三轴搅拌桩入岩施工技术

王义军（中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052）

三轴搅拌桩入岩施工技术

王义军
（中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052）

摘要：某地铁深基坑工程，工程主体分布于富水上软下硬的复杂地质条件，设计选用三轴搅拌桩作为止水帷幕并要求三轴搅拌桩进入风化岩层，隔断基坑内外的透水层，搅拌桩如何进入风化岩是一个值得研究的技术难题。通过对三轴搅拌桩的机械选型、设计三轴搅拌桩钻头的结构形式、适用此地质条件下的施工参数等方面进行详细研究，实现三轴搅拌桩止水帷幕在泥质粉砂岩中的成功施工，达到彻底隔断透水层的目的。主要研究结论如下：1）富水上软下硬复杂地质条件下可以选用三轴搅拌桩作为止水帷幕；2）三轴搅拌桩入岩后，在类似地质条件下可选用钻孔桩＋三轴搅拌桩代替地下连续墙作为围护结构体系，以节约投资。

关键词：地铁；深基坑；三轴搅拌桩；设备选型；钻头设计；风化岩层；施工参数

0　引言

三轴搅拌桩施工工艺具有施工速度快、造价低的特点，在国内地下工程的基坑围护结构中应用较为广泛，多应用于软土地层条件的施工［1－2］。目前国内外在富水上软下硬的复合地质条件下，大都采用了地下连续墙的围护体系设计［3］。通过分析对比，地下连续墙的围护体系比钻孔桩＋三轴搅拌桩的围护体系工程造价相对高出很多，对比情况见表1。

由于三轴搅拌桩在软土地层中的加固及相对较浅基坑中的应用工艺成熟，而近年对三轴搅拌桩工艺研究的相关文献相对较少。目前研究方向大都在质量控制、施工参数、复杂周边环境的工艺优化及在有一定强度的地层中单孔引孔后的施工技术等方面，而三轴搅拌桩在有一定强度的富水地质条件下依靠自身设备的机能在深基坑围护结构中应用的相关研究则较少。

本文在《三轴搅拌桩施工及质量控制》［4］、《无锡苏宁广场三轴水泥土搅拌桩施工技术》［5］、《紧邻地铁隧道的三轴搅拌桩施工参数选择与应用》［6］、《三轴搅拌桩在风化岩层地区深基坑施工中的应用》［7］的研究基础上，主要研究在上软（上部为超厚砂层）下硬（有

一定强度的风化岩层，强度约在20 MPa以下）地层中依靠自身设备机能及优化钻头设计等实现搅拌桩入岩施工技术，不需要借助任何引孔机械设备，使三轴搅拌桩在富水上软下硬的复杂地质条件的深基坑围护体系中得以应用，突破三轴搅拌桩机械自身只能在软土地层中施工的局限性，拓宽三轴搅拌桩的适用性。

表1　围护结构形式对比表Table 1 Comparison and contrast among different retaining structures

三轴搅拌桩实现入岩后可以隔断透水地层、封闭基坑，切断外部水源对基坑内的补给，为基坑开挖施工及降水创造了非常好的施工条件，大大降低了基坑施工的安全风险。三轴搅拌桩实现入岩后与钻孔桩形成完整的围护体系可以应用于复杂地质条件下的深基坑施工，与常规设计的地下连续墙、钻孔咬合桩的围护结构相比，节约了大量的投资。

综上所述，对三轴搅拌桩的入岩施工技术、在此复杂地质条件下的适应性参数等研究有着重要的价值和意义。

1　工程水文及地质条件

某地铁工程的深基坑工程，根据地下水含水空间介质和水理、水动力特征及赋存条件，拟建工程场地按地下水类型可分为上层滞水、松散岩类孔隙水和红色碎屑岩类裂隙孔隙水3种类型。场地地层由人工填土、第四系全新统冲积层和第三系新余群基岩组成。按其岩性及其工程特性，自上而下依次划分为①2素填土、②1粉质黏土、②2粉砂、②2－1淤泥质粉质黏土、②4中砂、②5粗砂、②6砾砂及⑤泥质粉砂岩。地层特性及特征见表2，地质剖面图见图1。

表2　地层特性及特征表Table 2 Features and characteristics of different strata

基坑上部处在富水砂层中，下部为具有一定强度的泥质粉砂岩，其围护结构设计要求三轴搅拌桩要进入泥质粉砂岩层，完全隔断上部渗透性很强的砂层，从而确保基坑开挖过程中的施工安全。

