超深雙軸攪拌法在海相沉積軟黏土地層中的應(yīng)用

張培印，王 維，程長宏

（中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700）

0 引 言

隨著近年來沿海工程大力發(fā)展，建設(shè)在海相淤泥質(zhì)軟土地基上的建筑愈來愈多[1-3]。海相淤泥質(zhì)軟土具有很高的含水率和孔隙比，壓縮性大并且強(qiáng)度極低，是一種典型的軟土地基[4]，地鐵工程中常見深層攪拌抽條加固、裙邊加固及格柵加固，在盾構(gòu)隧道端頭井以抽條加固見多；端頭井前端始發(fā)段多以啞鈴型垂直于隧道線路布置加固區(qū)域；但沿盾構(gòu)區(qū)間超深、滿堂塊狀加固工程在國內(nèi)外還十分鮮見[5]，尤其是濱海深厚軟土區(qū)域的超深攪拌工藝適用性有待驗(yàn)證。

本文結(jié)合新加坡地鐵T302地基處理項(xiàng)目，在傳統(tǒng)的施工機(jī)械基礎(chǔ)上提高動(dòng)力頭輸出功率、改進(jìn)鉆桿接頭處理工藝及加固鉆桿桿體，解決超深連續(xù)灌漿問題，施工中采用接長鉆桿的方法實(shí)現(xiàn)深層攪拌。針對海相沉積軟黏土的工程特性，提出超深大直徑雙軸攪拌施工工法與兩階段灌漿；涉及了施工設(shè)備改裝、鉆桿加固、接長鉆桿施工等方面內(nèi)容，為水泥攪拌法處理海相深厚軟黏土地層的施工與設(shè)計(jì)提供了很有意義的參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

新加坡地鐵湯申-東海岸線T302標(biāo)段包含一個(gè)車站兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，車站為地下二層結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，采用明挖順做法施工；1號隧道區(qū)間長度1 122.1 m，2號隧道區(qū)間長度1 850 m，采用盾構(gòu)法施工。平面布置詳見圖1所示。

圖1 T302 設(shè)備房及隧道分區(qū)Fig.1 Facility building and tunnel interval in project T302

1.2 地質(zhì)情況

據(jù)詳勘階段地質(zhì)報(bào)告，車站段場地地層條件為典型的新加坡濱海沉積與河口沖積交替地層，地層分布情況自上而下依次為：

0～9.0 m：人工回填土；

9.0～15.0 m：河口沖積粉質(zhì)砂土；

15.0～22.0 m：黏質(zhì)粉土；

22.0～32.0 m：海相沉積黏土；

32.0～50.0 m：OA（D）老黏性土；

50.0～185.0 m：OA（C）老黏性土。

設(shè)計(jì)要求深攪成樁后強(qiáng)度指標(biāo)為：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 600 kPa，不排水抗剪強(qiáng)度800 kPa，彈性模量280 MPa，設(shè)計(jì)樁徑1.5 m，深度52 m。

2 超深攪拌工藝原理

2.1 工藝原理

在原攪拌樁機(jī)36 m桅桿基礎(chǔ)上，裝配大功率動(dòng)力頭后最多可配備28 m鉆桿，在加強(qiáng)桿身與接頭強(qiáng)度前提下，先攪拌26 m深（可稱為一期桿），在動(dòng)力頭下2 m處拆開鉆桿連接銷，重新給樁機(jī)接上24 m長鉆桿（可稱為二期桿），連接一期桿后繼續(xù)向下攪拌成樁。成樁后，先灌漿二期桿長度范圍，再灌漿一期桿長度范圍。超深大直徑攪拌樁施工工藝流程見圖2。

圖2 超深大直徑攪拌樁施工流程圖Fig.2 Construction flow chart of ultra deep and large diameter mixing pile

超深攪拌樁施工主要分成三部分：其一桿身及接頭加固；其二“接長鉆桿”完成深層成樁；其三分階段灌漿。

2.2 桿身及接頭加固

隨攪拌深度的增大，鉆桿桿身及接頭所受拉力及扭矩也逐步增大，原鉆桿及接頭橫截面尺寸見圖3，原桿身及原接頭參數(shù)見表1。

表1 原桿身及原接頭參數(shù)Table 1 Original design parameters of rod and joint

圖3 桿身橫截面和接頭橫截面圖Fig.3 Cross section of shaft and joint

為有效加大桿身及接頭連接強(qiáng)度，延長使用周期，在桿身外沿圓周均勻?qū)ΨQ焊接6根14 mm直徑的圓鋼，在接頭外部采用15 mm厚鋼板焊接加固，加固后的尺寸見圖 4，加強(qiáng)后桿身及接頭參數(shù)見表2。

