海上復雜地質(zhì)條件下深層水泥攪拌樁地基加固技術(shù)

夏可強，王偉

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

海上深層水泥攪拌樁技術(shù)（Deep Cement Mixing）簡稱DCM 技術(shù)，是一種通過專業(yè)DCM 船舶將固化材料（水泥漿等）與地基土原位強制攪拌混合，利用化學固結(jié)作用在地基中形成堅固的加固土技術(shù)[1-3]。DCM 技術(shù)由于具有短期內(nèi)獲得高強度加固地基、結(jié)構(gòu)物不沉降、發(fā)生棄土少、抗震性能優(yōu)越、對周圍環(huán)境影響少等優(yōu)點而被廣泛應用于海洋地基加固中。近年來，我國對環(huán)保越來越重視，使得DCM 技術(shù)已成為港口建設(shè)、海上機場、垃圾堆場和人工島嶼等大型工程項目優(yōu)先選擇的地基加固處理技術(shù)[4-5]。

隨著DCM 技術(shù)在地基加固中被廣泛應用，處理地質(zhì)條件也越來越復雜，現(xiàn)有DCM 技術(shù)對淤泥質(zhì)軟土地基加固雖有相關(guān)研究，但對于在垃圾回填土、老黏土、硬砂土等海上復雜地質(zhì)條件下地基加固技術(shù)研究較少。本文主要以香港機場第三跑道擴建工程3204 標段為案例，介紹了DCM 技術(shù)在海上復雜地質(zhì)條件下地基加固處理的應用，并進行技術(shù)研究與總結(jié)。

1 工程概況

香港機場第三跑道擴建工程填海造地約650 hm2，地基加固處理采用海上深層水泥攪拌樁（DCM）施工技術(shù)。加固處理總方量約1 480 萬m3，其中3204 標段143 萬m3，樁體采用梅花形設(shè)計組合，單樁截面為4.627 7 m2，平均處理深度為20 m。

本標段施工區(qū)域位于工業(yè)和生活垃圾拋填區(qū)，土層內(nèi)分布大量鋼絲繩、斷錨、錨鏈、輪胎、鋼筋、鋼筋混凝土塊等廢棄物，埋設(shè)深度在3～20 m不等。根據(jù)地勘報告鉆孔揭露，場地勘察深度范圍內(nèi)土（巖）層分布主要為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、硬砂土、老黏土等。其中，硬砂土層區(qū)主要位于淤泥層和硬土層交界處，是一種致密程度高，含水率低的中粗砂層，標貫擊數(shù)N 值為20～30 擊，厚度在2～5 m。老黏土主要為年代久遠的沉積黏土，其特性是含水率低，黃褐色黏土含量極高，N 值在30 擊以上，厚度在2～10 m。

2 施工重難點

1）施工難度大。本標段DCM 樁位于污染淤泥回填區(qū)，建筑垃圾較多，且土層內(nèi)廣泛分布不易破碎的硬砂土及老黏土，同時海底污染質(zhì)淤泥層較厚（DCM 技術(shù)處理海平面下約30 m，軟基厚度約20 m），地質(zhì)條件復雜、成樁困難，施工難度大。

2）質(zhì)量要求高。設(shè)計要求全樁長段取芯，例如樁長20 m，則需將20 m 區(qū)段全部取芯；樁體取芯完整率不低于90%，即任意1 m 芯樣完整的樁體長度不能小于90 cm；每米芯樣取抗壓試件，試塊強度合格率不低于90%，例如20 m 樁體共取試件20 件，合格試件數(shù)量不少于18 件[6-7]。

3）施工經(jīng)驗少。目前，世界上只有日韓擁有大量DCM 施工案例，受日本DCM 協(xié)會管控，DCM 關(guān)鍵技術(shù)原則上不對外輸出，使國內(nèi)在海上深層水泥攪拌樁DCM 技術(shù)研究方面缺乏可以借鑒的成功經(jīng)驗。本次DCM 施工技術(shù)處理海底不良地質(zhì)加固基礎(chǔ)，在香港地區(qū)乃至全國尚屬首次。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本文技術(shù)研究主要以解決海上垃圾填埋區(qū)、老黏土和硬砂土等復雜地質(zhì)條件下成樁質(zhì)量為出發(fā)點，重點分析不良地質(zhì)條件下制約和影響DCM成樁的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最終研究成套適用性、通用性和可靠性較高的DCM 施工技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：鉆頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計、低壓等量注漿技術(shù)、“探摸及循環(huán)攪拌法”技術(shù)、施工曲線設(shè)計。

