水泥深層攪拌樁在海相粘土層中加固的應用及質量控制

劉輝

摘要：水泥深層攪拌樁（Deep Cement Mix）作為深基坑軟基加固的措施，同時作為柔性支撐體系，在基坑圍護結構中，起到支撐、防滲等至關重要的作用。海相粘土（Marine Clay）作為軟基的一種，具有低強度、高塑性的特點。本文以新加坡樟宜機場第三跑道項目明挖隧道工程為例，淺談水泥深層攪拌樁在海相粘土層中的加固效果及其質量控制。

關鍵詞：水泥深層攪拌樁;海相粘土;質量控制

Abstract： Deep Cement Mix is used as a measure to strengthen the soft foundation of deep foundation pits and at the same time as a flexible support system. As a kind of soft foundation， Marine Clay has the characteristics of low strength and high plasticity. This article takes the open-cut tunnel project of the third runway project of Singapore Changi Airport as an example to discuss the reinforcement effect and quality control of the deep cement mixing pile in the marine clay layer.

Key words： deep cement mix;marine clay;quality control

0? 引言

水泥深層攪拌樁是利用硅酸鹽水泥作為土體固化劑，在設計樁身標高位置采用機械攪拌及無壓噴漿，使水泥漿液與軟基土充分拌和，產生一系列物理化學反應并逐步硬化，形成整體性及穩定性良好，并具備一定強度及抗滲性的支撐結構。此文章以新加坡樟宜機場第三跑道項目明挖隧道工程為例，闡述水泥深層攪拌樁在基坑施工過程中的應用。

1? 項目介紹

新加坡樟宜機場第三跑道項目位于新加坡東部，毗鄰樟宜機場第二航站樓，是新加坡樟宜機場擴建項目第五航站樓的重要組成部分。此明挖隧道作為連接第五航站樓的紐帶工程，圍護結構體系尤為關鍵。

1.1 項目地質情況? 樟宜機場項目所在區域為上世紀90年代填海造陸而成，其中地質結構由上而下主要分為回填層（Fill）、加冷地層（Kallang Foundation）及原有沖積層（Old Alluvium）。其中加冷地層為新加坡特有地層分類，主要包含海相粘土層（M）、粘土層（E）、沖積粘土層（F1）及沖積沙層（F2）。

在上述地層中，海相粘土的標準貫入度（SPT）值最低，錘擊次數N值約為3～5。此項目深層攪拌樁加固區域大部分位于海相粘土層。海相粘土是一種非常柔軟，外觀呈灰色或藍灰色的粘土，偶爾帶有散布的貝殼類碎片及細沙。并具有高含水率、高靈敏度、高壓縮性、低強度和低滲透性的特點，此地層處理不當，便會引起構筑物局部下沉或隆起，錯縫、錯臺、斷裂和構筑物滲水等嚴重質量問題，無法保證施工及后期運營安全。

1.2 圍護結構形式? 樟宜機場三跑道項目明挖隧道平均深度為10～15m，整個隧道基坑圍護結構采用鋼板樁工鋼結合與底部滿堂地基加固支撐體系。地基加固主要以水泥深層攪拌樁為主，配有高壓旋噴樁填補與鋼板樁之間的空隙，加固深度為3～4m。

2? 水泥深層攪拌樁施工應用

2.1 設計要求? 新加坡施工設計采用英標體系，整體設計理念以安全為主，設計參數安全系數較高。水泥攪拌樁體最小無側限抗壓強度（qu）>600kPa;最小無側限抗剪強度（cu）>300kPa;最小彈性模量值（E）>140MPa;抗滲系數K<5.0×10-8m/s。取芯完整度（TCR）不小于85%。

2.2 施工參數? 為確保在海相粘土中的加固效果，根據設計要求及試樁結果，施工機械采用雙軸水泥攪拌鉆機，單樁直徑1.6m，搭接區域長度0.2m。配備雙90kW動力頭，鉆頭轉速20r/min，最大扭矩112kN·m。水泥漿選用42.5硅酸鹽水泥，采用水泥攪拌站集中拌和的形式，水灰比為1：1，比重密度為1.51，水泥參量為200kg/m3，水泥漿段漿量為1084L/m。

在試樁過程中，曾選用水泥參量為180kg/m3的對照組進行比選試驗。28天養護期過后，通過取芯試驗發現，搭接部位的成樁效果較差，取芯完整度（TCR）不足70%，遠遠小于設計要求85%。經多次試驗分析，初步斷定為水泥參量較低所致。水泥參量較低，所用水泥漿含量較少，在噴漿攪拌過程中，無法充分覆蓋整個圓柱體，導致局部土體區域無水泥漿液混合，因此達不到取芯強度及要求。最終通過二次試樁驗證，200kg/m3的水泥參量符合施工設計質量要求，同時遵循施工經濟化的原則，節約成本，優化配比，達到最佳效果。