表2 加強(qiáng)后桿身及接頭參數(shù)Table 2 Parameters of rod and joint after strengthen

圖4 桿身橫截面和接頭橫截面圖Fig.4 Shaft cross section and joint cross section drawing

桿身截面面積增大5%，接頭截面積增大63%，桿身截面慣性矩增大 93%，接頭慣性矩增大87%。

桿身外圓鋼在提升鉆桿過程中還可有效減小與土體的接觸面積，降低桿身側(cè)摩阻力。

2.3 “接長鉆桿”實(shí)現(xiàn)超深成樁

這里以地面至地面下50 m為灌漿帶進(jìn)行成孔分析：

（a）樁位放樣→（b）在工作孔（A孔位）一旁的B孔位處順時(shí)針鉆進(jìn)至24 m深（形成24 m長的二期桿）→（c）打開鉆桿接頭，然后移動(dòng)機(jī)器至A孔位，檢查、調(diào)整鉆機(jī)水平→（d）再接長26 m長鉆桿及鉆頭（形成26 m長的一期桿）→（e）順時(shí)針下鉆一期桿→（f）拆除一期桿，移動(dòng)機(jī)器至B處，連接并拔出二期桿→（g）機(jī)器復(fù)位至A處，連接已下鉆的一期桿→（h）繼續(xù)順時(shí)針下鉆至50 m深→（i）打開高壓注漿泵，逆時(shí)針提鉆的同時(shí)噴水泥漿至?26 m處→（j）順時(shí)針重復(fù)攪拌下鉆并噴水泥漿至設(shè)計(jì)深度50 m→（k）關(guān)閉高壓注漿泵，逆時(shí)針提鉆至?25.5 m處（超提50 cm）打開接頭→（l）移動(dòng)機(jī)器至B孔位處下鉆二期桿，并拆除二期桿→（m）機(jī)器復(fù)位至 A處并連接一期桿，噴漿下鉆50 cm復(fù)噴保證成樁連續(xù)性→（n）逆時(shí)針噴漿提至地面高程→（o）順時(shí)針重復(fù)噴漿下鉆至?26 m處→（p）關(guān)閉高壓注漿泵并逆時(shí)針提鉆至地表，成樁結(jié)束，施工下一根樁。具體施工過程還可見圖5。

圖5 深攪樁接長鉆桿圖（前視）Fig.5 Extension of drill rod for deep mixing pile

2.4 分階段灌漿

水泥漿混合軟黏土攪拌后開始硬化的時(shí)間一般認(rèn)為在2～3 h，以50 m深樁為例，自開始灌漿至完成攪拌，其時(shí)間往往在3 h以上。采用兩階段灌漿，每階段時(shí)間均控制在1.5 h以內(nèi)，它把灌漿帶分為上下兩部分，單獨(dú)噴漿攪拌，兩次“倒V”灌漿示意圖見圖6。

圖6 深攪樁兩階段灌漿圖Fig.6 Two-stage grouting diagram of deep mixing pile

3 質(zhì)量控制

（1）嚴(yán)格檢查桿身及接頭磨損情況，尤其是一期桿與二期桿之間的接頭，保證鉆桿鉆進(jìn)速度不大于0.6 m/min。

（2）第一階段灌漿完成，在k步使鉆頭向上超提50 cm，第二階段灌漿時(shí)再涵蓋該50 cm范圍；即便拆除接頭耗時(shí)過長，也不影響第一階段灌漿形成的水泥土硬化效果。

（3）第一階段灌漿范圍必須是二期桿長度（?50～?26 m），接著是一期桿長度范圍（?26～0 m）灌漿，且灌漿要連續(xù)進(jìn)行，確保在2 h內(nèi)完成各階段灌漿。

（4）第一階段灌漿完畢后，沖洗鉆桿后再拆除二期桿，確保二期桿內(nèi)無殘余水泥漿。

（5）制漿站故障導(dǎo)致的漏灌段，要及時(shí)攪拌補(bǔ)漿。

4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、推廣應(yīng)用前景

相對于傳統(tǒng)攪拌樁施工，配合大功率動(dòng)力頭，采用“接長鉆桿”、加固桿身及接頭強(qiáng)度，可大大提高成樁效率，單位平面面積單樁的置換率得到大幅度提高，以新加坡地鐵T302項(xiàng)目為例：

雙軸搭接300 mm不變情況下，雙軸成樁截面面積對比見圖7。

圖7 各種直徑雙軸攪拌樁截面積Fig.7 Cross-sectional area of biaxial mixing pile with various diameter

可見，1.5 m直徑雙軸截面積比1.2 m的增大1.6倍，比1.0 m直徑的增大2.3倍，相同平面處理面積下，采用1.5 m直徑樁可大大提高施工速度，成樁深度也達(dá)到了52 m。

5 結(jié) 論

本文通過新加坡地鐵 T302項(xiàng)目地基處理工程的過程實(shí)施，確定了“四攪兩噴”工藝在軟黏土層中的適用性；在已有的機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)換裝動(dòng)力頭，攪拌成樁直徑增大到1.5 m，大大提高了單機(jī)單樁處理方量，減少了施工成本的投入；接長鉆桿工藝，結(jié)合兩階段灌漿，可確保超深攪拌處理深厚軟黏土層；由此可見超深大直徑雙軸深攪施工在技術(shù)上是有效可行的，在濱海軟黏土地基處理中可以推廣，尤其是在大直徑超深地基處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。