3.1 鉆頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

本項目在試樁過程中發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)鉆頭結(jié)構(gòu)形式制樁時，刀片多次出現(xiàn)折斷、變形、磨損嚴重等情況。同時，施工至軟硬土層交界區(qū)域，鉆頭掘進速度緩慢，切土及攪拌效果不佳。分析原因主要為軟硬土層交界區(qū)域分布厚度不均的硬砂土及老黏土，此類土含水率低，致密性高，黏結(jié)性強，不易破碎。為解決此問題，對鉆頭掘進端、刀片結(jié)構(gòu)、噴漿口進行優(yōu)化設(shè)計。

1）鉆頭掘進端設(shè)計

掘進端為鉆頭主要破土結(jié)構(gòu)，針對本項目土質(zhì)特性設(shè)計了錐尖螺旋+合金齒刀片組合掘進結(jié)構(gòu)，用于保證成樁質(zhì)量。錐尖螺旋通過不停旋轉(zhuǎn)逐層向下切土，螺旋結(jié)構(gòu)上安裝多組合金齒提高切土能力。根據(jù)一般土質(zhì)、硬質(zhì)土和高硬度土物理特性，研發(fā)了半螺旋、全螺旋和強化螺旋3 種錐尖結(jié)構(gòu)（見圖1），滿足切土能力同時，改善攪拌效果。

圖1 錐尖螺旋結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.1 Structure of conical tip screw（mm）

為提高鉆頭破土能力和范圍，設(shè)計在底層刀片的下部焊接多組合金齒，隨刀片同步切土，合金齒按土質(zhì)特性調(diào)整數(shù)量，豎向安裝角度控制在60°～90°之間。

2）刀片設(shè)計

①為適應硬砂土、老黏土等復雜地質(zhì)條件，鉆頭刀片厚度由常規(guī)刀片設(shè)計厚度≤6 cm 增加到7.5 cm，抗彎能力可增加到1.5 倍，刀片自身剛度及耐磨度也得到提高。

②為保證攪拌能力，單鉆頭設(shè)10 個刀片分層傾斜布置，傾斜角度過小時，無法有效碎土和攪拌；角度過大時，阻力較大，刀片容易變形。經(jīng)試驗論證，刀片傾斜30°時，其切土和攪拌效果較好，見圖2。

圖2 刀片結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of blade

3）噴漿口設(shè)計

設(shè)計上、下兩處噴漿口，分別在鉆頭和固定桿底部。噴漿口制作成單向閥進行封閉處理，單向閥由鋼壓板、加襯板、橡膠板組成。制樁時，通過調(diào)整噴漿壓力來控制單向閥開合度大小。

為適用于不同土質(zhì)下噴漿控制和負壓保護，研發(fā)了對開式和整體式兩種單向閥結(jié)構(gòu)。對開式單向閥噴漿時開口寬度不應超過3 cm，整體式單向閥噴漿時弧邊開口控制在50%，見圖3。

圖3 噴漿口單向閥示意圖Fig.3 Sketch of one-way check valve at spray port

3.2 低壓等量注漿技術(shù)

通過對單樁不同位置取芯并進行抗壓強度檢測時發(fā)現(xiàn)，靠外側(cè)樁體芯樣抗壓強度普遍較低，且在硬砂土、老黏土層區(qū)水泥漿與土體攪拌不均。經(jīng)試樁對比分析，出漿壓力的大小直接影響出漿量及水泥漿噴射范圍的大小，進而影響樁體的整體質(zhì)量。為充分適應不良地質(zhì)條件下成樁質(zhì)量，研發(fā)了低壓等量注漿技術(shù)，即在同等注漿量的情況下，通過低壓噴射的方式實現(xiàn)樁體穩(wěn)定注漿。以下重點對出漿位置、出漿壓力、出漿量參數(shù)進行介紹。

