固化技術(shù)在臨海淤泥地質(zhì)基坑施工中的應(yīng)用

張通國

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

汕頭市蘇埃通道工程采用明挖結(jié)合盾構(gòu)法施工，其北岸龍湖溝段為明挖暗埋隧道。根據(jù)地質(zhì)剖面圖(圖1)可知,龍湖溝段開挖深度范圍內(nèi)主要的地層包括淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土等，厚度達(dá)20～30m；基坑范圍內(nèi)水文情況以孔隙潛水為主，含水層為粉細(xì)砂土，富水性及透水性中等，開挖深度以下有承壓含水層。龍湖溝河道底部的淤泥及淤泥質(zhì)土的工程特性是含水量高、孔隙比大、壓縮性高，但是強(qiáng)度低[1]，所以其表面承載力小且極易失穩(wěn)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，龍湖溝段隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，作業(yè)平臺(tái)需承載150t履帶吊吊裝30～50t的鋼筋籠作業(yè)，因此，隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工首先要對(duì)淤泥質(zhì)軟基進(jìn)行預(yù)處理，確保機(jī)械、設(shè)備作業(yè)平臺(tái)基礎(chǔ)的穩(wěn)定即表面承載力不小于150kPa的設(shè)計(jì)施工要求。同時(shí)，該作業(yè)平臺(tái)作為臨時(shí)工程，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后開挖基坑時(shí)需要進(jìn)行清除，所以在該臨海淤泥地質(zhì)基坑施工中選擇安全性高、工期短、投資小的軟基預(yù)處理方案，是技術(shù)人員需研究解決的技術(shù)問題之一。

圖1 龍湖溝地質(zhì)剖面

1 臨海淤泥地質(zhì)處治方案

對(duì)于淺層軟基的處理通常采用清淤換填。清淤換填是將場地一定深度的不良土質(zhì)清除，用穩(wěn)定性好的碎石或者砂礫回填壓實(shí)。通過將不良土質(zhì)進(jìn)行置換，改變地基的承載力，提高抗變形和穩(wěn)定的能力。換填的深度不宜過深，通常在2m以內(nèi)，同時(shí)，為確保換填質(zhì)量，需分層填筑、分層壓實(shí)、分層檢測壓實(shí)度。

蘇埃通道北岸地處汕頭市中心臨海地區(qū)，施工場地有限，淤泥的清除、運(yùn)輸不可能大規(guī)模作業(yè)，淤泥廢棄也會(huì)受到城市創(chuàng)文等各方面的影響，換填的分層壓實(shí)及檢測也耗費(fèi)較多的人力、物力。經(jīng)綜合分析內(nèi)部、外部因素，認(rèn)為采用清淤換填并不是首選方案。為解決上述問題，經(jīng)分析對(duì)比，在臨海淤泥地質(zhì)中采用就地固化施工技術(shù)。

2 淤泥固化施工技術(shù)

淤泥固化是一種原位土質(zhì)改良工藝。將料罐中的固化劑通過螺旋輸送機(jī)輸送至操作后臺(tái)的料倉內(nèi)，由后臺(tái)根據(jù)預(yù)先輸入的主料和輔料的配比參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行材料供應(yīng)和控制，再通過特定的攪拌設(shè)備與不良土質(zhì)進(jìn)行混合，從而改變?cè)瓲钔恋奶匦?。工作原理為：在空壓機(jī)提供的空氣壓力和喂料器的共同作用下，將后臺(tái)料倉內(nèi)一定比例的水泥、粉煤灰、礦渣、固化劑等混合后輸送至輸料軟管，軟管與挖掘機(jī)上的攪拌頭相連，在攪拌頭設(shè)置噴出孔。在進(jìn)行固化施工時(shí)，挖掘機(jī)對(duì)淤泥進(jìn)行攪拌并將混合后的固化材料注入拌和，從而達(dá)到原位固化的效果[2]。后臺(tái)儲(chǔ)料及控制設(shè)備及攪拌頭如圖2～圖4所示。

圖2 淤泥就地固化施工

圖3 后臺(tái)供料系統(tǒng)

