超深雙軸攪拌法在海相沉積軟黏土地層中的應用

張培印，王 維，程長宏

（中國水電基礎局有限公司，天津 301700）

0 引 言

隨著近年來沿海工程大力發展，建設在海相淤泥質軟土地基上的建筑愈來愈多[1-3]。海相淤泥質軟土具有很高的含水率和孔隙比，壓縮性大并且強度極低，是一種典型的軟土地基[4]，地鐵工程中常見深層攪拌抽條加固、裙邊加固及格柵加固，在盾構隧道端頭井以抽條加固見多；端頭井前端始發段多以啞鈴型垂直于隧道線路布置加固區域；但沿盾構區間超深、滿堂塊狀加固工程在國內外還十分鮮見[5]，尤其是濱海深厚軟土區域的超深攪拌工藝適用性有待驗證。

本文結合新加坡地鐵T302地基處理項目，在傳統的施工機械基礎上提高動力頭輸出功率、改進鉆桿接頭處理工藝及加固鉆桿桿體，解決超深連續灌漿問題，施工中采用接長鉆桿的方法實現深層攪拌。針對海相沉積軟黏土的工程特性，提出超深大直徑雙軸攪拌施工工法與兩階段灌漿；涉及了施工設備改裝、鉆桿加固、接長鉆桿施工等方面內容，為水泥攪拌法處理海相深厚軟黏土地層的施工與設計提供了很有意義的參考。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

新加坡地鐵湯申-東海岸線T302標段包含一個車站兩個盾構區間，車站為地下二層結構，圍護結構為地下連續墻，采用明挖順做法施工；1號隧道區間長度1 122.1 m，2號隧道區間長度1 850 m，采用盾構法施工。平面布置詳見圖1所示。

圖1 T302 設備房及隧道分區Fig.1 Facility building and tunnel interval in project T302

1.2 地質情況

據詳勘階段地質報告，車站段場地地層條件為典型的新加坡濱海沉積與河口沖積交替地層，地層分布情況自上而下依次為：

0～9.0 m：人工回填土；

9.0～15.0 m：河口沖積粉質砂土；

15.0～22.0 m：黏質粉土；

22.0～32.0 m：海相沉積黏土；

32.0～50.0 m：OA（D）老黏性土；

50.0～185.0 m：OA（C）老黏性土。

設計要求深攪成樁后強度指標為：無側限抗壓強度1 600 kPa，不排水抗剪強度800 kPa，彈性模量280 MPa，設計樁徑1.5 m，深度52 m。

2 超深攪拌工藝原理

2.1 工藝原理

在原攪拌樁機36 m桅桿基礎上，裝配大功率動力頭后最多可配備28 m鉆桿，在加強桿身與接頭強度前提下，先攪拌26 m深（可稱為一期桿），在動力頭下2 m處拆開鉆桿連接銷，重新給樁機接上24 m長鉆桿（可稱為二期桿），連接一期桿后繼續向下攪拌成樁。成樁后，先灌漿二期桿長度范圍，再灌漿一期桿長度范圍。超深大直徑攪拌樁施工工藝流程見圖2。

圖2 超深大直徑攪拌樁施工流程圖Fig.2 Construction flow chart of ultra deep and large diameter mixing pile

超深攪拌樁施工主要分成三部分：其一桿身及接頭加固；其二“接長鉆桿”完成深層成樁；其三分階段灌漿。

2.2 桿身及接頭加固

隨攪拌深度的增大，鉆桿桿身及接頭所受拉力及扭矩也逐步增大，原鉆桿及接頭橫截面尺寸見圖3，原桿身及原接頭參數見表1。

表1 原桿身及原接頭參數Table 1 Original design parameters of rod and joint

圖3 桿身橫截面和接頭橫截面圖Fig.3 Cross section of shaft and joint

為有效加大桿身及接頭連接強度，延長使用周期，在桿身外沿圓周均勻對稱焊接6根14 mm直徑的圓鋼，在接頭外部采用15 mm厚鋼板焊接加固，加固后的尺寸見圖 4，加強后桿身及接頭參數見表2。

