)度的持力層地基。

固化劑的種類較多，本工程用的主要成分為水泥和一定量的固化添加劑，固化劑水化反應(yīng)完全是在土的圍繞下產(chǎn)生的，凝結(jié)速度比混凝土緩慢，固化劑與淤泥或部分軟粘土拌合后，固化劑和淤泥及土中的水分發(fā)生強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng)，同時從溶液中分解出氫氧化鈣生成硅酸三鈣（3CaO、SiO2）、硅酸二鈣（2CaO、SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO、AL2O3）、鐵鋁酸四鈣（4CaO、AL2O3、Fe2O3）、硫酸鈣（CaSO4）等水化物，有的自身繼續(xù)硬化成水泥石骨架，有的則因有活性的土進(jìn)行離子交換和團(tuán)粘反應(yīng)、硬凝反應(yīng)和碳酸化作用等，使土顆粒固結(jié)結(jié)團(tuán)、顆粒間形成堅固的聯(lián)結(jié)，形成粗顆粒并具有一定的強(qiáng)度。

固化添加劑成分為離子濃縮型高分子聚合物，其作用機(jī)理：

① 土壤固化劑與含有一定水分的土壤混合后，在土壤中形成網(wǎng)狀結(jié)晶體，穿插在土壤顆?？障堕g形成強(qiáng)度骨架。

②土壤固化劑的成分和土壤顆粒參加化學(xué)反應(yīng)，激發(fā)土壤的自身物質(zhì)生成不溶于水的堅硬物質(zhì)，填充在強(qiáng)度骨架之中，使固化土形成不可逆的堅實(shí)板體，并具有良好的耐久性。

③ 固化劑溶液中的高價離子可以改變土壤顆粒表面電性，降低土壤顆粒的水膜厚度，提高土壤顆粒間的吸附力，增大密實(shí)度，降低滲水性。

④ 土壤經(jīng)過粉碎、拌合和壓實(shí)等物理外力的作用下，土壤顆粒彼此靠近，從而減少被固化土的空隙，使固化體系進(jìn)一步密實(shí)，從而具有較強(qiáng)的承載能力和防水能力。

5、施工流程及操作要點(diǎn)

5.1施工流程

施工流程見圖5.1-1。

5.2工藝操作要點(diǎn)

5.2.1施工前準(zhǔn)備

施工前，做好施工方案、技術(shù)交底、安全交底，熟悉施工圖紙、設(shè)計說明及設(shè)計相關(guān)文件、施工規(guī)范及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。深基坑施工方案要通過專家論證，專項施工方案報公司相關(guān)部門審批。批準(zhǔn)后方可施工。檢測固化劑質(zhì)量、各種機(jī)械及計量設(shè)備是否能正常運(yùn)行。

5.2.2圍堰、導(dǎo)流渠、鋼板樁、降水井前期施工工作

針對寬度≤50米的河道，一般采用圍堰對河道進(jìn)行封堵，一側(cè)開挖導(dǎo)流渠引流，利用水泵將圍堰內(nèi)河水排出，兩側(cè)采用管井降水施工，通過降水計算，調(diào)整井間距及深度，將地下水降至淤泥下50cm。根據(jù)現(xiàn)場施工情況確定河道邊坡支護(hù)方案?？缢螠酉浜こ膛R近省道，省道邊埋設(shè)一道國防光纜，并河床兩邊有粉砂流沙層，故從安全、經(jīng)濟(jì)、工期考慮采用12米拉森鋼板樁支護(hù)。

5.2.3便道施工及基坑土方開挖至設(shè)計標(biāo)高

沿河道一側(cè)修筑一條施工便道到河邊，河道內(nèi)設(shè)計標(biāo)高以上淤泥利用長臂挖機(jī)在河道上清除或利用普通挖掘機(jī)進(jìn)入河道內(nèi)表面淤泥清除，淤泥上表層填筑一層50cm干土作為機(jī)具施工平臺，供深層攪拌機(jī)、挖機(jī)等設(shè)備在上面行走施工，在基礎(chǔ)較軟地段鋪設(shè)臨時鋼板。

