攪拌樁固壁技術(shù)在淤泥質(zhì)地層地下連續(xù)墻施工中的應(yīng)用

劉國山 朱連臣 汪正斌 劉雷 吳振宇 張學(xué)義

（中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，山東青島 266000）

我國地鐵建設(shè)快速發(fā)展，在地鐵修建的過程中遇到各種復(fù)雜地層。在沿海灘涂區(qū)采用明挖法修建地鐵車站時(shí)，由于淤泥質(zhì)地層的存在，地下連續(xù)墻成槽困難，易造成縮頸及塌孔。單純的泥漿固壁不能滿足地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的要求，設(shè)計(jì)上提出用水泥攪拌樁加固地下連續(xù)墻槽壁的方法保證地下連續(xù)墻順利成槽［1-3］。

地下連續(xù)墻的槽壁穩(wěn)定性分析一般采用極限平衡方法。極限平衡方法所假定的滑動(dòng)體有三棱柱形（楔形）、半圓柱形、斜截半圓柱形、拋物線形等［4］。文獻(xiàn)［5-6］總結(jié)了槽壁失穩(wěn)機(jī)制，用極限平衡方法建立槽壁滑動(dòng)體的三棱柱模型，給出在水泥攪拌樁加固作用下槽壁失穩(wěn)的安全系數(shù)計(jì)算公式，但是并沒有深入研究淤泥質(zhì)地層水泥攪拌樁的施工參數(shù)。文獻(xiàn)［7-8］運(yùn)用朗肯土壓力模型建立滑動(dòng)體破壞模型，推導(dǎo)了在泥漿固壁條件下泥漿重度的計(jì)算公式，但是并沒有對水泥攪拌樁加固條件下的泥漿重度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文依托深圳國際會(huì)展中心配套市政項(xiàng)目會(huì)議中心站工程，采用現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，確定在淤泥質(zhì)地層水泥攪拌樁固壁條件下水泥攪拌樁水灰比、水泥摻量等施工參數(shù)，推導(dǎo)最小泥漿重度的計(jì)算公式，總結(jié)淤泥質(zhì)地層中固壁泥漿系統(tǒng)施工工藝。

1 工程概況

根據(jù)地勘報(bào)告，會(huì)議中心站所在區(qū)域的土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1 土層厚度

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

該地域?yàn)榈谒南邓缮涌紫端突鶐r裂隙水兩種類型。孔隙水主要賦存在人工地層中，該地層透水性差。基巖裂隙水基巖孔隙不發(fā)育，裂隙僅少量發(fā)育，且裂隙連通性和透水性較差。地下水位埋深為0.4～2.1 m，基巖裂隙水穩(wěn)定水位埋深為19.0～20.0 m。

會(huì)議中心站總建筑面積為23 738.8 m2，車站長438.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7 m，站臺(tái)寬11.0 m，埋深約16.5 m，頂板覆土厚約3.0 m。車站為地下兩層雙跨島式結(jié)構(gòu)，主體基坑采用明挖順作法施工，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻。

2 水泥攪拌樁參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 攪拌樁設(shè)計(jì)方案

地下連續(xù)墻槽壁加固采用兩側(cè)各2 排φ500@500（縱向）×400（橫向）單軸攪拌樁咬合加固。加固方案平面大樣如圖1所示。

圖1 攪拌樁槽壁加固平面大樣（單位：mm）

2.2 水泥攪拌樁參數(shù)確定

根據(jù)淤泥質(zhì)地層水泥攪拌樁固壁設(shè)計(jì)方案，須進(jìn)行現(xiàn)場試樁試驗(yàn)，確定所用水泥品牌、水灰比、水泥摻量、鉆進(jìn)速度、提升速度、噴漿壓力、噴攪次數(shù)等施工參數(shù)。

2.2.1 水灰比

分別采用水灰比0.55 和0.70 配制水泥漿液進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)采用水灰比為0.70的水泥漿液時(shí)注漿泵連續(xù)出漿，未出現(xiàn)管道、鉆桿堵塞的情況，能保證施工連續(xù)性。試樁結(jié)果證明水灰比采用0.70滿足攪拌樁的施工要求和強(qiáng)度要求。

2.2.2 水泥摻量

為探究在不同水泥品牌及不同水泥摻量情況下，水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.6 MPa下的最優(yōu)水泥摻量，通過控制樁徑為0.5 m、水泥攪拌樁水灰比為0.70、下沉和提升速度為0.8～1.0 m/min，做了10 組試驗(yàn)，并且每組用2 根樁分別做兩批試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表3。

每根樁取6 個(gè)樁芯，依次編號(hào)1～6，再用這些樁芯做試驗(yàn)，得到各組水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見圖2。

由圖2 可知，第4，5，9，10 組試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，第1，2，3，6，7，8 組部分試驗(yàn)結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。第5，10 組增加了水泥用量，在能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求下不建議增加水泥摻量。優(yōu)選第4，9 組參數(shù)用于后續(xù)施工，即水泥漿液按照水泥摻量21%、水灰比0.70進(jìn)行配制。