1）最佳出漿位置設(shè)計

注漿攪拌時，一是控制水泥漿噴射距離，過遠會造成樁體水泥漿流失，過近則會導致樁體邊緣水泥漿不足；二是控制水泥漿噴出的狀態(tài)為放射形，而非柱狀或線樁噴出。通過試驗論證，水泥漿噴射最遠距離控制在刀片長度2/3 位置（見圖4），所達到的攪拌效果最好，噴漿距離通過管道壓力和單向閥結(jié)構(gòu)來控制。

圖4 最佳出漿位置示意圖Fig.4 Sketch of optimum discharge position

2）噴漿壓力設(shè)計

噴漿壓力一是滿足水泥漿流動穩(wěn)定性（流量穩(wěn)定）要求，二是降低對輸漿管路的磨損，三是保證水泥漿噴射范圍。通過試驗論證，選用工作壓力較低的脈動泵，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間時，流量波動偏差不超過3%，可更穩(wěn)定地進行水泥漿低壓輸出，有效保證加固土中水泥摻量的均勻性。

3）出漿量控制

選用適合的噴漿流量，不僅能夠提高樁體攪拌的連續(xù)性，也能保證水泥漿的有效利用率。根據(jù)本項目不良土質(zhì)的特性，結(jié)合試樁質(zhì)量情況，確定噴漿流量參考標準如下：

①填埋區(qū)：土質(zhì)松散，小流量噴漿（單泵＜160 L/min），避免水泥漿樁體外流失；

②硬砂土：提高水泥漿流量（單泵＞150 L/min），與砂土充分攪拌結(jié)合提高樁體強度；

③老黏土：黏性高，攪拌性差，保證切土次數(shù)前提下增大噴漿流量（單泵＞180 L/min），利用水泥漿破壞黏土結(jié)構(gòu)，提高攪拌的均勻性。

3.3 “探摸及循環(huán)攪拌法”施工技術(shù)

1）探摸法

當遭遇障礙物時，采用“探摸法”施工技術(shù)，具體處理步驟如下：

①鉆頭行進時發(fā)生異響、抖動或電流過載，即說明遭遇障礙物，暫停掘進。

②降低轉(zhuǎn)速和貫入速度，增加噴水量，嘗試正轉(zhuǎn)掘進。如電流顯著降低，可持續(xù)緩慢貫入直至穿越障礙物；如電流仍舊較高或過載，執(zhí)行下一步。

③嘗試反轉(zhuǎn)掘進，如電流降低且無明顯抖動，可在貫入3 m 左右后恢復正轉(zhuǎn)嘗試；如正、反轉(zhuǎn)電流皆超載，說明鉆頭可能纏繞鋼絲繩等垃圾，提出水面檢查，清理后重新貫入。

④如鉆桿有規(guī)律抖動或異響時，說明遭遇石頭、混凝土硬物垃圾，降低轉(zhuǎn)速至10 r/min 以下，保證電流未過載前提下，正反轉(zhuǎn)切換嘗試緩慢貫入。必要時，可靠自重下沉50 cm 左右再啟動旋轉(zhuǎn)，如此交替反復嘗試。

⑤如采用以上方法皆無法貫穿，或正反轉(zhuǎn)嘗試皆過載，說明遭遇混凝土或石頭類垃圾群，放棄嘗試，更換樁位。

2）循環(huán)攪拌法

本項目在制樁過程中發(fā)現(xiàn)，鉆頭經(jīng)常附著大量無法破碎的老黏土。隨著鉆頭移動，附著的土塊會脫落到樁體內(nèi)，使芯樣中夾雜著土塊，影響樁體質(zhì)量。經(jīng)分析，主要是由于軟硬土層交界區(qū)域廣泛分布著年代久遠的沉積黏土，該類土含水率低、黏性強，如果攪拌破碎不徹底，就會影響水泥漿與加固土混合，從而降低樁體強度。

