水泥土復(fù)合管樁在填海區(qū)域深大基坑地基加固中的應(yīng)用

肖春文 中鐵七局集團(tuán)有限公司

1.引言

我國沿海城市基礎(chǔ)設(shè)施正處于高速發(fā)展階段，城市建筑密度高、人均綠化面積低等問題日漸凸顯，填海區(qū)域成為沿海城市開拓發(fā)展空間的重要來源。深圳市作為沿海城市的典型代表，其填海區(qū)域地下空間正在被大規(guī)模利用開發(fā)，大量深基坑工程開始涌現(xiàn)出來。但深圳市填海區(qū)域的地質(zhì)條件差、土層變化復(fù)雜、分布著大量的海相淤泥土，導(dǎo)致深基坑工程的施工及地基加固難度加大，若僅采用傳統(tǒng)、單一的地基加固方式，往往很難達(dá)到預(yù)想的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

水泥土復(fù)合管樁是適用于填海區(qū)域深基坑地基加固的有效方法之一，它較好地結(jié)合了水泥土樁摩阻力大和PHC(Pre-stressed High-Strength Concrete，簡稱PHC)管樁承載力高的雙重優(yōu)點(diǎn)，可通過改變水泥土樁的水泥用量、PHC管樁的型號、尺寸等參數(shù)來改善原地基土的物理力學(xué)性能，充分發(fā)揮材料自身強(qiáng)度，有效提高地基承載力，減少沉降變形，實(shí)現(xiàn)共擔(dān)荷載、變形協(xié)調(diào)的目的，且兼具經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工噪聲低、無污染等特點(diǎn)。但國內(nèi)目前有關(guān)水泥土復(fù)合管樁在填海區(qū)域地基加固中的應(yīng)用研究尚不多見，有礙于其技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步。本文以深圳市媽灣跨海通道工程為例，采用水泥土復(fù)合管樁施工技術(shù)進(jìn)行填海地區(qū)深基坑地基加固，并對地基加固效果和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

圖1 媽灣跨海通道工程位置圖及效果圖

2.項(xiàng)目概況

2.1 工程簡介

媽灣跨海通道工程位于深圳市西部，呈南北布置，南起于媽灣、月亮灣大道相交處，途徑前海灣及大鏟灣，最終在西鄉(xiāng)大道與沿江高速收費(fèi)站處終止，全長約8.05km。其中大鏟灣段采用明挖法進(jìn)行施工，開挖平均深度約為15m，采用基坑支護(hù)形式主要為：鉆孔灌注樁+3道鋼筋混凝土內(nèi)撐體系，如圖1所示。

2.2 工程地質(zhì)條件

大鏟灣段施工范圍內(nèi)自上而下分布的巖土層主要為：人工填土（包括素填土、雜填土、沖填土等）、淤泥、黏土等，由于淤泥層具有厚度大、承載力低、壓縮性高等特點(diǎn)，難以滿足上部結(jié)構(gòu)對地基承載力要求，需對原地基土進(jìn)行加固處理，如圖2所示。

圖2 工程的典型地質(zhì)剖面圖/m

2.3 地基加固難點(diǎn)

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜。大鏟灣段所在的填海區(qū)域地層變化復(fù)雜，其中人工填土、淤泥、粗砂、黏土等地層工程性質(zhì)差別較大，易造成地基強(qiáng)度分布不均，極大增加了地基加固的難度。

（2）地下水動水效應(yīng)明顯。由于場地下分布的高承壓含水層不僅滿足了地下動水條件，還與海水存在著水力聯(lián)系，會受潮汐作用影響引起地下水位變化頻繁，造成水泥加固漿液流失嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致地基加固效果差；同時(shí)地下水中氯離子含量較高，對混凝土內(nèi)鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性。

（3）施工難度大。由于基坑支護(hù)方案采用樁撐支護(hù)體系，最下面支撐距離基底高度不足4m，若在基底進(jìn)行加固施工時(shí)，不僅存在作業(yè)空間小、施工進(jìn)度慢、施工難度大等問題，還會因基坑暴露時(shí)間過長增加支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坑底隆起、止水帷幕滲漏等風(fēng)險(xiǎn)。

表1 兩種加固方案的對比分析

表2 水泥土樁配合比

3.地基加固設(shè)計(jì)

3.1 方案選擇

大鏟灣段原設(shè)計(jì)方案是在基坑底部施加PHC管樁加固地基土，但可選的兩種壓樁工藝都會對基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。采用靜壓工藝會產(chǎn)生明顯的擠土效應(yīng)，引起周圍立柱樁上浮或懸空，產(chǎn)生樁身偏位；采用錘擊工藝會產(chǎn)生振動，直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)及立柱樁受力性能，加大基坑變形。因此考慮采用水泥土復(fù)合管樁地表送樁方案代替原方案，并從工作面、施工難度、工作量及施工風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)方面對兩種方案進(jìn)行綜合對比分析，具體如表1所示。

由表1可知，采用水泥土復(fù)合管樁加固地基具有施工難度低、工作量少、工期短及施工風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，符合工程現(xiàn)場的施工要求，故綜合對比后采用水泥土復(fù)合管樁進(jìn)行地基加固。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