圖4 強(qiáng)力攪拌頭

2.1 固化劑

固化劑又稱為快速固結(jié)劑，其以粉煤灰、礦渣作為主要原材料，同時(shí)配以一定比例的水硬性膠凝材料、堿性激發(fā)劑、膨脹劑、表面活性劑、減水劑、凝固劑和輔助性材料等混合而成。各組分的比例見表1。

表1 固化劑各組分占比

固化劑及水泥的摻入量是現(xiàn)場施工中確保加固體質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過制作試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，選取代表性位置試攪拌進(jìn)行承載力試驗(yàn)確定相關(guān)指標(biāo)：固化劑及水泥摻入量(固化劑+水泥)為10%，其中水泥與固化劑的比例為7:3，水膠比為0.7，通過智能化材料控制系統(tǒng)，按照既定參數(shù)精確每種主料和輔料的供應(yīng)。

2.2 施工工藝

(1)測量放樣。先在固化區(qū)域內(nèi)進(jìn)行降水，完成后測量組根據(jù)場地布置圖，放樣出施工平臺(tái)范圍線，做好標(biāo)記并加以保護(hù)。作業(yè)隊(duì)伍根據(jù)放樣點(diǎn)，采用白灰放出施工作業(yè)范圍線。

(2)回填整平。清除表面雜質(zhì)以及影響下沉攪拌的雜物，按照設(shè)計(jì)固化層頂標(biāo)高對(duì)回填體進(jìn)行整平。大規(guī)模施工前，選擇代表性的位置進(jìn)行試驗(yàn)段施工試攪拌，總結(jié)試驗(yàn)段的施工情況，檢測固化效果。如果存在挖掘機(jī)攪拌頭無法深入土層的現(xiàn)象，可對(duì)該位置土體預(yù)先翻挖，然后再進(jìn)行固化施工。

(3)就地進(jìn)行固化區(qū)塊劃分。為便于施工組織，可在場地平面圖中將固化區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)，根據(jù)人、材、機(jī)的配置及現(xiàn)場實(shí)際情況，將總固化區(qū)域劃分為30m2左右的區(qū)塊。如遇斷面變化較大的區(qū)域，處理區(qū)塊可作相應(yīng)調(diào)整，以方便施工[3]。

(4)固化劑定量調(diào)配。固化劑采用現(xiàn)場集中拌和，根據(jù)固化深度和面積計(jì)算出需要固化的淤泥總量，再根據(jù)摻入比及試驗(yàn)段修正系數(shù)計(jì)算出固化劑的用量。通過智能化供料系統(tǒng)，以噴料速率實(shí)現(xiàn)對(duì)固化劑使用量的控制。該套系統(tǒng)可對(duì)施工過程中固化劑的使用記錄、使用量、施工時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存，形成完整的報(bào)告。

(5)強(qiáng)力攪拌設(shè)備就地?cái)嚢枋┕?。淤泥固化采用四攪二噴，邊固化邊推進(jìn)施工。使用專業(yè)的立體強(qiáng)力攪拌頭，利用挖機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)攪拌頭對(duì)稱分布在連接管和噴嘴側(cè)，實(shí)現(xiàn)三維攪拌，確保攪拌均勻(圖5)。

圖5 固化推進(jìn)方式

(6)攪拌完成后立即進(jìn)行場地平整養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于2d。如在雨季施工，需要做好相應(yīng)的防雨措施，配備塑料膜等，同時(shí)為確保加固效果，防止被水浸泡，應(yīng)預(yù)先安排施工場地內(nèi)的截(排)水溝、集水井等臨時(shí)排水設(shè)施。

