富水深厚砂層中的五軸水泥土攪拌樁支護(hù)施工技術(shù)

洪冬明

廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510620

1 工程概況

維尚新零售綜合體項(xiàng)目位于廣東省佛山市南海區(qū)中央大街南側(cè)與寶翠北路交會(huì)處（圖1），項(xiàng)目擬建4層地下室，基坑開(kāi)挖深度約17.9 m，下沉廣場(chǎng)基坑開(kāi)挖深度約9.2 m，維尚新零售綜合體項(xiàng)目基坑與下沉廣場(chǎng)基坑之間高差8.7 m。

圖1 維尚新零售綜合體項(xiàng)目地理位置

地質(zhì)報(bào)告揭示，項(xiàng)目范圍內(nèi)巖土層的種類較多，主要以稍經(jīng)壓實(shí)狀填土、淤泥質(zhì)土、粉砂及殘積砂質(zhì)黏土為主，且土層分布不均勻；土層力學(xué)性質(zhì)較離散，壓縮模量差異較大。

場(chǎng)地基巖在水平及垂直方向上巖性變化較大，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖等，風(fēng)化程度不均勻，樁基持力層的均勻性較差，粉砂層厚度9.80～14.60 m，砂層厚，淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土夾層5.50～9.30 m，軟土層厚，地下水豐富，且地下水帶有承壓性。

2 項(xiàng)目實(shí)施條件分析

2.1 富水砂層施工的主要危害

砂層具有攪動(dòng)松散、自穩(wěn)性較差的特點(diǎn)，在富水環(huán)境條件下，水泥土攪拌樁鉆頭攪拌下沉后，由于土壓力不平衡，鉆桿兩側(cè)的砂層迅速塌陷，導(dǎo)管在第1次或第2次噴漿提升過(guò)程中，很容易被砂層埋住而無(wú)法拔出，尤其是穿越深厚富水砂層時(shí)，鉆頭被埋的風(fēng)險(xiǎn)更大。

在濱海、海陸交互相、湖陸交互相沉積地層地區(qū)，深厚砂層中夾著局部巖塊，巖面高低不平，多層透水層存在是普遍的地質(zhì)現(xiàn)象。富水砂層具有膠結(jié)能力差、強(qiáng)度低、透水性強(qiáng)等特征，常常引發(fā)突水涌砂、流砂等嚴(yán)重工程與環(huán)境問(wèn)題。

傳統(tǒng)的二軸和三軸水泥土攪拌樁鉆進(jìn)能力不足，難以穿越富水深厚砂層，更難以鉆進(jìn)巖層中，遇到巖面高低不平或局部巖塊時(shí)，往往容易造成地下水從短樁底部繞流的問(wèn)題，止水帷幕無(wú)法達(dá)到止水效果，給工程安全、質(zhì)量、投資及進(jìn)度造成負(fù)面影響。

2.2 止水帷幕施工重難點(diǎn)

本項(xiàng)目粉砂層較厚，地下水位高，具有承壓性，屬于富水砂層地質(zhì)，風(fēng)化巖面高低起伏。

有些強(qiáng)風(fēng)化巖甚至高出基坑底面7～8 m，且該強(qiáng)風(fēng)化巖標(biāo)貫系數(shù)高，達(dá)到了60擊，按照以往的施工經(jīng)驗(yàn)，水泥土攪拌樁在富水砂層中成樁質(zhì)量效果一般，止水帷幕效果不佳，且鉆機(jī)難以穿透此類性質(zhì)巖層。維尚新零售綜合體項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度約17.9 m，下沉廣場(chǎng)基坑開(kāi)挖深度約9.2 m，沿2個(gè)基坑外圍、2個(gè)基坑之間高差部位均設(shè)有φ850 mm@600 mm的五軸水泥土攪拌樁排樁。

因此，在本工程中，五軸水泥土攪拌樁排樁的施工質(zhì)量是施工過(guò)程中的控制重點(diǎn)。施工中急需解決的技術(shù)難題如下[1-5]：

1）水泥土攪拌樁在富水粉細(xì)砂層中成樁質(zhì)量一般，止水帷幕效果較差，有埋鉆風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取什么工藝或措施才能確保樁體質(zhì)量，達(dá)到止水目的。