本文重点对三轴搅拌桩的入岩技术进行研究，实现三轴搅拌桩在风化岩层中的施工，将内外联通的水系隔断，仅实行基坑内降水即可实现预期的目标。本工程通过专家论证和各种检测、试验及分析，采取一系列的措施解决了三轴搅拌桩入岩的问题。

2　施工技术

2.1机械选型

结合现场的实际情况及地质条件综合对比分析，共计进场2台三轴搅拌桩机，一台钻机选用国产钻机PAS－120VAR，另一台钻机选用日本进口的DH－608型三轴搅拌桩机。2种设备施工参数统计对比见表3。

2台设备在同时钻进前，根据地质勘查报告选用

同一个地质勘查孔处的相同地质条件，钻进过程中分别记录了在砂层及岩层中的钻进速度、水泥掺量、水灰比、设备分别进入不同地质条件时的机况及动力情况等。经过对比分析国产设备由于动力头功率相对偏低，在进入强风化岩层后就已无法掘进，且对比钻进速度及水泥掺量等情况，均比进口设备性能差。综合对比分析，选定采用可实现钻进岩层的日本进口DH－608型三轴搅拌桩机。

图1　地质纵剖面图Fig.1 Geological profile

表3　2种设备施工参数统计对比表Table 3 Working parameters of two types of machines

2.2钻头改进及增加措施

本工程地质条件较为复杂，超厚砂层，且搅拌桩需要插入中风化泥质粉砂岩层20～50 cm，以达到彻底隔断透水层的目的。通过设备比选，虽然选用了性能更优的DH－608型桩机，但在中风化泥质粉砂岩中依然无法实现掘进，根据现场的实际情况及专题方案讨论，需要采取其他措施。

在钻进成孔时，根据现场试桩统计，在砂层中钻进速度约为0.6 m／min，强风化泥质粉砂岩层的钻进速度约为0.025 m／min，中风化泥质粉砂岩层几乎难以钻进，提升速度为1.5 m／min，其中在钻进至强风化泥质粉砂岩层时（大约19.3 m），钻机钻杆已调至最大扭矩。遇强风化泥质粉砂岩层受阻力较大，有时会发生卡住钻头，中间气压管堵塞，钻机电流瞬间增大的情况，超出了变压器的额定电流的设置参数，发生过跳闸断电的情况。

通过对现场的观察及数据统计，三轴搅拌桩机入中风化泥质粉砂岩层基本无法钻进。为了改善钻头在泥质粉砂岩层的钻进效果，通过专家分析论证与不断试验，比较经济可行的方案是对三轴搅拌桩机的钻头形式进行改进，将原来叶片咬合式的钻头设计成螺旋式的锯齿钻头，配置3套钻头，并在钻头侧翼加焊合金钢。更换钻头后提高了在强风化泥质粉砂岩层的钻进速度，在中风化泥质粉砂岩实现了一定的进尺。钻头前后形式对比情况见图2和图3。

图2中包括钻杆，至少3个等长的斜臂均匀分布围绕并垂直固定在钻杆上，每个斜臂至少固定3个镶嵌合金刀片的刀架，均匀分布的斜臂形成伞骨状倒锥体，锥体顶部设有镶嵌合金刀片的定心刀架。

2.3钻进工艺

主体基坑的围护结构采用850＠600三轴搅拌桩止水帷幕［8］。三轴搅拌桩试桩分别采用跳打（套打1根搅拌桩）和顺序连接2种连接方式施工，根据取芯进行效果对比，分析墙体的连续性和接头的施工质量，从而达到止水的效果。施工工艺见图4和图5。

根据开挖后2种连接方式的实际效果，总体对比采用跳打方式连接的止水性和连接性相对较好。

图2　三轴钻头改进设计图Fig.2 Optimized design of triaxial bit

图3　三轴钻头改进前后对比Fig.3 Triaxial bit before and after optimization

图4　三轴搅拌桩跳打施工工艺图Fig.4 Alternative installation of threeaxis mixing piles

图5　三轴搅拌桩顺序施工工艺图Fig.5 Installation sequence of threeaxis mixing piles

2.4施工技术及参数

采用更改后的钻头进行钻进施工时，根据取出的芯段（见图6）可以观察到，在进入强、中风化泥质粉砂岩层时不能完全将泥质粉砂岩石破碎（经过分析主要原因是钻头相互之间不形成咬合，钻头重心向下，不能一次性或短时间内完全搅碎泥岩），所以在钻机进入泥质粉砂岩层后要不断上下重复搅拌，将碎块充分磨碎，使夹裹的泥块与水泥浆液充分溶合，从而解决此问题。

