超深三軸攪拌樁盾構進出洞加固設備選型及控制要點

摘 要：南通地鐵2號線幸福鎮(zhèn)站-南通火車站盾構區(qū)間盾構機出、進洞次數(shù)較多，粉砂層為含水層，透水性較強，土質松散，在一定的動水壓力作用下易產(chǎn)生滲透破壞，可能導致盾構掘進面的不穩(wěn)定，容易引起土體擾動，引發(fā)微承壓水突涌，造成地表變形。如何有效解決深厚粉砂層中盾構機進出洞風險是本工程的重難點。本文主要分析本項目中的設備選型以及控制要點。

關鍵詞：超深；三軸攪拌樁；盾構進出洞；砂層；加固；風險文章編號：2095-4085（2024）03-0106-03

1 工程概況

南通地鐵2號線幸福鎮(zhèn)站-南通火車站盾構區(qū)間主要下穿的土層是：③2層粉砂、③3層粉砂夾粉土、③4層粉砂，隧道上部部分為①層填土、②層砂質粉土、③1層砂質粉土夾粘質粉土。上述土層為含水層，總厚度較大，含水量較豐富，潛水主要賦存于淺部粉土、粉砂、填土層中，平均水位埋深為1.84m，承壓水一般賦存于④層以下的砂土、粉土層中，水頭埋深2～5m。

根據(jù)以上地質特點，設計三軸攪拌樁加固區(qū)樁長為26m，止水帷幕樁長38m，為超深三軸攪拌樁。通過在所建車站端頭井使用超深三軸攪拌樁進行土體加固，且在土體加固外排再進行超深三軸攪拌樁作為整個土體加固的止水帷幕，從而阻斷盾構機進出洞時的基坑外地下水、砂突涌進端頭井內(nèi)，大大降低了盾構機進出洞過程中的涌水、涌砂現(xiàn)象，從而化解深厚粉砂層中盾構機進出洞的風險［2］。

2 超深三軸攪拌樁機設備選型

2.1 樁機設備選型依據(jù)

由于該工程三軸加固深度達到38m，常規(guī)型號三軸攪拌樁機金泰BZ70型號打樁架架體總長39m，最大鉆孔深度32.5m，無法達到設計深度，故在設備選型上需選擇更大型號的樁機進行施工。初步選定為上工JB180全步履式三支點打樁架配備KE85-3A（2*90KV）型動力頭進行試樁施工［3］。

2.2 暫定選型設備試樁結果

通過初步選定的三軸攪拌樁機打樁架及動力頭進行的5根試樁施工結果來看，共有4根試樁無法正常成樁，問題如下。

（1）SZ-1：進入30～38m⑤2砂質粉土夾粉質粘土層后，鉆桿鉆進困難，理論試樁施工時間為111min，實際施工時間為231min。

（2）SZ-3：鉆進至32m，由于⑤2砂質粉土夾粉質粘土深度較深，握裹力大，導致第一根鉆桿在此處被抱死，鉆桿無法繼續(xù)鉆進。

（3）SZ-4：進入30～38m⑤2砂質粉土夾粉質粘土層后，鉆桿鉆進困難，理論試樁施工時間為111min，實際施工時間為246min。

（4）SZ-5：進入30～38m⑤2砂質粉土夾粉質粘土層后，鉆桿鉆進困難，理論試樁施工時間為111min，實際施工時間為226min。

2.3 SZ-3試樁問題解決

進行SZ-3施工時，鉆桿鉆進至32m處被抱死，KE85-3A（2*90KV）型動力頭無法正常工作，鉆桿無法提升及下沉，由于電機連續(xù)作業(yè)，使得800KVA電機損壞。后來更換新的電機后，經(jīng)過連續(xù)不斷向孔內(nèi)加注稀釋的水泥漿、膨潤土及不斷加氣以防止水泥固化，而后在操作過程中對動力頭進行正反循環(huán)轉動，動力頭開始緩慢加速，同時將鉆桿緩緩提起。