2.3 施工工藝? 水泥深層攪拌樁施工工藝一般分為“兩攪一噴”、“兩攪兩噴”、“四攪一噴” “四攪兩噴”等，為保證施工質量，國內最為常見的施工工藝為“四攪兩噴”。新加坡樟宜機場項目根據試樁結果及現場地質條件的分析，施工過程中采用改良版“四攪一噴”施工工藝，在傳統“四攪一噴”工藝的基礎上對加固區最后1m的位置增加額外兩次攪拌流程，使得底部得以充分攪拌，確保底部施工質量。施工流程如圖1所示：施工準備及放樣→鉆進下沉至底部標高→空攪提升至設計頂標高→注漿下鉆至底標高→空攪提升1m→空攪下鉆1m→空攪提升至地面標高。此施工工藝在保證施工質量的同時，節約了時間、燃料、機械等一系列成本，符合項目管控要求。

3? 施工質量控制

3.1 原材料檢測? 水泥原材料由專業供應商提供，施工前由具備檢測資質的第三方試驗室出具檢測合格報告，并在施工過程中分批次抽檢。原材料是施工質量控制的前提，只有把好水泥質量關，才能確保接下來的一系列質量把控措施行之有效。

3.2 水泥漿質量控制? 新加坡樟宜機場項目采用最新型的智能攪拌系統，通過數字化管理，電子操控每盤原材料攪拌含量，使得水泥與水每盤攪拌量都控制在500kg左右，誤差不大于2%。每盤攪拌完成后，通過比重計校驗水泥漿比重，比重誤差維持在±0.02之內，浮動區間為1.49～1.53，二次確保水泥漿施工質量。

3.3 施工過程質量監控? 施工前首先進行施工放樣，確保每個點的位置坐標準確。鉆機定位后，進行鉆桿垂直度檢測，并進行預鉆。施工過程中，每臺鉆機配備施工參數實時監控系統，能實時顯示鉆進時間、鉆進速度、鉆進深度、鉆桿轉動速率、扭矩、垂直度、注漿流量和注漿量等主要參數，并將攪拌及注漿范圍圖像化，通過圖形很直觀的展現成樁效果，使鉆機操作手及時發現在海相粘土層施工過程中產生的問題，根據地質情況調整施工參數，保障施工質量。如圖2。

3.4 現場試驗質量控制? 根據規范要求：“水泥攪拌樁安裝完成28天后，①現場每加固1000m3土體，取4個點檢測標準貫入度SPT值，N值不小于20;②現場進行抗滲試驗檢測，抗滲系數小于5.0×10-8m/s，單項目不少于3個點”。

根據施工總方量，現場由監理工程師隨機抽取190個點進行標準貫入度試驗，試驗結果N值均在25以上。

現場抗滲試驗采用上升水頭的試驗方法。試驗流程為：地質鉆機鉆進至加固區試驗深度，取出芯樣后，靜置24小時達到自然水位，清空試驗段積水，在兩個小時內頻繁記錄水位高度，并至水位不再上升為止，計算如下：

L-試驗段長度（m）;D-試驗孔的直徑（m）;T-水位上升至靜止所需總時間（s）;A-試驗孔截面面積（m2）;F-透水系數（m）;k-滲透系數（m/s）。

現場三組試驗結果表明，滲透系數均在5×10-9m/s左右，小于設計值5×10-8m/s，繼承了海相粘土低滲透性的特點，提高了基坑防水效果，確?；娱_挖過程中，不會出現滲水、涌水等現象。

3.5 試驗室試驗質量控制? 根據規范要求：“水泥攪拌樁安裝完成28天后，現場每加固1000m3土體，取4個點進行取芯試驗，每個取芯孔選取上、中、下三塊為一組樣本送至試驗室完成抗壓試驗”。

根據現場施工總加固土體方量，由監理工程師隨機抽取190個點進行鉆孔取芯。根據現場取芯結果，芯體呈灰黑色，觸感較為堅硬，完整性良好，無泥沙夾層，且取芯完整度（TCR）均在90%以上。（如圖3）

將190組試塊送至具有專業資質的第三方試驗室進行無側限抗壓強度試驗，實驗結果顯示，平均抗壓強度值（qu）在1000kPa左右，遠遠大于設計值600kPa，最小一組抗壓強度值為640kPa，仍滿足設計要求。因此，通過取芯試驗能很好地驗證水泥深層攪拌樁在海相粘土層具有良好的加固效果。

4? 結論

結合項目實際應用效果來看，水泥深層攪拌樁作為傳統的地基加固施工工藝之一，具有施工方便、加固范圍廣、加固強度高、滲水性低等優點，且在如海相粘土此類軟基中加固效果更佳，能很好地改善地基承載力及穩定性，為基坑工程或隧道工程奠定堅實的基礎。

參考文獻：

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