5.2.4試驗(yàn)段施工和配合比的確定

固化劑用量過少，則達(dá)不到預(yù)期要求，過多則造成不必要的浪費(fèi)，對水泥用量及均勻程度的控制是施工中的重點(diǎn)難題，施工中，通過室內(nèi)配合比多次試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)段施工，得到不同固化劑含量下淤泥加固立方體抗壓強(qiáng)度及地基承載力大小，從而確定固化劑最佳用量；施工工藝、攪拌遍數(shù)、攪拌機(jī)提升速度、泵送時間、泵送壓力、復(fù)拌次數(shù)、施工機(jī)械等施工參數(shù)。每根樁位開鉆后應(yīng)連續(xù)作業(yè)，不得中斷噴漿。

5.2.5樁位放樣

根據(jù)深層攪拌機(jī)攪拌葉輪直徑，計算出各個樁的平面坐標(biāo)，用GPS（全站儀）放出各個樁位的中心點(diǎn)并做好標(biāo)記，同時設(shè)立控制樁。方便及時校核樁位。根據(jù)樁位控制樁機(jī)行走，避免漏樁。

5.2.6深層攪拌機(jī)定位

（1）平面就位。放好樁位后，按樁的施工順序移動攪拌機(jī)到達(dá)指定樁位，鉆頭對中。

（2）調(diào)整深層攪拌機(jī)機(jī)雙向控制導(dǎo)向架的垂直度，在樁機(jī)井架的正面和側(cè)面均應(yīng)吊掛垂球，質(zhì)量不小于0.5kg。根據(jù)吊垂偏移，測定攪拌軸垂直度，用來監(jiān)測樁身的垂直度，及時發(fā)現(xiàn)樁機(jī)是否傾斜，調(diào)整導(dǎo)向架的垂直度小于1.5%。

（3）樁位復(fù)測。深層攪拌機(jī)機(jī)就位后，根據(jù)控制樁位檢查鉆頭位置。

（4）攪拌深度控制。采用雙控，一方面根據(jù)勘察設(shè)計的深度，其次根據(jù)淤泥層與土層對攪拌機(jī)葉片阻力不同，土層的阻力比淤泥層大。當(dāng)深層攪拌機(jī)在下鉆攪拌過程中阻力一般線性增加，當(dāng)進(jìn)入土層會阻力會驟增，阻力的增減反映到攪拌機(jī)的電流表上，通過實(shí)驗(yàn)，兩者基本吻合，在現(xiàn)場我們通過觀察電流表變化情況控制攪拌深度。每個點(diǎn)位都設(shè)置編號并做好施工原始記錄。

5.2.7拌制漿液

（1）單根樁所需的水泥漿盡量一次拌制完成。一次拌不完的，根據(jù)總量分次拌制完成。深層攪拌機(jī)預(yù)攪下沉的同時，后臺拌制水泥漿液，待壓漿前將漿液放入集料斗中。每根樁每次所使用的固化劑漿液量要均勻充足，使用時根據(jù)在漿液罐罐壁上焊接的每根樁（或每次）需用水泥漿的刻度線確定用漿量，確保漿液滿足配比要求。

（2）確定每米噴漿量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、攪拌葉輪尺寸，通過成樁試驗(yàn)，確定固化劑的最佳水灰比、流速、泵送時間和壓力、攪拌機(jī)提升和下鉆速度等參數(shù)，確定每米噴漿量。

5.2.8 噴漿攪拌施工程序

（1）噴漿攪拌下沉

攪拌樁開鉆之前，應(yīng)用水清洗整個管道并檢驗(yàn)管道中有無堵塞現(xiàn)象，待水排盡后方可下鉆。啟動攪拌樁機(jī)轉(zhuǎn)盤，待攪拌頭轉(zhuǎn)速正常后，方可使鉆桿沿導(dǎo)向架邊下沉邊攪拌。以0.38～0.75m/min的速度沉至要求深度，下沉?xí)r開始噴漿，工作電流按不同深度不同地層及阻力的不同對應(yīng)電流表數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)確定額定值，當(dāng)達(dá)到接近設(shè)計深度臨界時仔細(xì)觀察電流表上升幅度，發(fā)現(xiàn)電流驟升幅度超出額定值20%時，立即停鉆。