表2 加強后桿身及接頭參數Table 2 Parameters of rod and joint after strengthen

圖4 桿身橫截面和接頭橫截面圖Fig.4 Shaft cross section and joint cross section drawing

桿身截面面積增大5%，接頭截面積增大63%，桿身截面慣性矩增大 93%，接頭慣性矩增大87%。

桿身外圓鋼在提升鉆桿過程中還可有效減小與土體的接觸面積，降低桿身側摩阻力。

2.3 “接長鉆桿”實現超深成樁

這里以地面至地面下50 m為灌漿帶進行成孔分析：

（a）樁位放樣→（b）在工作孔（A孔位）一旁的B孔位處順時針鉆進至24 m深（形成24 m長的二期桿）→（c）打開鉆桿接頭，然后移動機器至A孔位，檢查、調整鉆機水平→（d）再接長26 m長鉆桿及鉆頭（形成26 m長的一期桿）→（e）順時針下鉆一期桿→（f）拆除一期桿，移動機器至B處，連接并拔出二期桿→（g）機器復位至A處，連接已下鉆的一期桿→（h）繼續順時針下鉆至50 m深→（i）打開高壓注漿泵，逆時針提鉆的同時噴水泥漿至?26 m處→（j）順時針重復攪拌下鉆并噴水泥漿至設計深度50 m→（k）關閉高壓注漿泵，逆時針提鉆至?25.5 m處（超提50 cm）打開接頭→（l）移動機器至B孔位處下鉆二期桿，并拆除二期桿→（m）機器復位至 A處并連接一期桿，噴漿下鉆50 cm復噴保證成樁連續性→（n）逆時針噴漿提至地面高程→（o）順時針重復噴漿下鉆至?26 m處→（p）關閉高壓注漿泵并逆時針提鉆至地表，成樁結束，施工下一根樁。具體施工過程還可見圖5。

圖5 深攪樁接長鉆桿圖（前視）Fig.5 Extension of drill rod for deep mixing pile

2.4 分階段灌漿

水泥漿混合軟黏土攪拌后開始硬化的時間一般認為在2～3 h，以50 m深樁為例，自開始灌漿至完成攪拌，其時間往往在3 h以上。采用兩階段灌漿，每階段時間均控制在1.5 h以內，它把灌漿帶分為上下兩部分，單獨噴漿攪拌，兩次“倒V”灌漿示意圖見圖6。

圖6 深攪樁兩階段灌漿圖Fig.6 Two-stage grouting diagram of deep mixing pile

3 質量控制

（1）嚴格檢查桿身及接頭磨損情況，尤其是一期桿與二期桿之間的接頭，保證鉆桿鉆進速度不大于0.6 m/min。

（2）第一階段灌漿完成，在k步使鉆頭向上超提50 cm，第二階段灌漿時再涵蓋該50 cm范圍；即便拆除接頭耗時過長，也不影響第一階段灌漿形成的水泥土硬化效果。

（3）第一階段灌漿范圍必須是二期桿長度（?50～?26 m），接著是一期桿長度范圍（?26～0 m）灌漿，且灌漿要連續進行，確保在2 h內完成各階段灌漿。

（4）第一階段灌漿完畢后，沖洗鉆桿后再拆除二期桿，確保二期桿內無殘余水泥漿。

（5）制漿站故障導致的漏灌段，要及時攪拌補漿。

4 社會經濟效益、推廣應用前景

相對于傳統攪拌樁施工，配合大功率動力頭，采用“接長鉆桿”、加固桿身及接頭強度，可大大提高成樁效率，單位平面面積單樁的置換率得到大幅度提高，以新加坡地鐵T302項目為例：

雙軸搭接300 mm不變情況下，雙軸成樁截面面積對比見圖7。

圖7 各種直徑雙軸攪拌樁截面積Fig.7 Cross-sectional area of biaxial mixing pile with various diameter

可見，1.5 m直徑雙軸截面積比1.2 m的增大1.6倍，比1.0 m直徑的增大2.3倍，相同平面處理面積下，采用1.5 m直徑樁可大大提高施工速度，成樁深度也達到了52 m。

5 結 論

本文通過新加坡地鐵 T302項目地基處理工程的過程實施，確定了“四攪兩噴”工藝在軟黏土層中的適用性；在已有的機械設備基礎上改進換裝動力頭，攪拌成樁直徑增大到1.5 m，大大提高了單機單樁處理方量，減少了施工成本的投入；接長鉆桿工藝，結合兩階段灌漿，可確保超深攪拌處理深厚軟黏土層；由此可見超深大直徑雙軸深攪施工在技術上是有效可行的，在濱海軟黏土地基處理中可以推廣，尤其是在大直徑超深地基處理領域應用前景廣闊。