五軸水泥攪拌樁在碼頭工程軟土地層中的應用

□ 李志林

水泥攪拌樁因加固效果顯著、施工效率較高等優(yōu)勢，被廣泛應用在軟土地區(qū)，包括基坑圍護結(jié)構(gòu)、止水帷幕及地基加固等方面。隨著科學技術(shù)的進步，在施工領(lǐng)域出現(xiàn)了工效更高的五軸水泥攪拌樁施工機械。常見的攪拌樁機械多為單軸水泥攪拌樁、三軸水泥攪拌樁。單軸水泥攪拌樁由于成樁設(shè)備設(shè)計的問題，施工效率較低；三軸水泥攪拌樁施工工藝采用大水灰比設(shè)計，止水效果較好，可達到30m左右，但三軸水泥攪拌樁在成樁過程中易出現(xiàn)較大的溢漿現(xiàn)象，大量水泥成為置換土而被浪費。

趙春風等[1]研究高效無置換智能化五軸水泥連續(xù)攪拌樁工法；鄭賑濟等[2]介紹五軸水泥攪拌墻樁機結(jié)構(gòu)、施工工藝等；黃偉群等[3]探究砂性土采用五軸水泥攪拌樁做基坑止水帷幕的效果；周玉石[4]、沈丹[5]分析對比五軸水泥攪拌樁不同的成樁模式、與傳統(tǒng)水泥攪拌樁的差異；洪冬明[6]在富水深厚砂層中采用五軸水泥攪拌樁支護技術(shù)。近年來，該技術(shù)被廣泛應用在地鐵工程[7]、基坑工程[8-9]、水庫大堤防滲工程[10]等領(lǐng)域。然而在碼頭工程中使用五軸水泥攪拌樁技術(shù)較少見，本實例屬于碼頭工程中軟土地層處理的首次大規(guī)模應用，施工效果良好，可對類似工程建設(shè)的設(shè)計施工提供參考。

1 地質(zhì)概況

某碼頭工程位于廣州市珠江口，擬建的泊位工程結(jié)構(gòu)采用鋼管組合板樁結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)地質(zhì)情況，錨碇樁前被動區(qū)、前墻板樁后分區(qū)進行水泥攪拌樁二次加固處理，其四周無障礙物，施工場地規(guī)則便利，具體處理寬度為35.75m～63.50m，深度為16m。地質(zhì)報告揭示，自上而下主要有人工填土層，呈欠壓實狀，為軟弱土層；海陸交互沉積地層以淤泥、淤泥質(zhì)土為主，其厚度大，含水率高，孔隙比大，壓縮性高，強度低；陸域沖洪積地層中主要含淤泥質(zhì)土、黏土層、松散及稍密砂層，其淤泥層強度低，承載力低，具高壓縮性，為軟弱夾層；河口沖積沉積地層和陸成沖積地層等。人工填土層至沖洪積地層上部的地層總體厚度約17m。因此場地內(nèi)存在的淤泥、淤泥質(zhì)土軟土層以及部分強度較低、中等和高壓縮性的黏土、粉質(zhì)黏土層，是工程地基處理的主要土層。

2 五軸攪拌樁機選用

五軸攪拌樁機施工具有對周圍地層影響小、抗?jié)B性好、工期短、大深度、技術(shù)經(jīng)濟指標好等優(yōu)點。由于碼頭工程工期緊張，工序繁多，移交出的工作面要銜接緊密，為了避免不必要的停工，杜絕產(chǎn)生安全和環(huán)保質(zhì)量隱患，經(jīng)綜合考慮并協(xié)商業(yè)主單位提出采用五軸水泥攪拌樁工藝進行施工。所用的五軸攪拌樁機為JQA170/85-5型，如圖1所示。

圖1 五軸攪拌樁機設(shè)備

一般該型攪拌樁機施工速度快，整機功效高，自動化程度高，掘進能力強，其打樁架為全液壓步履式，技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 五軸攪拌樁機技術(shù)參數(shù)

3 五軸攪拌樁機施工工藝

3.1 五軸水泥攪拌樁參數(shù)

采用五軸攪拌樁機施工，按5根水泥攪拌樁為一幅進行施工。根據(jù)設(shè)計要求，具體參數(shù)如下：格柵狀布置φ850@600的五軸水泥攪拌樁，采用兩攪兩噴濕法工藝，縱橫向搭接長度為250mm。樁體無側(cè)限抗壓強度：28d齡期強度不小于0.8MPa，90d齡期強度不小于1MPa，檢驗數(shù)量為總樁數(shù)的0.7%。水泥選用強度等級不低于42.5R的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量16%，水灰比1.5。施工時，水泥攪拌樁下沉速度為0.6m/min～0.7m/min，提升速度為0.8m/min～0.9m/min，實際施工偏差幅度不宜偏大。

3.2 施工要點

因五軸攪拌樁機轉(zhuǎn)位較為笨重，為避免頻繁移動機位進行格柵狀樁位施工造成的時間浪費，五軸攪拌樁機以5幅平行于鋼管樁方向的水泥攪拌樁為一個區(qū)間，從靠近后墻鋼管樁的樁位施工至前墻鋼管樁樁位。施工過程中，將對管板樁進行位移觀測，掌握水泥攪拌樁對管板樁的影響情況。水泥攪拌樁施工流程如圖2所示。

（1）場地平整。五軸攪拌樁機施工前須先平整場地。場地平整的基本要求是在鋼板鋪墊條件下滿足大型機械（五軸攪拌樁機重200t左右）帶負荷行走。

（2）測量定位。對施工場地的基準點、基軸線及水準點進行復核；對于標定的基準點做好明顯的標志和編號，并妥善保護；使用經(jīng)緯儀和鋼卷尺等，采用坐標法進行樁位區(qū)域邊線的測定；對施工區(qū)域內(nèi)的所有樁位進行測量定位，并做好明顯、牢靠的樁位標志。同時做好測量記錄，以便復核。