2）強(qiáng)風(fēng)化巖面高低起伏，造成止水樁部分嵌巖，部分在砂土層，地下承壓水從樁底繞流，強(qiáng)風(fēng)化巖面位于基坑底以上而造成止水樁底位于基坑底以上所帶來(lái)的開(kāi)挖后滲漏水，應(yīng)采取什么樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制入巖深度。

3）富水深厚粉細(xì)砂層側(cè)向土壓力大，受壓集中區(qū)域容易引起樁體變形開(kāi)裂，應(yīng)采取什么樣的措施或方法提高樁體側(cè)向壓力，防止樁身變形開(kāi)裂。

2.3 技術(shù)路線

通過(guò)選擇代表性地質(zhì)，運(yùn)用科學(xué)的管理方法，制定實(shí)施計(jì)劃，對(duì)富水砂層五軸水泥土攪拌樁支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究。具體步驟如下[6-9]：

1）研究五軸水泥土攪拌樁機(jī)在富水深厚砂層及風(fēng)化巖等地質(zhì)條件下的掘進(jìn)能力和入巖效果，通過(guò)選擇代表性地質(zhì)，在現(xiàn)場(chǎng)試鉆進(jìn)行測(cè)定。

2）研究五軸水泥土攪拌樁在富水深厚砂層地質(zhì)條件下的施工工藝和施工參數(shù)，確保止水帷幕質(zhì)量達(dá)到預(yù)期止水目的。

3）以SMW工法為基礎(chǔ)，研究在富水深厚砂層地質(zhì)條件下五軸水泥土攪拌樁施工支護(hù)施工工藝參數(shù)改進(jìn)及支護(hù)效果提升。

3 五軸水泥土攪拌樁支護(hù)工作原理

3.1 五軸水泥土攪拌樁工作原理

五軸水泥土攪拌樁機(jī)施工時(shí)，5根鉆桿同時(shí)攪拌水泥土成樁，五軸中第1、3、5軸噴水泥漿，第2、4軸噴高壓空氣。每根鉆桿下部安裝有12層葉片，并在葉片上、下段分別開(kāi)有出漿孔。攪拌下沉?xí)r葉片下端出漿噴漿，攪拌提升時(shí)葉片上端出漿噴漿，且攪拌下沉、提升時(shí)5根鉆桿同時(shí)噴漿，形成一種獨(dú)特的強(qiáng)制式攪拌式五軸水泥土攪拌樁“兩噴兩攪”施工工藝，施工流程如圖2所示。

圖2 五軸水泥土攪拌樁“兩噴兩攪”施工示意

3.2 五軸水泥土攪拌樁支護(hù)原理

將5根連續(xù)樁貫通變成了一小段連續(xù)墻，可作為良好的止水帷幕，在深層水泥土攪拌樁施工完12 h內(nèi)，向樁內(nèi)插入鋼管，可有效提高止水帷幕的側(cè)向抗壓能力，從而將止水樁兼作擋土樁（墻）。

3.3 工藝流程

測(cè)量放線→開(kāi)挖溝槽→設(shè)置定位型鋼→鉆機(jī)就位→噴漿鉆孔至樁底→噴漿攪拌至樁頂→噴漿鉆孔至樁底→噴漿攪拌至樁頂→鋼管定位→插入鋼管→固定鋼管→施工完畢

4 五軸水泥土攪拌樁支護(hù)施工技術(shù)的工程應(yīng)用

4.1 開(kāi)工前的準(zhǔn)備工作

為保證施工過(guò)程順利可控，開(kāi)工前應(yīng)做好以下幾點(diǎn)準(zhǔn)備工作：

1）根據(jù)工程特點(diǎn)編制了五軸水泥土攪拌樁專項(xiàng)施工方案和深基坑支護(hù)與開(kāi)挖方案，施工前向作業(yè)人員進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)交底，確保所有作業(yè)人員都掌握該施工位置的地質(zhì)情況，施工方法、工藝要求和施工過(guò)程的注意事項(xiàng)。

