改造長螺旋鉆機施工高壓旋噴樁的設計與應用

甘斌強 牛 怡

廣西建工集團基礎建設有限公司 廣西 南寧 530201

傳統高壓旋噴攪拌樁施工常出現固結體強度不均勻等質量問題，地基土加固的效果會受影響。經一系列的研究，對長螺旋鉆機鉆桿葉片、出漿孔以及驅動電機數量進行改造。使用改造后的設備施工高壓旋噴攪拌樁，可使水泥漿和土體攪拌均勻、深度混合，明顯改善了高壓旋噴樁的成樁質量。實現了研制一款成樁質量好、應用范圍廣、經濟高效的新型高壓旋噴攪拌樁成樁設備的目的。

1 工程概況

大都·金沙灣三期項目工程占地面積約58 411.14 m2，現地面標高為11.00～13.00 m，基坑開挖深度為2.30～6.20 m（1層）、6.70～9.60 m（2層）。本項目所在區域主要揭露的土層有雜填土、含黏性土粉砂、粗礫砂、黏土、粗礫砂。工程止水帷幕選用高壓旋噴攪拌樁，直徑為800 mm，樁長12～17 m。高壓旋噴攪拌樁是利用機械強制拌和水泥漿與土體后形成的，其優點是整體強度好、水穩定好。但是目前的施工工藝無法達到完全的攪拌均勻及強度基本一致的要求，一般情況是，強度較大的地方水泥偏多，強度較小的地方水泥偏少。

我們給出3種系數對高壓旋噴攪拌樁的質量進行評估，分別為質量系數A1、強度系數A2、樁身均勻性系數B[1]。

1.1 質量系數A1

截取1節混凝土芯樣，高徑比為1∶（1.0～1.5），檢測其對應的無側限抗壓強度。然后將其切塊，要求直徑在15～25 mm之間，然后過孔徑5 mm的篩。在110 ℃左右的溫度下烘干上面直徑較大的樣品至恒重，取出樣品冷卻到室溫，稱取其質量G1。然后把樣品放置在水中浸泡1 d，篩掉直徑小于1 mm的樣品，在110℃左右的溫度下烘干上面較大的樣品至恒重，取出樣品冷卻到室溫，稱取其質量G2。

質量系數A1按式（1）計算。

質量系數A1表示水泥和土體拌和的均勻性。將A1值劃分成4個區間范圍：A1∈[0,0.60]，不均勻；A1∈[0.61,0.80]，大致均勻；A1∈[0.81,0.90]，均勻；A1∈[0.91,1.00]，非常均勻。

1.2 強度系數A2

1.3 樁身均勻性系數B

樁身均勻性系數B按式（3）計算。

故B的取值范圍為：0＜B≤1。

同樣也將B值劃分成4個區間范圍：B∈[0,0.30]，不均勻；B∈[0.31,0.60]，大致均勻；B∈[0.61,0.80]，均勻；B∈[0.81,1.00]，非常均勻。

根據大都·金沙灣項目三期基坑支護工程實際情況，對其已施工完成的10根樁取芯實測樁體芯樣均勻性情況。并畫出了該項目抽樣調查的實測樁體芯樣均勻性判定的3種系數A1、A2、B的折線圖，如圖1所示。

圖1 項目抽樣調查實測樁體芯樣質量系數、強度系數、均勻性系數示意

從圖1中我們可以看出，強度系數A2穩定在0.81～1.00范圍內，說明泵送水泥漿流量基本是均勻連續的，樁身均勻性系數B值偏低是由于受質量系數A1值偏低的影響，也就是說水泥漿與土體拌和不均勻是影響固結體強度不均勻的主要原因。因此，我們需要研制一款高壓旋噴攪拌樁成樁設備，使水泥漿與土體進行深度混合、均勻攪拌，以滿足改善攪拌樁成樁質量的要求。

2 設計條件

通過查閱學習和借鑒相關文獻，我們決定對現有長螺旋鉆機設備進行改造，用以施工高壓旋噴攪拌樁，一方面借鑒雙向葉片攪拌原理對現有設備的鉆桿進行改造[2]，另一方面增加噴漿口的數量對現有設備的鉆頭處進行改造[3]。除此之外，還可借鑒2個驅動電機的原理對原本攪拌機動力不足的問題進行改善[4]。

3 創新設計方案

3.1 設計原理

新型高壓旋噴攪拌樁成樁設備通過改造長螺旋鉆機實現，主要是將原來的長螺旋鉆機的螺旋葉片改造成連續固定間距的十字交叉高強度錳鋼葉片。保留了長螺旋鉆桿內的進漿管孔和進氣管孔，出漿口的數量由原來的2個增加到4個，便于多方向、多路徑噴漿，驅動電機從原來的1個增加到2個，保證了攪拌機的動力充足。可以在鉆桿下沉、提升過程中，不間斷地對土體和水泥漿進行混合均勻攪拌。