（3）就位對中。五軸攪拌樁機組裝完成后，自行利用步履式行走系統(tǒng)移至樁位處，由專人負責統(tǒng)一指揮就位工作。樁機就位對中后平穩(wěn)周正，其動力頭、攪拌頭及樁位三者的中心處于同一鉛垂線上，攪拌頭定位偏差不大于30mm。

（4）制備水泥漿。按設(shè)定水灰比拌制水泥漿液，制備好的漿液為防止離析、沉淀應不斷攪動，每次投料后拌合時間不得少于3min。漿液制備好后在噴漿前倒入集料池內(nèi)。施工過程中需對制備好的水泥漿進行不定時的檢測，嚴格管控水泥漿的質(zhì)量。

（5）噴漿攪拌下沉。先啟動五軸攪拌樁機，其動力頭沿導向架向下觸土，鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)強制切土，直至設(shè)計樁底標高，下沉速度按照0.6m/min～0.7m/min。下沉的同時開啟送漿泵，通過3根中空鉆桿向土體中噴水泥漿（3臺泵選擇BW250相同型號的泥漿泵，選用第三擋流量145L/min進行施工），同時通過另外2根中空鉆桿送入高壓空氣促使固化材料與土體充分拌和，保證噴漿均勻。5根鉆桿相鄰鉆桿正反向旋轉(zhuǎn)切割、攪拌土體，攪拌樁機持續(xù)下沉至根部樁底設(shè)計標高，完成根部樁的“攪、噴、拌”過程。

（6）噴漿攪拌提升。下沉到達設(shè)計深度后，按0.8m/min～0.9m/min的提升速度邊噴漿反轉(zhuǎn)攪拌邊提升鉆桿，使?jié){液和土體充分拌合。樁機提鉆前，應在樁底部噴漿停留30s，與樁端土充分攪拌。提鉆至設(shè)計樁頂標高以上500mm后，停止攪拌和噴漿。

圖2 五軸水泥攪拌樁兩攪兩噴示意圖

（7）清洗機具、管路。每天施工完成停機后向集料斗中注入適量清水，開啟灰漿泵，清洗管路中殘余的水泥漿，直至基本干凈，并將黏附在攪拌頭的軟土清洗干凈。

（8）移位。待深層攪拌機提出地面后，關(guān)閉漿泵，將樁機移至新的樁位，重復上述步驟進行下一根樁的施工。

4 施工工藝對比

為了更好說明五軸攪拌樁機的優(yōu)勢，在該碼頭工程項目中，也有三軸水泥攪拌樁施工的區(qū)域。根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況分析，將三軸水泥攪拌樁、五軸水泥攪拌樁兩種施工技術(shù)參數(shù)進行對比，如表2所示。

表2 單軸、三軸、五軸水泥攪拌樁對比

三軸攪拌樁因設(shè)計要求，每幅樁有效成孔約為3個圓柱體，同排施工原理與五軸水泥攪拌樁基本相同。五軸水泥攪拌樁需要試樁，其樁體質(zhì)量好，經(jīng)設(shè)計單位認可，實際每幅樁成孔如圖3所示。

圖3 三軸、五軸水泥攪拌樁每幅成孔對比圖

由此可以看出，五軸攪拌樁機在施工效率方面具有明顯優(yōu)勢，單幅施工5個樁體，每幅樁施打的有效截面積也明顯增大。三軸攪拌樁機每幅樁成孔時間與五軸攪拌樁機基本一致。五軸水泥攪拌樁在施打過程中，移機次數(shù)明顯減少，樁位偏差更易于控制。

五軸水泥攪拌樁施打總體減少了搭接區(qū)域內(nèi)的重復注漿，減少了水泥消耗量，施工效率顯著提高。根據(jù)實際效果測算（取中位數(shù)），按每24h為一個周期，五軸攪拌樁水泥用量約為三軸水泥攪拌樁的2.7倍?，F(xiàn)場實際施工中，在類似工況下，五軸水泥攪拌樁施工效率為單軸水泥攪拌樁的6至7倍，約為三軸水泥攪拌樁的2至3倍如表3所示。

表3 每24h成樁水泥用量

在該碼頭工程完成五軸水泥攪拌樁施工的區(qū)域，成樁24d后，選取3根水泥攪拌樁鉆芯進行檢驗檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，試樁1#噴漿孔號樁、試樁1#噴氣孔號樁、試樁3#噴漿孔號樁的檢測樁長均滿足設(shè)計要求，而且樁身均勻性良好，樁底持力層為粉質(zhì)黏土層。對3根樁進行無側(cè)限抗壓強度試驗，抗壓強度代表值為0.88MPa～1.09MPa，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

該工程軟土地層加固采用五軸水泥攪拌樁工法，根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，提出有針對性的做法，通過有關(guān)實地檢測和后期工序的順利完成，驗證了該工藝的可靠性。

（1）首次在碼頭工程中采用五軸攪拌樁機施工效率高、成樁質(zhì)量好，對周圍環(huán)境的影響小。

（2）整個成樁過程可單次完成5孔一幅，五軸攪拌樁水泥用量約為三軸水泥攪拌樁的2.70倍，可廣泛應用于碼頭工程軟土地層的處理。

（3）采用該方法施工時，選取的3根試樁24d抗壓強度代表值為0.88MPa～1.09MPa，滿足設(shè)計要求。