2）在施工現(xiàn)場(chǎng)搭建拌漿施工平臺(tái)，攪拌水泥漿使用專業(yè)的自動(dòng)拌漿系統(tǒng)制備水泥漿，水泥漿的配合比按照設(shè)計(jì)要求和規(guī)范要求進(jìn)行配制，在開(kāi)機(jī)前攪制漿液。固化劑采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比通過(guò)試樁確定參數(shù)，注漿壓力為1.5～2.5 MPa，具體注漿壓力根據(jù)漿液輸送能力控制。

3）場(chǎng)地平整的基本要求是在走道箱板或鋼板鋪墊條件下滿足大型機(jī)械（攪拌樁機(jī)與50 t吊機(jī)）帶負(fù)荷行走。

4.2 富水砂層五軸水泥土攪拌樁施工參數(shù)的研究與應(yīng)用

維尚新零售綜合體項(xiàng)目下沉廣場(chǎng)基坑西側(cè)開(kāi)挖深度5.6～9.1 m，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告主要以粉砂層為主，厚度8.5～12.8 m，淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏土夾層1.5～3.5 m，基坑位于地下水以下。

因此選擇下沉廣場(chǎng)基坑作為富水砂層五軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)的研究地點(diǎn)，采用長(zhǎng)15 m的φ850 mm五軸水泥土攪拌樁作為測(cè)試樁，水灰比分別為0.8、0.9、1.0，注漿壓力分別為1.5～2.5 MPa，鉆機(jī)下沉速度和提升速度為0.8～1.2 m/min 。設(shè)9處試樁點(diǎn)，樁編號(hào)分別為A1～A9，具體施工參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 富水砂層條件下試樁參數(shù)設(shè)定

對(duì)于非承重式水泥土攪拌樁的檢測(cè)，如擋墻、止水帷幕等工程，主要以樁體的完整性、樁長(zhǎng)和均勻性為主，采用以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為主，取漿法和發(fā)射波法為輔的檢測(cè)手段。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在富水砂層地質(zhì)條件下，五軸水泥土攪拌樁漿體的水灰比為1.0，注漿壓力為2.0 MPa，鉆頭鉆進(jìn)/提升速度在0.8 m/min的，樁體的完整性和均勻性最好，樁長(zhǎng)偏差最小。

4.3 富水深厚砂層五軸水泥土攪拌樁施工工藝的研究與應(yīng)用

砂層自穩(wěn)性較差，具有攪動(dòng)松散的特點(diǎn)，水泥土攪拌樁鉆頭攪拌下沉后，由于壓力不平衡，鉆桿兩側(cè)的砂層迅速塌陷。五軸水泥土攪拌樁鉆頭范圍較大，塌陷的面積和范圍更廣，若砂層中巖塊較多，大量巖塊隨砂層一起塌陷后，很容易把鉆頭埋住而無(wú)法拔出，尤其是穿越深厚富水砂層，鉆頭被埋的風(fēng)險(xiǎn)更大。

維尚新零售綜合體項(xiàng)目基坑北側(cè)開(kāi)挖深度約16.5 m，粉砂層厚度9.5～13.6 m，砂層厚，淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土夾層2.6～5.4 m，軟土層厚，場(chǎng)地基巖在水平及垂直方向上巖性變化較大，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖等，風(fēng)化程度不均勻，樁基持力層的均勻性較差，地下水豐富且?guī)в谐袎盒浴榱蓑?yàn)證五軸水泥土攪拌樁“二噴二攪”施工工藝效果，在維尚新零售綜合體項(xiàng)目基坑北側(cè)進(jìn)行試樁，采用長(zhǎng)26 m的φ850 mm五軸水泥土攪拌樁作為測(cè)試樁，水灰比為1，注漿壓力為2.0 MPa，鉆機(jī)下沉速度和提升速度為0.8 m/min。設(shè)9處試樁點(diǎn)，樁編號(hào)分別為B1～B9，其中，B1～B3采用“一噴二攪”施工工藝，B4～B6采用“二噴二攪”施工工藝，B7～B9采用“二噴三攪”施工工藝。