表3 水泥攪拌樁試驗(yàn)方案

圖2 各組試驗(yàn)樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2.3 其他參數(shù)

1）水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

2）噴漿和攪拌速度須嚴(yán)格控制，機(jī)頭提升速度為0.8～1.0 m/min，控制重復(fù)下沉和提升速度，攪拌軸轉(zhuǎn)速60～70 r/min，注漿泵出口壓力應(yīng)保持在0.4～0.6 MPa。

3）當(dāng)水泥漿液到達(dá)出漿口后，應(yīng)噴漿攪拌30 s，在水泥漿與樁端土充分?jǐn)嚢韬笤偬嵘龜嚢桀^。

4）攪拌樁垂直度現(xiàn)場施工時(shí)提高控制要求，按不大于1/100控制。

5）為確保主體結(jié)構(gòu)凈空尺寸，地下連續(xù)墻向基坑外放10 cm，槽壁加固攪拌樁從地下連續(xù)墻中軸線向兩側(cè)各外放10 cm。

2.3 泥漿配備

2.3.1 攪拌樁固壁條件下泥漿重度計(jì)算

針對濱海區(qū)流塑狀淤泥質(zhì)地層中用攪拌樁加固地下連續(xù)墻槽壁的情況，建立槽壁整體穩(wěn)定性極限平衡力學(xué)分析模型，推導(dǎo)在攪拌樁固壁條件下地下連續(xù)墻槽壁整體穩(wěn)定的成槽施工泥漿最小重度計(jì)算公式。

將開挖后的槽段看作一個(gè)長條形的基坑，據(jù)此可根據(jù)基坑開挖后周邊地層的穩(wěn)定性分析該槽段。假定開挖后的土體為單一的均質(zhì)體，建立地下連續(xù)墻槽壁開挖后的整體穩(wěn)定力學(xué)分析模型［9-10］，如圖3 所示。圖中φ為土體的有效內(nèi)摩擦角，θ為滑動(dòng)面OECD與水平面之間的夾角；L為單元槽段長度；B為滑動(dòng)體的寬度 ，B=Hcrcotθ；Hcr為 斜 滑 體 的 深 度［11］，Hcr=Lsinθ/(2 tanφ)；q為地面均布等效荷載；H為滑動(dòng)體深度；Hw為水位線距地面距離。

圖3 槽壁整體穩(wěn)定力學(xué)分析模型

取圖3 所示模型橫截面進(jìn)行受力分析，根據(jù)槽壁實(shí)際受力情況建立分析圖（圖4）。W為滑動(dòng)體自重；Ps為泥漿壓力合力；Pw為地下水壓力合力；Pa為滑動(dòng)體所受到的主動(dòng)土壓力合力；Hs為泥漿液面距地面的距離；T1和N分別為滑動(dòng)體底斜面OECD上受到的切向力和法向力；T2為滑動(dòng)體兩側(cè)豎直面ODAG（ECJF）上土體的黏聚力；Tc為水泥攪拌樁提供的抗剪力的合力。

圖4 槽壁受力分析

考慮地下水的作用，滑動(dòng)體自重W由水位線以上部分和水位線以下部分滑動(dòng)體2部分組成：

式中：γ為水位線以上土的平均重度；γ'為水位線以下土的浮重度；V1為水位線以上部分滑動(dòng)體的體積，V1=BLHw；V2為水位線以下部分滑動(dòng)體的體積，V2=BL(H-Hw-Hcr/2)。

滑動(dòng)體自重W的計(jì)算公式為

槽壁上泥漿壓力與地下水壓力的合力ΔP為

式中：γs為泥漿重度；γw為水的重度。

地面超載Q為

根據(jù)朗肯土壓力理論，考慮地下水（水位以下采用浮重度）得到滑動(dòng)體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)受到土體的水平主動(dòng)土壓力為

式中：Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka= tan2(45°-φ/2)。

滑動(dòng)面受到的切向力T1為

式中：N=(W+Q)cosθ+(ΔP-Pa)sinθ；SOECD為滑動(dòng)面的面積，SOECD=HcrL/sinθ；c為土體的黏聚力。

作用在槽壁側(cè)面上的黏聚力T2為

式中：SODAG和SECJF為滑動(dòng)體豎向側(cè)面ODAG和ECJF的面積，SODAG=SECJF=BH-BHcr/2。

水泥攪拌樁提供的抗剪力Tc為

式中：τc為水泥攪拌樁的抗剪強(qiáng)度；d為水泥攪拌樁的加固寬度；Hc為水泥攪拌樁的長度。

槽壁穩(wěn)定的安全系數(shù)Fs為

式中：Ts為滑動(dòng)體抗滑力，Ts=(ΔP-Pa)cosθ+T1+T2+Tccosθ；Tg為滑動(dòng)體下滑力，Tg=(W+Q)sinθ。

根據(jù)極限平衡理論，在水泥攪拌樁加固條件下保證地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定的最小泥漿重度γs計(jì)算公式為

