南水北調興隆水利樞紐泄水閘地基處理水泥土攪拌樁施工

張 杰 艾立偉

(中國水電基礎局有限公司 鄭州 450000)

1 工程簡述

南水北調漢江興隆水利樞紐工程位于湖北漢江中下游潛江市高石碑鎮，樞紐由攔河水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸灘地過流段及其上空的連接交通橋等建筑物組成。樞紐正常蓄水位36.2m，相應庫容2.73億m3，規劃灌溉面積21.84萬hm2，規劃航道等級為Ⅲ級，電站裝機容量40MW。

興隆泄水閘地基處理項目主要工作內容包括:水泥土深層攪拌樁、塑性混凝土防滲墻、灌注樁施工。其中最主要的施工項目為水泥土攪拌樁，設計分為三種形式:格柵樁、相切樁及單樁，設計工程量35萬延米。

覆蓋層以粉細砂層為主。閘室持力層主要為粉細砂層，建基面位于該層的頂部，局部為填方地基。粉細砂承載力特征值為110～120kPa，作為天然地基不滿足閘基基底應力要求。砂礫(卵)石層強度較高，但埋深大，不宜直接作為閘基持力層。

泄水閘的抗滑穩定性受閘基土層控制，泄水閘基礎底面與地基土之間的摩擦系數:f粉細砂=0.40，f黏性土=0.35。

閘基下部分布的粉質壤土、粉質黏土透鏡體承載力低，且具中等-高壓縮性，存在不均勻變形及沉降問題。

水泥土攪拌樁施工是在基坑內覆蓋層粉細砂地質條件下進行的，樞紐建筑物底部粉細砂層呈中密狀態，作為天然地基不能滿足泄水閘閘基底應力要求，承載力偏低，且在樞紐投入使用后存在基礎液化可能，須對地基采取加固處理，設計方案中在過流段采取水泥土攪拌樁形式處理。攪拌樁直徑600mm，均采用純水泥漿液攪拌，樁間搭接15cm，呈田字布置相互聯接。

為保證泄水閘基礎塑性混凝土與覆蓋層具有相近的物理彈性模量，在外力作用下發生相同的形變，避免較大的相對位移、沉降，及防止液化造成閘結構的破壞，該工程對水泥摻入量、各種設計指標有很高的要求。

設計指標為:?水泥樁樁徑600mm;?滲透系數K≤i×10-6cm/s;?水泥攪拌樁單軸28天抗壓強度不小于2.5MPa;?滲透破壞比降［J］≥50

2 水泥土水泥摻入量配比確定

水泥土攪拌樁水泥采用強度等級為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥，根據設計要求，在進行生產性試驗施工前，委托具備相應資質的試驗機構進行室內配合比試驗。配比試驗主要以現場原狀土按不同漿液比級、不同水泥摻入量進行配比試驗。第一次試驗摻灰量不小于15%的設計要求，選定15%、18%、20%三種摻灰量進行試驗配比，試驗結果見表1。

表1 水泥土28天試驗結果

室內進行原狀土濕密度為1.54g/cm3(取樣部位為地下水位上部)，1∶1水灰比下的三種水泥摻入量的配比試驗(見表1)。試驗成果表明:摻灰量為20%時各項指標滿足設計要求，并經監理部門批準后在生產性試驗施工中使用。

在正式施工后，由于施工區樁頂高程處地下水(見水高程)降低，排水較慢，地下水位較高(水位26.8m，樁底高程14.6m)，取其地下水位原狀土，濕密度相對增大(1.85g/cm3)并改變了水灰比，故聯合監理部門現場重新取樣進行室內配合比試驗，此次進行了16%、18%、20%三種摻灰量試驗，試驗結果見表2。