3.2 設計圖及相關參數

通過對長螺旋鉆機改造方案的進一步探討分析，我們制定了相應的改造設計參數，即單節鉆桿長度6 000 mm、高強度錳鋼葉片豎向間距700 mm、單個葉片長度400 mm、單個葉片寬度150 mm、單個葉片厚度20 mm、鉆頭長度1 000 mm、出漿口數量4個、驅動電機數量2個，同時給出了長螺旋鉆機的鉆桿、攪拌葉片、出漿口、鉆頭的設計改造圖，如圖2所示。

圖2 含鉆頭錳鋼葉片鉆桿和鉆頭示意

4 設計改造方案實施

本設計方案實施的優點是技術可行，難度較小，費用投入較低，預期效果好，環境影響小。本設備可在鉆桿下沉和提升過程中，連續不間斷地對土體和水泥漿進行深度混合、均勻攪拌，實現“兩攪一噴”，提高攪拌效率。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程

場地平整→測量定位→長螺旋鉆桿改造→鉆機就位→射水試驗→泥漿制備→噴漿攪拌下沉→停漿攪拌提升→清洗→移機

5.2 操作要點

5.2.1 施工準備

施工現場必須先做好平整場地的工作，務必檢查清楚地下管線的具體位置，保證供水供電，規劃好機械施工路線及材料運輸通道，同時做好截排水措施。

5.2.2 測量定位

按設計圖紙測量放線，控制樁位的誤差在允許值內，做好樁位標記及日常復測工作，保證樁機能夠準確就位。

5.2.3 鉆機就位

首先要對鉆機設備進行安裝調試，對各零部件的規格和性能進行檢查，并且把輸漿管連接好。將鉆機設備移動到對應的樁位處，并進行全方位校準。鉆桿軸線與鉆孔中心垂直對準，方可開始鉆進，注意將樁位偏差和垂直度偏差控制在允許值范圍內。

5.2.4 射水試驗

調整好攪拌機位置后，開始鉆進前先進行射水試驗，采用0.5 MPa的壓力值，目的是查驗噴漿口出漿是否暢通、壓力是否正常。

5.2.5 泥漿制備

1）現場依據設計的配合比制拌水泥漿，要求不發生離析現象，均勻且有很好的流動性，方便泵送和噴攪。

2）選用P.C42.5水泥，水灰比應控制在1∶（1.2～1.5）范圍內。

3）灰漿的攪拌，應在攪拌桶中先加水，后加水泥，開啟攪拌直至噴漿前。制拌好的水泥漿放置時間不得超過2 h。

4）制拌的漿液要采用1.0 mm孔徑的濾網過濾3次才能投入使用，避免顆粒進入漿泵。

5.2.6 噴漿攪拌下沉

1）配合高壓注漿泵和空壓機，采用“兩攪一噴”施工，該方法鉆孔、噴漿、攪拌工序同時進行。

2）檢查高壓旋噴機和其他相關設備正常運行后，啟動鉆機，一邊旋轉切割土體一邊下沉鉆桿。當鉆頭到達地表下20 cm處開始泵送水泥漿液和輸送高壓氣體，向土體中噴射灰漿，噴漿壓力28.0～34.0 MPa。利用數層十字交叉高強度錳鋼葉片切割攪拌土體，邊攪拌邊下沉鉆桿，鉆桿下沉速度60～80 cm/min。鉆頭到達樁底設計深度后，樁端就地持續噴漿攪拌35 s后再提鉆。

3）正常的工作電流應不大于額定值，接近設計深度時，應注意觀察電流表的變化，若電流值達到70 A，可認為進入相對的硬質地層。

5.2.7 停漿攪拌提升

送漿泵停止送漿，十字交叉高強度錳鋼葉片向上提升切割攪拌土體，向上提鉆的速度控制在90 cm/min以內，直至樁頂設計標高以上50 cm處，填寫相應的施工記錄，完成單樁施工。

5.2.8 清洗

噴射施工完成后，清洗機具設備中殘留的剩余灰漿，防止送漿通道被堵塞。

5.2.9 移機

鉆機移動到新的樁位上，重復以上施工步驟，施工下根水泥攪拌樁。

6 效果檢查

利用改造后的長螺旋鉆機施工高壓旋噴攪拌樁以后，我們又隨機抽取本項目10根高壓旋噴樁進行了樁身芯樣均勻性檢查。根據檢查結果，畫出了3種系數A1、A2、B的折線圖，如圖3所示。

圖3 設備改造后抽樣調查實測樁體芯樣質量系數、強度系數、均勻性系數示意

從圖3中我們可以看出，設備改造后施工的高壓旋噴攪拌樁，質量系數A1和強度系數A2基本都穩定在0.80左右，說明采用改造后的設備均勻地拌和了水泥和土，灰漿的泵送流量也呈現出均勻連續的狀態。樁身均勻性系數B值均大于0.61，由于0.61＜B＜0.80（均勻），說明所有抽查的樁身芯樣檢查結果都均勻，實現了深度混合、均勻攪拌。

7 結語

對長螺旋鉆機進行改造加工，形成了新型高壓旋噴攪拌樁成樁設備。相比較傳統的高壓旋噴樁施工設備，新型設備具有攪拌均勻、施工效率高、對樁周土體的擾動小、改裝常規設備便于推廣、節省水泥用量、工程成本低等優點。采用新型設備施工是一種經濟高效，高質量且綠色環保的軟土地基處理方法。