通過(guò)對(duì)測(cè)試樁進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、取漿法和發(fā)射波法等試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果表明：

1）采用“一噴二攪”施工工藝的樁體的完整性較差，樁長(zhǎng)有不足的情況，均勻性最差。

2）采用“二噴二攪”施工工藝的樁體完整性和均勻性較好，樁長(zhǎng)偏差符合規(guī)范要求。

3）采用“二噴三攪”施工工藝的樁體完整性較好，均勻性一般，個(gè)別樁身位置有小缺陷，樁長(zhǎng)偏差符合規(guī)范要求，耗時(shí)最長(zhǎng)。

傳統(tǒng)的二軸和三軸水泥土攪拌樁施工多采用“攪拌下沉→噴漿攪拌提升→停復(fù)攪拌下沉→再噴漿攪拌復(fù)升”的“一噴二攪”或“二噴三攪”施工工藝，不適合富水深厚砂層施工。而且“一噴二攪”施工工藝噴漿量偏少，無(wú)法保證止水帷幕施工質(zhì)量；“二噴三攪”施工工藝雖然能保證噴漿量，但增加了一次鉆進(jìn)和提鉆工作流程，效率降低，工期延長(zhǎng)。

五軸水泥土攪拌樁采用“二噴二攪”施工工藝，在首次鉆進(jìn)的時(shí)候就開(kāi)始噴漿攪拌，與周邊土體形成軟塑狀結(jié)構(gòu)，既能保證噴漿量又能作為護(hù)壁，抵抗土體的側(cè)向壓力，防止坍孔埋鉆事故的發(fā)生，較“二噴三攪”工藝減少一次鉆進(jìn)和提鉆流程，有效提高了施工效率，節(jié)省工期。

4.4 五軸水泥土攪拌樁穿越富水深厚砂層入巖施工控制研究與應(yīng)用

風(fēng)化巖面高低起伏容易造成止水樁部分嵌巖，部分在砂土層造成地下承壓水從樁底繞流風(fēng)險(xiǎn)、砂層直接過(guò)渡到強(qiáng)風(fēng)化巖層造成地下承壓水從短軸樁底繞流風(fēng)險(xiǎn)、強(qiáng)風(fēng)化巖面位于基坑底以上而造成止水樁底位于基坑底以上所帶來(lái)的開(kāi)挖后滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。

五軸水泥土攪拌樁機(jī)（以DKZ850-5型多軸鉆孔機(jī)為例）主要特點(diǎn)：主機(jī)動(dòng)力達(dá)到220 kN（2×110 kN），鉆桿平均扭矩35 kN·m，電機(jī)鉆桿有5根，較常規(guī)三軸機(jī)械理論效率提高100%，掘進(jìn)能力大大提高，六角接頭加長(zhǎng)，增加接觸面，改進(jìn)熱處理工藝，使用壽命提高，鉆頭改為二級(jí)三擋，使之具有更快的鉆進(jìn)速度和良好的攪拌效果。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)測(cè)，五軸水泥土攪拌樁機(jī)可穿透標(biāo)貫擊數(shù)60擊的強(qiáng)風(fēng)化巖，相對(duì)于三軸攪拌樁機(jī)只能穿透35擊的巖層，提高了對(duì)地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性，并且五軸水泥土攪拌樁機(jī)可入強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖至少5 m。但通常情況下，作為止水帷幕施工，入巖深度不宜過(guò)深，否則會(huì)有以下幾方面的危害產(chǎn)生：

1）底部壓力較大，水泥漿無(wú)法滲入，且底部無(wú)法成樁，最終引發(fā)樁長(zhǎng)不足的現(xiàn)象。

2）底部土體或風(fēng)化巖相對(duì)較硬，帶漿下鉆難度較大，無(wú)法將土體和巖石拌碎，一般會(huì)造成糊鉆的現(xiàn)象發(fā)生，土體和鉆頭構(gòu)成圓柱體形狀，導(dǎo)致樁內(nèi)土體受到擠壓，出現(xiàn)掉樁頭或樁內(nèi)水泥漿外溢等問(wèn)題。