（2）噴漿反轉(zhuǎn)攪拌提升

下沉到達(dá)設(shè)計深度后，開啟輸送泵，通過管路送漿至攪拌頭出漿口，出漿后啟動攪拌樁機(jī)，再以0.3～0.5m/ min的均勻速度提升攪拌，與此同時開動漿泵將漿體從深層攪拌中心管內(nèi)不斷注入淤泥中，由攪拌葉片將漿體與深層處的淤泥攪拌，邊攪拌邊噴漿直至要求標(biāo)高。

（3）噴漿復(fù)攪下沉

連續(xù)重復(fù)攪拌，保證其整體性和均勻性，淤泥攪拌頂部高出設(shè)計箱涵底20cm，底部入土層500mm。

（4）反轉(zhuǎn)復(fù)攪提升

下沉到達(dá)設(shè)計深度后，停止噴漿，反轉(zhuǎn)復(fù)攪提升，使之充分?jǐn)嚢?，得到更好的均勻性和整體性。

5.2.9均勻沉降施工

由于淤泥分布深度的不均勻性及周邊不同介質(zhì)的粉砂土層，呈現(xiàn)出中間深（5米），兩端淺（2米）現(xiàn)象，由于加固的深度不一和周邊土質(zhì)差異，造成各部位地基物資彈性模量不一致，導(dǎo)致容易對箱涵主體造成不均勻沉降，故施工中在固化淤泥頂部鋪設(shè)一層50cm級配碎石后鋪一層土工格柵，使基礎(chǔ)的不均勻沉降達(dá)到有效的調(diào)整控制。

5.2.10施工降排水

在箱涵基礎(chǔ)四周修筑排水溝，每隔40米開挖一個集水坑，對雨季基坑內(nèi)地表水進(jìn)行抽排。地下水通過降水井排入河道內(nèi)，通過降水井的驗(yàn)算，降水井深25米，沿河道兩側(cè)每隔10米布置1座，共40座。

6、質(zhì)量控制

6.1質(zhì)量驗(yàn)收及評定標(biāo)準(zhǔn)

固化后基礎(chǔ)驗(yàn)收滿足《建筑地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB/50202-2002、《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》 GB/T50783-2012，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012要求。

6.2淤泥固化質(zhì)量控制

6.2.1參考地勘報告，施工前利用深層釬探桿對箱涵淤泥基礎(chǔ)斷面進(jìn)行全面探測，根據(jù)探測結(jié)果，畫出平面圖、橫斷面圖、樁位圖。對樁位進(jìn)行編號，并注明深度，作為操作過程中深度控制參考。經(jīng)常檢查設(shè)備及儀表確保正常作業(yè)。

6.2.2采用攪拌軸徑雙層葉輪500mm整體交叉攪拌，攪拌為重復(fù)攪拌，加固入砂土層50cm，從而保證淤泥固化的質(zhì)量。

6.2.3鄰近攪拌孔邊界距離完全相交達(dá)到整體攪拌效果最佳，由于漿體攪動及漿體有一定的壓力使之周邊加固土全部連接在一起形成一個整體，增加地基強(qiáng)度的整體性，穩(wěn)定性，達(dá)到淤泥地基的整體固化和整體強(qiáng)度。

6.2.4攪拌施工執(zhí)行24小時旁站制和遠(yuǎn)程監(jiān)控錄像跟蹤并實(shí)時監(jiān)控，必須對攪拌水泥實(shí)際用量，攪拌深度、攪拌位置、施工時間進(jìn)行嚴(yán)格把控并做好記錄。

6.3試驗(yàn)檢測

施工完一個月后，可委托有資質(zhì)實(shí)力的檢測單位采用靜載試驗(yàn)進(jìn)行檢測。試驗(yàn)合格后進(jìn)行進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下道工序施工。

結(jié)束語：

本工法解決了淤泥棄置對環(huán)境的污染問題，消除了淤泥開挖外棄過程中臟亂差的施工現(xiàn)場。本工程原設(shè)計箱涵基礎(chǔ)為級配碎石換填，隨著我國環(huán)境保護(hù)法的嚴(yán)格管控，使得地材（換填片石、碎石等）短缺，價格較高。通過比對本工程采用淤泥固化節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本528萬元。

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（作者單位：中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司）