2.4 樁機設備改進

通過查閱該工程地勘資料，在地面以下30～38m的區(qū)域內(nèi)，主要土層為⑤2砂質粉土夾粉質粘土，此處側摩阻力平均值69.73kPa，錐尖阻力平均值4.92MPa。根據(jù)土的主要特性，為防止鉆桿下放是被砂層握裹導致鉆桿抱死，在施工前對超深三軸設備進行改進：（1）將螺旋式鉆桿改為葉片式鉆桿，減小摩阻力。（2）動力頭型號增大，改為KE85-3B1型，此動力頭為2*110KV，增大動力。（3）將螺旋鉆頭改為錐形鉆頭，增大鉆進壓強。

2.5 樁機設備確定

該標段超深三軸攪拌樁施工深達38m，在南通這種全斷面粉砂地層中，由于砂層越深，握裹力越大，一般的三軸攪拌樁機在到達一定深度（一般為30m）后，無法正常鉆進，容易導致樁機鉆桿被砂層抱死，樁機無法正常工作，導致樁機損壞。故在樁機選型時中需慎之又慎［1］。

3 超深三軸攪拌樁加固工藝流程及施工要點

3.1 施工前，根據(jù)試樁數(shù)據(jù)確定施工參數(shù)

施工設備型號確定后，再一次進行試樁，試樁數(shù)量為5根，此次試樁目的為確定施工參數(shù)。由于本工程攪拌樁超深，下部地質砂層更為深厚，更易導致水泥漿液流失，故需降低鉆進速度，控制試樁鉆進速度為0.5m/min。根據(jù)試樁取芯得到的水泥土特性，決定是否采用試樁參數(shù)進行施工，當取芯結果滿足設計要求時，可采用該參數(shù)來進行作業(yè)。

3.2 三軸攪拌樁各項參數(shù)確定及計算

（1）已知參數(shù)：水泥密度ρ水泥（P42.5水泥密度為3.1t/m3）、土體容重ρ土（根據(jù)南通市地質特點取1.85t/m3）、 水泥摻量C（圖紙設計20%）、 水灰比r（圖紙設計1.5∶1）、拌漿桶體積V桶。

（2）現(xiàn)場試樁確定的參數(shù)：水泥漿流量f、鉆桿下沉速度S下。

（3）各參數(shù)計算：

1）W水泥=L*S樁*ρ土*C=38*1.5*1.85*20%=21.09t。式中：W水泥—單樁水泥質量（t）；L—樁長（m）；S樁—單樁投影面積（m2）。

2）V水泥漿= W水泥/（ρ水泥）+ W水*C/ρ水=21.09/3.1+21.09*1.5/1=38.43L。式中：V水泥漿—單樁使用水泥漿液量（m3）。

3）T下沉=L/S下=38/0.5=76min。式中：T下沉—樁機施工單樁下鉆時間（min）；S下—鉆桿下沉速度（m/min）。

4）N總=V水泥漿/V桶=38.43/1.105=35。式中：N總—單樁使用水泥漿總桶數(shù)；V水泥漿—單樁使用水泥漿液量（m3）；V桶—單拌漿桶體積（m3）。

5）N下沉=（f*T下沉）/1 000/（V水泥漿/N總）=（340*76）/1 000/（38.43/35）=24。式中：N下沉—鉆桿下沉所用水泥漿桶數(shù)。

6）T提升=N提升*（V水泥漿/N總）*1 000/f=（35-24）*（38.43/35）*1 000/340=35min。式中：T提升—單樁鉆桿提升時間（min）；N提升—鉆桿提升所用水泥漿桶數(shù)。其中N提升=N總-N下沉。