表2 水泥土28d試驗結果一覽表

根據試驗結果，在摻入量為16%時，其指標不滿足設計要求。將試驗結果報監理部門后，選定為1∶1水灰比摻灰量18%為高地下水位施工參數。

3 該工程水泥土攪拌樁布置型式

該工程水泥土攪拌樁布置型式見圖1、圖2。

圖1 單排聯體樁布置圖

圖2 單排相切樁布置圖

4 工藝試驗

在室內配比試驗完成的前提下進行水泥土攪拌樁工藝試驗，工藝試驗的目的是驗證并確定設計提出的施工技術參數和要求，驗證所選用的施工設備和施工工藝對該工程地質條件的可行性和施工質量的可靠性，根據實際工效調整、優化資源配置。通過試驗確定了以下滿足設計要求的各種施工參數:

a.灰漿水灰比1∶1、水泥摻入比20%(重量比)。

b.防滲形式、樁抗滲性、樁體強度、滲透系數等指標均滿足設計要求。

c.攪拌樁機攪噴次數和提升速度。采用四攪四噴、三軸噴漿，下沉提升速度不大于67cm/min(試驗表明:下沉提升速度對漿液注入量有直接關系，應根據每個注漿泵輸漿量確定下沉提升速度)。

d.灰漿泵輸漿量。完全滿足在下沉提升時水泥摻入比的要求。

e.灰漿經漿管到達噴漿口的時間。經測量，漿液到底噴漿口時間不大于45s。

f.樁間切割最大允許間隔時間。試驗表明:最大切割時間為22h。

g.樁頭開挖方法及時間。28天齡期后，采用挖掘機結合人工方式進行開挖，在檢查樁體邊側位置開挖時，其外觀檢查符合設計要求;樁頭部分強度值較高，根據試驗結果，7天后進行開挖。

h.機械選型。由于該項目最大有效樁長12.0m，考慮空樁預攪部分，最大樁長不超過15.0m，試驗選用SPM-5III型多頭深攪樁機，其軸動力、提升下沉、軸距、鉆頭直徑、轉速、漿液輸送等各項性能完全滿足最大樁長下施工要求。工藝試驗主要選擇三軸噴漿、兩軸噴漿及單軸噴漿施工格柵三種形式進行。經各項檢查后，以上幾種試驗樁均滿足設計及規程規范要求。

5 水泥土攪拌樁施工

5.1 場地平整與布置

機械設備進場前的場地平整，主要包括平整場地(高挖、低填、軟墊)、清除障礙(地上、地下)、布置排水溝和集水井以及修建供水供電設施、施工道路等(見圖3)。

當場地表層較硬需注水預攪施工時，應在四周開挖排水溝，并設集水井，其位置以不影響深層攪拌樁機施工為原則。排水溝和集水井應經常清除沉淀雜物，保持流水暢通。主排水溝設在閘室上游側，其他區域設輔助排水溝將水集中排至主排水溝，由主排水溝匯流至集水井后統一外排，集水井設在閘室、上游圍堰之間。

當場地過軟不利于深層攪拌樁機行走或移動時，應鋪設粗砂或碎石墊層，也可鋪設鋼板。施工平臺高程誤差控制在±15cm之內。

在主場地之外設置后臺(用作灰漿臺)，用于臨時存放水泥及制漿設備，灰漿的水平輸送距離控制在50m以內。

5.2 測量放線

按每根樁位置進行現場測量放線，定出每一個樁位，均要作出明顯標志，加以妥善保護。具體方法如:

a.按設計藍圖給出的坐標控制點采用全站儀引至施工現場控制點，由現場控制點放線確定出每個施工部位輪廓，輪廓點采用木樁定位，沿定位樁拉線后采用長度不小于50m鋼卷尺量測出每一根攪拌樁樁位中心，再打木樁作出標記。放線完成后，由現場監理工程師按設計圖紙進行檢查驗收。