2.3 施工控制

淤泥固化工藝的質(zhì)量控制重點(diǎn)是攪拌固化的均勻性。均勻性差會(huì)導(dǎo)致固化體出現(xiàn)局部軟弱區(qū)，當(dāng)加持荷載后，可能出現(xiàn)不均勻沉降、開裂、甚至失穩(wěn)，影響后續(xù)吊裝等作業(yè)的安全性。因此，在固化處理深度范圍內(nèi)需垂直上下多次攪拌，使固化劑同淤泥混合均勻。攪拌不少于兩個(gè)循環(huán)，且前兩次邊攪拌邊噴射固化劑，同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，可適當(dāng)增加空攪次數(shù)。攪拌過程中必須嚴(yán)格控制攪拌頭下降與提升的速率及固化劑的使用量。每m的下降和提升時(shí)間可控制在10～20s，固化劑的使用量可控制在每min出料80～150kg。速度過快會(huì)導(dǎo)致部分淤泥土難以與固化劑混合，而速度太慢會(huì)導(dǎo)致固化劑集聚，造成固化劑結(jié)塊，影響固化效果。當(dāng)軟土分布不均勻，局部存在硬殼層，采用垂直固化較困難時(shí)可選擇分層固化模式。與原位垂直上下固化不同的是，分層固化借助挖掘機(jī)預(yù)先對(duì)硬殼層翻松，再進(jìn)行分層固化[2]。兩種固化模式如圖6所示。當(dāng)區(qū)塊固化施工完成后，再進(jìn)行區(qū)塊內(nèi)整體性拌和，加強(qiáng)拌和的均勻性。區(qū)塊與區(qū)塊間應(yīng)進(jìn)行咬合搭接，寬度不小于5cm，避免出現(xiàn)漏拌。

圖6 固化攪拌模式

3 現(xiàn)場檢測

為確保加固體滿足設(shè)計(jì)及施工要求，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在加固后的3d和7d，選擇動(dòng)力觸探對(duì)加固體表面進(jìn)行承載力試驗(yàn)(圖7)。

動(dòng)力觸探是一種原位測定土層性質(zhì)的試驗(yàn)，通過一定高度的落錘將特定尺寸和形狀的探頭打入土層中，根據(jù)打入的錘擊數(shù)代入承載力計(jì)算公式，從而獲得所測土層的表面承載力。動(dòng)力觸探的試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作方便，試驗(yàn)效率高并對(duì)砂土、粉土、碎石土等有較好的適用性。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：加固體3d的錘擊數(shù)N為21次，7d的錘擊數(shù)N為30次。

通過計(jì)算可知，固化體3d平均承載力為145kPa，7d平均承載力為215.6kPa，大于設(shè)計(jì)要求的150kPa，滿足現(xiàn)場施工要求。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

以淤泥固化方案對(duì)比清淤換填中粗砂方案為例，根據(jù)本項(xiàng)目工程量清單，采用綜合單價(jià)(表2)分別對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。綜合單價(jià)即完成一個(gè)清單項(xiàng)中所列施工內(nèi)容耗費(fèi)的人工費(fèi)、材料費(fèi)和設(shè)備費(fèi)以及施工機(jī)具使用費(fèi)和企業(yè)管理費(fèi)、利潤，并且包含了一定的風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用的單價(jià)[6]。采用綜合單價(jià)能夠比較直觀地計(jì)算每個(gè)方案處理土體所需的費(fèi)用。

表2 綜合單價(jià)

清淤換填包含清淤費(fèi)用+換填費(fèi)用，處理每m3的土體的費(fèi)用為：30.72+98.36=129.08元。

固化劑+水泥摻入量10%的固化方案處理每m3土體的費(fèi)用為120元。

通過費(fèi)用對(duì)比可知，當(dāng)加固工程量較大時(shí)，采用淤泥固化技術(shù)可以明顯節(jié)省施工費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于清淤換填。

5 結(jié)語

淤泥質(zhì)土軟基淺層處理和改良方案較多，需要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行選擇。本文以蘇埃通道北岸明挖隧道龍湖溝段基坑施工為例，介紹了臨海淤泥地質(zhì)采用固化處理方案的技術(shù)參數(shù)、施工工藝等，并對(duì)比清淤換填進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，采用動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)加固體的承載力進(jìn)行了檢測。

(1)通過動(dòng)力觸探試驗(yàn)可知，采用淤泥固化技術(shù)固化體3d平均承載力可達(dá)145.04kPa，7d平均承載力可達(dá)215.6kPa，大于設(shè)計(jì)要求的150kPa，取得了較好的加固效果。整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中作業(yè)平臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定，預(yù)處理滿足施工要求。

(2)淤泥固化技術(shù)作為原位軟基處理工藝，可提高施工效率，節(jié)約施工成本。對(duì)于環(huán)境要求高、工期緊、場地有限的工程施工項(xiàng)目，具有較大的優(yōu)勢。