為解決此問題，研究了“循環(huán)攪拌法”施工技術(shù)。一是通過增加攪拌回路、延長貫入切土時間、增加切土次數(shù)及噴水量來達到碎土軟化土層的目的。二是循環(huán)切土區(qū)段從遭遇硬層以上3 m 開始實施，首次掘進適當降低轉(zhuǎn)速（25 r/min）和貫入速度（0.3 m/min），增加噴水量（單泵120～150 L/min），避免電流過載。后續(xù)復攪可提高轉(zhuǎn)速，對于樁底刀片無法完全覆蓋區(qū)域，有針對性增加攪拌次數(shù)。

3.4 施工曲線設(shè)計

1）非黏性土（砂土、淤泥質(zhì)土類）

非黏性土特點：土質(zhì)黏結(jié)性低，不易依附在鉆頭上，切土時更容易破碎，塊狀土含量低，攪拌時更容易與水泥漿結(jié)合。當砂土成分較高時需適當提高水泥摻量，增加攪拌強度。

施工曲線設(shè)計：重點控制噴漿期間攪拌質(zhì)量，在噴漿階段適當降低攪拌速度和移動速度，使加固土與水泥漿充分結(jié)合。因土質(zhì)硬度和黏結(jié)性不高，可減少攪拌回路，提高施工效率，見圖5。

圖5 非黏性土施工曲線示意圖Fig.5 Typical curve sketch of non cohesive soil

2）黏性土（老黏土類）

黏性土特點：土質(zhì)黏結(jié)性較大，含水率低，容易依附在鉆頭上，完全破碎難度大，黏土塊殘留多，樁體內(nèi)夾雜破碎土塊后影響強度。黏性土與水泥漿攪拌結(jié)合度差，導致樁體強度不均勻。

施工曲線設(shè)計：一是提高噴水量，軟化土層；二是增加攪拌切土次數(shù)，重點在持力層交界區(qū)域反復進行攪拌，使加固土充分攪碎，并使鉆頭上依附土塊在噴漿前充分脫落。通過在曲線上增加三角路徑，達到增加攪拌次數(shù)的目的，見圖6。

圖6 黏性土施工曲線示意圖Fig.6 Typical curve sketch of cohesive soil

4 結(jié)語

本文主要對海上垃圾填埋區(qū)、硬砂土、老黏土等復雜地質(zhì)條件下深層水泥攪拌樁地基加固關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并從鉆頭結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)、曲線設(shè)計方面進行重點介紹，主要結(jié)論如下：

1）針對本項目土質(zhì)特性，從鉆頭貫入能力、攪拌效果等方面著手，設(shè)計了新型鉆頭結(jié)構(gòu)，包括全螺旋掘進端、螺旋與刀片附加合金齒及傾斜布置攪拌刀片等，有效解決了不良地質(zhì)條件下成樁難度大的問題。

2）研究了“低壓等量注漿”技術(shù)，有效解決了海上硬砂土、老黏土等復雜地質(zhì)條件下水泥漿與加固土結(jié)合的攪拌不均和成樁直徑差的難題。

3）針對海上垃圾填埋土，研究了“探摸法”施工技術(shù)。通過控制額定電流、轉(zhuǎn)速及貫入速度高低轉(zhuǎn)換和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換等，在保證不損傷設(shè)備前提下實現(xiàn)了貫穿障礙物；針對硬砂土和老黏土不良地質(zhì)，研究了“循環(huán)攪拌法”，通過增加攪拌回路提高切土次數(shù)來反復碎土，同時增加噴水量軟化土層，保證了硬砂土和老黏土層中的成樁強度及連續(xù)性。

4）研究了成套適用性、通用性和可靠性較高的DCM 施工技術(shù)，并成功應用于香港機場第三跑道3204 標段工程中，極大地降低了不良土質(zhì)對DCM 樁地基加固的影響，提高了DCM 成樁質(zhì)量，本標段內(nèi)單樁取芯試件合格率均達到90%以上，所有取芯的樁合格率為100%，滿足設(shè)計要求。

隨著我國即將進入沿海港口以及填海造地的高峰期，海上復雜地質(zhì)條件下DCM 地基加固處理技術(shù)必然是未來沿海港口以及填海造地的一個重要發(fā)展方向，該套技術(shù)的研究具有質(zhì)量合格率高、適用范圍廣、施工效率高等優(yōu)點，為其他同類工程提供借鑒。