b.單排聯體、單樁樁位偏差控制在±5cm之內。

5.3 水泥漿液制備

深層攪拌機具備開始施工條件時，后臺按要求拌制水泥漿液。

5.4 預攪下沉

啟動深層攪拌機電機、放松鋼絲繩，使攪拌機沿導向架攪拌下沉，下沉速度由電器控制裝置的電流監測表控制，工作電流不應大于額定值。

5.5 噴漿攪拌

在下沉時，開啟灰漿泵輸送水泥漿液，開始噴漿(或噴水)，待攪拌、噴漿至孔底30s后，再按試驗確定的提升速度邊噴漿邊提升攪拌機。重復以上工序完成四次噴漿四次攪拌。

6 水泥土攪拌樁施工專項技術措施

a.深層攪拌機下沉時，開啟灰漿泵輸送水泥漿液，待攪拌、噴漿至孔底30s后，再按設計確定的提升速度邊噴漿、邊提升攪拌機。第一次下沉和提升攪拌機時均勻噴漿，兩次噴漿量為60%;重復攪拌機下沉、提升并噴漿，噴漿量為40%，提升完成后該樁攪拌方告結束(多排聯體樁漿液溢出孔口方可結束)。每次下沉和提升噴漿時均距地面以下40cm。結合工藝試驗及水泥摻入量情況，攪拌機下沉提升最大速度定為0.67m/min。

b.攪拌中遇有硬土層，攪拌鉆進困難時，應啟動加壓裝置加壓鉆進或采用沖水下沉攪拌。采用后者鉆進時，噴漿前應將輸漿管內的水排盡。

c.攪拌樁機噴漿時應連續供漿，上提噴漿時因故停漿，須立即通知操作者。此時為防止斷樁，應將攪拌樁機下沉至停漿位置以下0.5m(若下沉時則應提升0.5m)，待恢復供漿時再噴漿施工。因故停機超過3h，應拆卸輸漿管，徹底清洗管路。發生提升困難時，中間軸噴風、兩側軸噴水，以達到減小土體密度、摩擦力等作用，待處理完畢后，噴頭重新下沉至事故點以下0.5m重新噴漿。

d.當噴漿口被提升到樁頂設計標高時，停止提升，攪拌數秒，以保證樁頭均勻密實。

e.施工時，停漿面應高出樁頂設計標高0.3m，開挖時再將超出樁頂標高部分鑿除。

f.樁間接頭處理:

?根據施工圖所示的攪拌樁布置特點，合理確定施工程序、施工順序、機械配置，避免樁間形成冷接縫;

?對于要求搭接的樁孔，根據工藝試驗，樁與樁的搭接時間不大于22h，如因特殊原因超過上述時間，對最后一根樁先進行空鉆留出榫頭以待下一批樁搭接;如間歇時間過長(如停電等)，與后續樁無法搭接時，采取局部補樁或注漿措施;

?針對格柵樁、單排聯體樁由于特殊原因超過22h，無法在規定時間內搭接的情況，根據施工計劃，采取兩種處理方法:?在噴漿后的樁體達到初凝狀態后，于相鄰兩側需要搭接的樁位以單頭設備噴水攪拌至原漿液松散留出榫頭，待繼續施工時自榫頭處樁位繼續噴漿攪拌施工(見圖4);?已經確定在允許時間內不能完成搭接的樁體采用不噴漿方式預留出此樁位，待相鄰樁體達到初凝狀態后噴水攪拌未噴漿樁體，即對需搭接的15cm進行攪拌留出榫頭，待繼續施工時自榫頭處搭接施工(見圖5)。如未達到初凝狀態時便進行噴水攪拌，將對已經攪拌完成的漿液產生破壞，使原樁體漿液流失。

圖4 搭接時間超時處理方式(一)

圖5 搭接時間超時處理方式(二)

g.樁位控制。按單元劃分表(圖)進行指導施工，并下發至現場值班員、每個施工班組，通過單元劃分表控制每根樁的樁頂、樁底高程，每完成一根樁或一組樁后即在單元劃分圖上標注，工程部現場值班員按圖跟蹤檢查，并做到每完成一根樁或一組樁后即在施工進度圖上標注，通過以上控制，有效杜絕了漏樁現象。

h.水泥控制。攪拌樁的主要原材料為水泥，控制好水泥用量即基本控制住了質量及成本。

該項目按設計要求，樁頂0.8m需要鑿除，也就造成了此部分水泥浪費，質檢員嚴格控制水泥漿液密度，防止因密度過大造成水泥浪費;嚴格物資采購制度，進場水泥必須通過驗收點數后方開具收貨單;對施工機組操作人員移機不停漿現象，發現后根據項目管理條例進行處理;施工中遇見硬層進尺慢或不進尺時，先采用噴水攪拌，通過硬層后重新噴漿施工。通過以上措施，有效地解決了水泥浪費現象，保證了施工質量及成本在可控范圍內。