2.3.2 基于工程項(xiàng)目的泥漿重度計(jì)算

該地鐵車站工程基坑開挖深度H= 15.5 m，單元槽段長度L= 6 m。根據(jù)地勘資料，穩(wěn)定地下水埋深Hw=2 m，地下水的重度γw=9.8 kN/m3，泥漿液面與地面持平，即Hs=0；考慮施工設(shè)備的影響，地面均布等效荷載q= 40 kPa。場地的土層分布及其物理力學(xué)參數(shù)參見表1和表2。水泥攪拌樁的平均長度Hc=16 m，加固寬度d=0.55 m。

為簡化計(jì)算，將上部土層做加權(quán)平均處理。加權(quán)后的土體參數(shù)：重度γm= 18.19 kN/m3，黏聚力cm=10.71kPa，內(nèi)摩擦角φm= 10.1°。假設(shè)滑動(dòng)面與水平面達(dá)到塑性極限破壞時(shí)，其夾角θ= 45°+φm/2 =50.1°。攪拌樁的水泥參量為21%，攪拌樁成樁后單軸抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa，攪拌樁的抗剪強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/3～1/5，取抗剪強(qiáng)度τc= 160 kPa，取安全系數(shù)Fs為1.3～1.5。采用前述推導(dǎo)的基于槽壁整體穩(wěn)定性地下連續(xù)墻成槽施工泥漿參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，代入各參數(shù)計(jì)算，得到在水泥攪拌樁加固地下連續(xù)墻槽壁的情況下，最小泥漿重度γs= 9.67 kN/m3。普通地層無水泥攪拌樁加固條件下的泥漿重度約為11～13 kN/m3，可知在水泥攪拌樁固壁條件下，采用的泥漿重度比一般地質(zhì)條件下的偏小。

2.3.3 泥漿工藝

1）固壁泥漿施工流程及配制

固壁泥漿系統(tǒng)工藝流程如圖5 所示，泥漿現(xiàn)場試驗(yàn)如圖6所示。

圖5 固壁泥漿系統(tǒng)工藝流程

圖6 固壁泥漿現(xiàn)場試驗(yàn)

固壁泥漿配制過程為：先配制增黏劑溶液靜置5 h，按配合比在攪拌筒內(nèi)加水，加膨潤土，攪拌3 min 后再加入增黏溶液；攪拌10 min 再加入分散劑，攪拌均勻后放入儲(chǔ)漿箱內(nèi)，待24 h 后膨潤土顆粒充分水化膨脹，即可泵入循環(huán)池以備使用。固壁泥漿配合比為：膨潤土80 kg，水1 000 kg，分散劑4.8 kg。泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)見表4，施工過程中泥漿性能指標(biāo)見表5。施工過程中采用動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如果不能滿足槽壁土體穩(wěn)定性要求，須對泥漿指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

表4 泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)

表5 施工過程中泥漿性能指標(biāo)

2）泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿循環(huán)采用5臺(tái)3PNL泥漿泵輸送和回收，由泥漿泵和軟管組成泥漿循環(huán)管路。

①在挖槽過程中，泥漿由循環(huán)箱注入開挖槽段，邊開挖邊注入，保持泥漿液面距離導(dǎo)墻面0.2 m 左右，并高于地下水位1.0 m以上。

②清槽過程中，采用泵吸反循環(huán)，泥漿由循環(huán)箱泵入槽內(nèi)，槽內(nèi)泥漿抽到濾砂器，經(jīng)物理處理后返回循環(huán)池。

③混凝土灌注過程中，上部泥漿返回濾砂器，而混凝土頂面以上4.0 m 內(nèi)的泥漿排到廢漿箱，原則上廢棄不用。

泥漿經(jīng)過處理可以重復(fù)使用。一般經(jīng)過振動(dòng)篩將較大的土渣除去，再通過旋流器將泥漿中粉細(xì)砂除去，最后借助沉淀過程進(jìn)一步處理。泥漿制備及其質(zhì)量對施工質(zhì)量、速度及成本均有較大的影響，所以施工中應(yīng)引起足夠的重視。

3 結(jié)語

淤泥質(zhì)地層地下連續(xù)墻成槽不僅要用泥漿固壁，還要用雙層水泥攪拌樁固壁。

建議施工參數(shù)：水泥漿液按照水泥摻量21%、水灰比0.70 進(jìn)行配制；機(jī)頭提升速度為0.8～1.0 m/min，控制重復(fù)下沉和提升速度；攪拌軸轉(zhuǎn)速60～70 r/min；注漿泵出口壓力應(yīng)保持在0.4～0.6 MPa。

基于極限平衡理論，建立槽壁整體穩(wěn)定性力學(xué)分析模型，推導(dǎo)出水泥攪拌樁加固條件下最小泥漿重度計(jì)算公式。計(jì)算結(jié)果表明用水泥攪拌樁加固后槽壁所用的泥漿重度比單純泥漿固壁下的重度小。將所得的結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，在此泥漿重度下能保證地下連續(xù)墻順利成槽。