（1）水泥土樁施工工藝確定。水泥土復(fù)合管樁是由高壓噴射攪拌形成的水泥土外樁與同心植入的PHC 管樁共同組成的。為了有效提高土體的抗剪及抗壓強(qiáng)度，采用DJP(Down-the-hole Jetgrouting Pile,簡稱DJP,可譯為潛孔沖擊高壓旋噴樁)工法施工水泥土樁，借助高壓氣漿和高頻振動作用將水泥漿與地基土充分?jǐn)嚢?，也讓水泥漿液更充分滲入周邊土體或巖體裂縫，不僅增加了與周圍土層間的摩阻力，還為管樁提供了一定剛度的側(cè)向支撐和一定厚度的保護(hù)層，有助于提高抗壓強(qiáng)度及耐地下水腐蝕能力，如圖3所示。

（2）水泥土樁配合比設(shè)計(jì)。為改善水泥土漿液抵抗地下動水沖擊的能力，降低水泥土樁在砂層塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，積極開展水泥土復(fù)合漿液室內(nèi)配比試驗(yàn)，科學(xué)合理地確定復(fù)合漿液的摻入料及用量。最終依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取水泥、膨潤土及RC-1改良固化劑等材料制備成水泥土復(fù)合漿液，具體摻入量如表2所示。

（3）管樁施工工藝確定。為解決槽底施工作業(yè)空間小、施工進(jìn)度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題，本項(xiàng)目研發(fā)了一種超長送樁工藝來實(shí)現(xiàn)管樁地表植入施工。該送樁工藝主要分為管樁植入施工和送樁器拔出施工兩部分，如圖4所示。同時(shí)為大幅提高施工效率，利用圓形鋼管研制出了一種“六方頭”快速連接送樁器，可通過兩側(cè)鋼銷的插入實(shí)現(xiàn)上、下節(jié)送樁器便捷、可靠連接，極大縮短了送樁的施工時(shí)間，送樁器構(gòu)造及相關(guān)尺寸如圖5所示。

3.3 主要參數(shù)確定

經(jīng)設(shè)計(jì)人員計(jì)算，確定水泥土復(fù)合管樁加固地基的主要參數(shù)為：水泥土外樁直徑為0.7m，芯樁直徑為0.4m，采用管樁的型號為PHC400-AB-95，樁間距為2.5m或3.0m，如圖6所示；水泥土復(fù)合管樁單樁豎向承載力特征值為1650K N，水泥土強(qiáng)度大于1MPa，加固后復(fù)合地基承載力要求不小于230kPa；樁端持力層為粗砂層、砂質(zhì)黏土層或全風(fēng)化基巖層。

4.施工關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

4.1 施工流程分析

水泥土復(fù)合管樁施工步驟主要分為水泥土外樁施工和PHC管樁施工兩大部分。主要流程為：利用DJP鉆機(jī)成孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高，邊提升鉆桿邊高壓噴射復(fù)合水泥漿液以形成水泥土外樁;二在水泥土外樁初凝前利用超長送樁工藝植入PHC管樁，并借助靜壓樁機(jī)壓至設(shè)計(jì)深度以完成水泥土復(fù)合管樁施工。具體施工流程如圖7所示。

4.2 施工監(jiān)控

為保證水泥土復(fù)合管樁的施工質(zhì)量，及時(shí)了解并掌握施工過程的各項(xiàng)信息，建立水泥土復(fù)合管樁數(shù)字化施工智能監(jiān)控及管理系統(tǒng)。以手機(jī)移動端、電腦網(wǎng)頁端為系統(tǒng)搭載平臺，對施工過程中的材料加工、設(shè)備運(yùn)行、人員操作等重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋，并及時(shí)將樁身定位、樁身垂直度、漿液流量及噴射壓力等施工信息上傳數(shù)據(jù)服務(wù)中心，便于業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工等各方管理人員能全方位了解施工的細(xì)節(jié)，基本做到復(fù)合管樁施工透明化及偏差出現(xiàn)可溯源化，如圖8所示。

水泥土復(fù)合管樁的施工智能監(jiān)控系統(tǒng)基于北斗定位技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立，可實(shí)現(xiàn)核心功能主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）利用北斗系統(tǒng)導(dǎo)航定位功能，可實(shí)現(xiàn)DJP鉆機(jī)姿態(tài)精確調(diào)整與鉆桿準(zhǔn)確定位 引導(dǎo)，并代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工放樣實(shí)現(xiàn)自動放樣。

（2）借助物聯(lián)網(wǎng)自動化的監(jiān)測手段，能實(shí)現(xiàn)水泥土復(fù)合管樁關(guān)鍵施工參數(shù)的全天候跟蹤監(jiān)測，并對性能指標(biāo)偏差情況進(jìn)行現(xiàn)場提示和后臺預(yù)警，具體監(jiān)測項(xiàng)目及偏差指標(biāo)如表3所示。