7 樁頭開挖

根據設計技術要求及現場攪拌樁施工實際情況，考慮到樁體強度較高、攪拌樁施工機械工作面問題等因素，樁頭清除部分待單元攪拌樁工程施工完畢28天所有檢測項目合格后，進行樁頭鑿除。

在樁間粉細砂開挖完成后，根據施工區測量控制點，利用水準儀對每根樁鑿除底部高程部位進行測量放線，并做好明顯的標識。分兩次鑿除樁頭:第一次鑿除40cm，采用輕型挖掘機進行;第二次鑿除至設計樁頂高程，采用風壓不超過4.0MPa空壓機風鎬及電動風鎬人工鑿除樁頭。分層鑿除，每次不超過10cm依次進行，嚴格控制設計樁頭高程，不得因此造成減少有效樁長。如造成有效樁頭減少而達不到設計要求時，采取與設計要求指標相同的砂漿填充。

8 攪拌樁施工的難點及解決方法

由于各種因素，攪拌樁現場控制非常困難，如果失控極易成為“水貨樁”，造成工程質量低下甚至工程失敗，故水泥土攪拌樁也有人稱之為“臭名昭著”的施工工藝，國內多個地區已經明令禁止采用此工藝。該工程的解決方法如下。

8.1 設備選型方面

興隆泄水閘地層為密實細顆粒狀粉細砂，含泥量較少，局部夾板結狀泥質透鏡體。由于粉細砂地層遇漿、水自密性較強，產生膠結板結狀況，攪拌樁機在提升過程中遇到了較大的阻力，致使提升困難、頻繁鑄鉆、發生掉鉆頭事故(試驗施工中，由于以上原因，致使提升鏈條拉斷、桅桿頂部折彎、傳送力能軸及連接八爪斷裂)，相應施工功效低下。針對此因素，項目部對國內深攪設備進行了系統全面的考察。考察發現，目前國內鏈條式深攪機的功率普遍達不到在該項目施工的要求，具體表現為:主動功率均偏小、傳送力能的傳動軸及連接八爪材質較差、提升能力不能滿足在粉細砂中施工。

為此，項目部根據考察、現場試驗結果，選用了鋼絲繩式兩軸深攪機、單軸鏈條式樁機施工格柵樁，單樁、相切樁采用單軸鏈條式樁機，較好地解決了地質施工難點。另外，通過考察發現，國內生產的SWM工法樁機也適應該項目砂層中施工，但由于施工單價偏高，考慮成本壓力未予選用。因此，在以后類似項目中，建議根據地質條件選擇施工設備。

8.2 施工措施方面

一般深層攪樁機適應松散的土層，在砂層中施工本身就存在一定的難度。該項目為粉細砂地層，施工中受粉細砂遇漿水板結、膠結，摩擦力、附著力、阻力增大等影響，在深攪樁機提升過程中電流經常超過額定電流，粉細砂層成樁后變為了“水泥砂漿”樁體。

項目部經積極探求，采取了以下解決方案:

a.對深攪設備鉆頭進行了改進，由以前平面攪拌葉片改進成30°左右傾斜角度，以減少鉆頭在粉細砂中自身的阻力，并在兩軸夾板上部加焊攪拌葉，通過切削砂體來減少兩軸軸夾板上提時帶來的阻力。

b.對設備桅桿進行加固，以防止提升力過大造成桅桿折彎。

c.對攪拌樁機易損部件多加備庫，防止因設備損壞造成停等時間過長。

d.對于硬質土層難以鉆進時，在噴水泥漿以前先噴水將原始地層攪拌松散后再進行噴漿作業。

e.施工前有針對性地進行工藝性試驗，摸索適應粉細砂中深攪施工的工藝及設備適應能力。

受高溫影響，樁體初凝較快，設備故障后不能連續施工時，格柵樁搭接將不能實現(設計要求樁體搭接15cm)，為此，經過與設計、監理部門溝通，對于個別不能實現搭接的樁體采用相切形式連接，并在相切樁體一側進行補樁。