3）水泥土攪拌樁施工多為下鉆噴漿，若向較深的持力層內(nèi)進(jìn)入，為了避免下鉆堵管現(xiàn)象發(fā)生，只能一直噴漿。然而，由于底部下鉆速度特別慢，引發(fā)底部水泥漿用量相對(duì)較多，從而使水泥漿順著鉆桿向地面外溢出，進(jìn)一步縮短了樁體的整體施工時(shí)間。

因此在穿越富水深厚砂層進(jìn)入巖層時(shí)，一般達(dá)到基坑底部不少于2 m即可，鉆頭到底后攪拌噴漿1～2 min，間歇后提鉆，停止鉆頭鉆動(dòng)，保持噴漿1～2 min，確保樁底有足夠水泥漿量即可。止水樁不宜入巖過(guò)深。

4.5 富水深厚砂層五軸水泥土攪拌樁支護(hù)施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

富水深厚砂層的側(cè)向土壓力比較大，五軸水泥土攪拌樁施工將5根連續(xù)樁貫通變成一段小連續(xù)墻，作為良好的止水帷幕，為了提高止水帷幕抵抗側(cè)向土壓力的能力，避免止水帷幕因側(cè)向土壓力擠壓導(dǎo)致樁身開(kāi)裂，地下水從樁身裂隙中滲流。

在深層水泥土攪拌樁施工完12 h內(nèi)，向樁內(nèi)插入鋼管，可有效提高止水帷幕的側(cè)向抗壓能力，如圖3所示。將止水樁兼作擋土樁（墻），主體結(jié)構(gòu)完成后還可將工字鋼拔出回收，可節(jié)省擋土樁造價(jià)和工期。

圖3 五軸水泥土攪拌樁內(nèi)插鋼管與不插鋼管對(duì)比分析

5 開(kāi)挖后五軸水泥土攪拌樁的驗(yàn)證

水泥土攪拌樁鉆芯法試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告表明：樁體總數(shù)量1 144根，檢測(cè)樁體12根，水泥土芯樣試件抗壓代表值均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.5 MPa，芯樣連續(xù)，完整性好，膠結(jié)較好，施工記錄樁長(zhǎng)和抽芯檢測(cè)的實(shí)際樁長(zhǎng)相符。基坑開(kāi)挖后進(jìn)行檢查，水泥土攪拌樁止水帷幕垂直度滿足要求。基坑變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，樁頂測(cè)斜最大值為12.68 mm（報(bào)警值為24.00 mm），墻頂位移最大值為6.70 mm（報(bào)警值為20.00 mm），沉降最大值為4.30 mm（報(bào)警值為20.00 mm），基坑支護(hù)實(shí)際變形值均小于設(shè)定的報(bào)警值，基坑施工始終處于安全、可控狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

富水深厚砂層五軸水泥土攪拌樁支護(hù)施工技術(shù)，采用“二噴二攪”施工工藝，可穿透深厚粉砂層，形成止水帷幕，有效防止地下承壓水因砂層直接過(guò)渡到強(qiáng)風(fēng)化巖層而造成的短軸樁底繞流。設(shè)備可入強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖至少5 m，可確保止水樁入強(qiáng)風(fēng)化巖1 m且入基坑底以下2 m，防止因強(qiáng)風(fēng)化巖面高低起伏導(dǎo)致止水樁部分嵌巖部分在砂土層造成地下承壓水從樁底繞流風(fēng)險(xiǎn)。

將5根連續(xù)樁貫通變成一小段連續(xù)墻，可配長(zhǎng)方體鋼筋籠，也可每隔一個(gè)孔配以圓柱體鋼筋籠，還可每個(gè)孔配以工字鋼，可將止水樁兼作擋土樁（墻），拓寬了深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方案，可節(jié)省擋土樁部分造價(jià)和工期。

隨著地下工程的迅速發(fā)展，五軸水泥土攪拌樁在復(fù)雜條件下的深基坑支護(hù)施工中的應(yīng)用必定會(huì)更加受青睞，且本技術(shù)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有巨大的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)深基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展有較大促進(jìn)作用。