（3）可對管理系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進(jìn)行深度挖掘及開發(fā)，逐步完成進(jìn)度展示及質(zhì)量管理功能，最終實(shí)現(xiàn)對指定數(shù)據(jù)的自動查詢、分析與統(tǒng)計(jì)。

4.3 施工難點(diǎn)及解決措施

水泥土復(fù)合管樁在施工過程中也遇到了一些難題，本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際及問題特點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決措施，具體如下：

（1）遇到障礙物時(shí)水泥土外樁與PHC管樁同心度偏差超限。處理措施：對于淺層障礙物提出鉆具使用挖掘機(jī)將其清除；對于深層障礙物使用潛孔錘引孔處理，多次切割清除障礙物后重新調(diào)直鉆桿、校正樁位，可確保二者同心度滿足要求。

（2）超長送樁過程中PHC管樁垂直度偏差較大。處理措施：通過自動化垂直度監(jiān)測儀控制新安裝的傾角傳感器，以實(shí)現(xiàn)管樁壓入時(shí)垂直度的精確調(diào)整；同時(shí)在水泥土樁施工完成后將鉆具提升至孔口1m處，北斗系統(tǒng)會自動生成并記錄實(shí)際的水泥土樁，并將其傳回?cái)?shù)據(jù)服務(wù)中心，以備靜壓機(jī)植入管樁使用。

圖4 超長送樁工藝

圖5 送樁器的構(gòu)造示意圖

圖6 水泥土復(fù)合管樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖7 水泥土復(fù)合管樁施工流程

表3 監(jiān)測項(xiàng)目及偏差指標(biāo)

（3）僅通過靜壓機(jī)終壓值較難完全判斷PHC管樁是否壓入到設(shè)計(jì)深度。處理措施：在送樁器表面每隔1m清晰標(biāo)記送樁刻度，施工過程中以標(biāo)高控制為主，壓力控制為輔；同時(shí)為預(yù)防爆樁情況的出現(xiàn)，應(yīng)控制終壓值不大于4200KN。

5.應(yīng)用效果分析

5.1 加固效果試驗(yàn)研究

（1）水泥土樁質(zhì)量及強(qiáng)度分析

選取3 根試驗(yàn)點(diǎn)鉆心取樣并檢驗(yàn)強(qiáng)度，如圖9 所示，水泥土樁成樁質(zhì)量良好，芯樣呈連續(xù)完整的長柱狀。將其在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至齡期后，測得立方體抗壓強(qiáng)度分別為3.1MPa、3.3MPa、3.8MPa，平均強(qiáng)度為3.4MPa，遠(yuǎn)大于1MPa，符合加固要求。

（2）單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

選取3點(diǎn)做單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，采用慢速維持荷載法進(jìn)行分級加載，每級載荷330kN，分9級載荷，連續(xù)加載到3300kN。如圖10所示，加載設(shè)備采用壓重承臺反力裝置，通過裝置中部的主副梁分配體系、千斤頂及鋼制承壓板等將頂部加載荷載對稱、均勻地施加于樁體。采用混凝土方塊做配重，總配重要求不小于最大荷載的1.2倍，試驗(yàn)過程嚴(yán)格執(zhí)行《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106——2014中相關(guān)規(guī)定，最終得到試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 基于北斗定位的智能監(jiān)控及管理系統(tǒng)

（3）復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

再選擇3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)做復(fù)合地基靜載試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)樁徑及樁距之比換算等效面積后，選用邊長為3.0m×3.0m方形承壓板，并在承壓板底鋪設(shè)厚度為150mm的中砂墊層。仍采用壓重承臺反力裝置進(jìn)行分級加載，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

為突出水泥土復(fù)合管樁加固地基的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，將其加固方案造價(jià)與原設(shè)計(jì)方案造價(jià)對比分析，如表6所示。

圖9 水泥土樁芯樣

圖10 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

由表6可知，采用水泥土復(fù)合管樁地基加固方案比原加固方案節(jié)省造約9.3%，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢顯著；同時(shí)由于是在地表機(jī)械化施工，無施工面窄、作業(yè)凈空低、設(shè)備移動慢等限制，施工效率要遠(yuǎn)高于在基底施工的PHC管樁，因此工期節(jié)省更加顯著，綜合考慮后僅為原方案工期的1/3，工期節(jié)約幅度較大。

6.結(jié)論

本文以深圳市媽灣跨海通道工程的地基加固研究為切入點(diǎn)，探討了水泥土復(fù)合管樁地基加固技術(shù)在填海區(qū)域深大基坑地基處理中的應(yīng)用研究。依據(jù)填海工程的施工難點(diǎn)及特點(diǎn)，與原加固方案綜合對比后，提出了以DJP工法、室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)及超長送樁工藝為核心的水泥土復(fù)合管樁加固技術(shù)，闡述了施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況，并詳細(xì)分析了水泥土復(fù)合管樁在填海區(qū)域工程地基處理中的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。研究結(jié)果表明，水泥土復(fù)合管樁為填海區(qū)域深大基坑地基處理提供了一種切實(shí)可行的加固方案，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

表5 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果

表6 水泥土復(fù)合管樁與PHC管樁施工造價(jià)對比