9 施工現場的控制

該工程由于深攪工程量較大，共由3.5萬根樁組成，施工高峰時，現場布置了30余臺深攪樁機，這就對現場施工安排、質量控制提出了較高的要求，稍有疏忽即可能發生漏樁、問題樁，且如果安排不當，將出現設備停工等窩工現象。項目部首先對每臺樁機進行編號，按每臺樁機排定進度計劃，并建立項目經理、副經理值夜班制度，每天早晚由一位經理在現場召開由工長、機班長、施工員、質檢員參加的班前會，對當班出現的突發情況重新進行安排部署，由于措施得當、安排合理，施工中基本未出現窩工現象。

為保證不出現漏樁、問題樁，對每一根樁均設立了“身份證”臺賬，每完成一根樁均要記錄在案、有據可查;繪制每一個單元部位的詳圖，做到完成一根樁涂黑一根，對質檢員、監理認定的問題樁作出涂紅記錄，處理完成后在臺賬中記錄。施工中杜絕了漏樁情況，問題樁均得到了妥善處理。

針對機組攪拌樁施工人員質量意識淡薄的情況，一名值班工程師安排了兩臺機組，責任到人，從攪拌樁深度、直徑、攪拌次數、漿液密度等方面全方位監控;值班工程師不定時測量漿液密度及抽查樁深等;給予值班工程師一定獎懲權力，發現弄虛作假現象即進行處罰。

10 樁體質量檢測、檢查結果

施工過程中必須隨時檢查施工記錄，并對照預定的施工工藝對每根工程樁進行質量評定，對于不合格的工程樁根據其位置、數量等具體情況，分別采取補樁或加強附近工程樁等措施。施工過程中，必須隨時檢查施工記錄和計量記錄，并對照規定的施工工藝對每根樁進行質量評定。攪拌樁體的施工作業過程質量檢驗包括樁位、樁頂、樁底高程、樁身垂直度、漿液水灰比、樁身水泥摻入比、水泥用量、攪拌頭上提噴漿的速度、復攪次數和復攪深度、停漿處理方法等每樁施工作業全過程的檢驗。

檢測方法如下:

a.動力觸探法。該工程共完成3.5萬根樁，按照總樁數的1%檢查，經檢查，所有樁體均符合設計要求。

b.鉆孔取芯檢查。按照檢驗數量為總樁數的0.5%總計鉆孔取芯197根。抽樣強度:最大值9.7MPa，最小值4.2MPa;檢測滲透系數范圍在1.5×10-7～9.4×10-7cm/s;允許比降［J］均大于50;所有檢查項目均符合設計及規程規范要求。

c.開挖檢查。按照總樁數的5%進行檢查，所有開挖檢查樁體均外觀質量好，無蜂窩、孔洞;樁與樁間切割搭接滿足設計要求;量測成樁直徑滿足要求;攪拌的均勻性、樁整體性強。

d.承載力檢驗。承載力檢驗采用復合地基載荷試驗和單樁載荷試驗。檢驗數量為樁總數的0.5%;經逐級加載試驗最終沉降值在6.54～25.22mm之間，滿足設計及質量要求。

11 結語

在粉細砂中施工水泥土攪拌樁在國內水利行業中為數不多。項目部在實施過程中，遇到了種種困難，但通過一系列措施得以解決，并從中得到了一定的施工經驗:粉細砂中進行深攪施工需選擇合適的設備方能有效實施;當深攪機組為外協單位時，對外協的管理不能只是單一的“以包代管”，應從多方面入手，方能保證施工質量、進度;由于該項目深攪樁數量極多，對施工現場設備及人員的統籌安排、施工進度編排都增加了難度。

該工程的水泥摻入量配比試驗研究、工藝試驗數據具一定代表性。特別是針對深層攪拌樁專項施工措施、工藝流程、質量控制環節及樁間接頭處理的研究，對以后類似工程具有一定的參考借鑒作用。?