7）S提升=L/T提升=38/35=1.08m/min。式中：S提升—單樁提升速度（m/min）。T總=T提升+T下沉=35+76=111min。

3.3 超深三軸攪拌樁水灰比控制

按設計要求及試樁數(shù)據(jù)嚴格控制水灰比，該工程設計為1.5∶1。在漿液內(nèi)添加優(yōu)質膨潤土改善泥漿質量，采用42.5普通硅酸鹽水泥制備水泥漿液，漿液配合比為水泥∶膨潤土∶水=480kg∶15kg∶720kg。漿液制拌時間不得少于2～3min，濾漿后倒入二級拌漿桶中，繼而連續(xù)地攪拌，以防止水泥離析，且注漿不可中斷（按照相關設計調(diào)整）。在施工過程中隨時使用泥漿三件套中的比重計進行水泥漿比重測試，以保證水灰比保持在1.5∶1。

3.4 超深三軸攪拌樁樁間搭接控制

（1）相鄰兩幅樁施工時間不應大于24h，若由于各種原因大于24h，需在下一根樁施工時增加20％的注漿量，同時降低提升與下鉆速度。

（2）冷接頭處理：若由于相隔時間過長導致兩根樁無法搭接，應作為冷縫處理，在上級單位同意的情況下，利用周邊補樁或高壓旋噴樁進行補強，從而保證補強效果，搭接厚度約10cm（按照實際情況進行調(diào)整）。

（3）套打和施工順序：超深三軸攪拌樁土體加固施工按下圖順序進行施工，采用跳槽式雙孔全套復攪式連接，其中藍色陰影部分為套打搭接，可保證樁體的連續(xù)性和樁與樁的搭接質量（見圖1）。

單側擠壓式連接方式：對于存在轉角或施工時間間隔較長的情況下采用此方法（見圖2）。

3.5 超深三軸攪拌樁平面位置控制

（1）超深三軸攪拌樁為逐排施工。首先，根據(jù)現(xiàn)場各樁位控制點確定每排樁的起始點位，拉一根定位線，施工過程中根據(jù)此線進行樁位的控制。

（2）攪拌樁機就位后，根據(jù)標記樁位就位，每排樁確定定位控制線，根據(jù)卷尺測量控制后移距離。

（3）沿控制線方向，確定樁間的平移距離，先跳打施工兩側大幅，再施工中間小幅。

（4）施工下一根樁前，樁機通過卷尺進行位移，移動偏差控制在5cm以內(nèi)，并由項目部管理人員及監(jiān)理復核后，開始施工［4］。

3.6 超深三軸攪拌樁深度、標高及樁機垂直度控制

施工前根據(jù)水準基點進行標高引測，確定地面標

高及加固深度，樁機拼裝時須在炮筒上標清鉆頭到達實樁頂部和樁底的標高位置，并嚴格控制鉆桿提升機下沉速度及注漿流量，從而保證土體加固的深度滿足要求。通過樁機上的兩個正交的垂直導向裝置及后安裝的懸掛線錘來控制垂直度，樁機移動后要及時利用水平尺檢查底盤水平情況，線錘需置于半徑小于3cm的鋼環(huán)內(nèi)。

4 結語

通過以上設備選型及各控制要點，該工程進行超深三軸攪拌樁土體加固，在樁體施工完成28d后，利用地質鉆機進行取芯和28d無側限抗壓強度試驗，結果良好。

通過利用超深三軸攪拌樁盾構進出洞加固，有效避免了由于土體擾動、微承壓水突涌造成的地表變形，降低了風險，確保了施工的進程。并受到各單位的廣泛好評，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，也為今后超深三軸攪拌樁加固施工提供了有效可行的施工方案。

參考文獻：

［1］俞婷.三軸攪拌樁的工藝原理及監(jiān)理要點［J］.山西建筑，2014，40（31）：124-125.

［2］江招勝，郭廣才，黃威然.富水砂層中土壓平衡盾構施工的技術措施［J］.城市軌道交通研究，2006（7）：58-60.

［3］李春濤，王吉云.水泥土加固在大型盾構出洞加固工程中的應用［C］.// 中國土木工程學會隧道與地下工程分會防排水專業(yè)委員會第十三屆學術交流會論文集 中國土木工程學會，2007：67-69.

［4］李大勇，王暉，王騰.盾構機始發(fā)與到達端頭土體加固分析［J］.鐵道工程學報，2006（1）：87-90.