图6　取芯芯样图Fig.6 Picture of cores

钻头改进后，对具有不同地质情况的搅拌桩（W－223、W－184）及1幅套打桩（W－202）进行了试验与分析。图7和图8分别为W－223号搅拌桩钻进曲线图和提升曲线图，该根桩的水泥用量为16 000 kg，平均水泥掺量为29%，水灰质量比为1.5∶1，砂层钻进速度为0.483 m／min（用时40 min，钻进19.3 m），强风化钻进速度为0.041 4 m／min（用时29 min，钻进

1.2 m）。改进钻头后搅拌桩在岩层中提升速度为1.7 m／min，总的成桩时间为81 min。

图7　W－223号搅拌桩钻进曲线图Fig.7 Curve of drilling depth：W223 mixing pile

图8　W－223号搅拌桩提升曲线图Fig.8 Curves of hoisting height：W223 mixing pile

图9和图10分别为W－184号搅拌桩钻进曲线图和提升曲线图。在该桩的施工过程中水泥用量为15 200 kg，平均水泥掺量为27.5%，水灰质量比为1.5∶1。由图9可知，砂层钻进速度为0.625 m／min（用时32 min，钻进20 m），强风化钻进速度为0.020 5 m／min（用时22 min，钻进0.45 m），中风化钻进速度为0.005 m／min（用时10 min，钻进0.05 m）。由图10可知，该桩提升速度为1.46 m／min，总的成桩时间为78 min。

图9　W－184号搅拌桩钻进曲线图Fig.9 Curve of drilling depth：W184 mixing pile

W－202号搅拌桩为套打桩，图11和图12分别为W－202号搅拌桩钻进曲线图和提升曲线图。由此可以发现，与前面2根试桩的试验结果有所区别。在该桩的施工过程中水泥用量为11 600 kg，水泥掺量为21%，水灰质量比为1.5∶1。由图11可知，砂层钻进速度为1.98 m／min（用时10 min，钻进19.8 m），强风化钻进速度为0.05 m／min（用时14 min，钻进0.7 m）。由图12可知，该桩提升速度为2.05 m／min，总的成桩时间仅为40 min，套打桩的成桩时间大大缩短。

图10　W－184号搅拌桩提升曲线图Fig.10 Curve of drilling depth：W184 mixing pile

图11　W－202号搅拌桩钻进曲线图Fig.11 Curve of drilling depth：W202 mixing pile

图12　W－202号搅拌桩提升曲线图Fig.12 Curve of hoisting height：W202 mixing pile

通过分析搅拌桩（W－223，W－184）及1幅套打桩（W－202）的现场试桩统计结果可以发现：在砂层中钻进速度约为0.7 m／min，在强风化泥质粉砂岩层的钻进速度约为0.036 m／min，在中风化泥质粉砂岩层的钻进速度约为0.005 m／min，提升速度为1.65 m／min，钻进效率有所提高，而且钻进过程中对钻头的损坏程度也有所减小。

综合以上数据及相关资料进行统计分析，基本确定在此地质条件下的一般适应施工参数，具体见表4。

注浆压力控制在1.0～2.5 MPa，注浆压力要保证水泥和砂能够充分搅拌。根据设计深度，钻机在钻孔和提升全过程中，保持螺杆匀速转动，匀速下钻，匀速提升，同时根据下钻和提升2种不同的速

度，并采取高压喷气在孔内使水泥、砂和泥岩等翻搅拌和，在桩底入岩部分应适当延长搅拌注浆时间，岩层中需重复搅拌注浆，保证整桩搅拌充分、均匀，确保成桩质量。

表4　搅拌桩施工参数统计表Table 4 Construction parameters of mixing piles

2.5施工效果

根据开挖情况观察，基坑内侧桩间止水效果非常好，部分桩间有少量湿渍，无明水流。基坑内降水效果明显，基坑外侧水系向基坑内补给量很少，基坑内降排水量约为理论计算抽排量的1.3倍。根据现场的取芯试验检测，搅拌桩28 d无侧限抗压强度达到近6～8 MPa，抗渗效果达到10－6cm／s，芯样密实、完整（芯样照片如图6所示）。

3　结论与建议

1）本文研究的重点是三轴搅拌桩依靠自身的机械性能需要钻进有一定强度（强度约在20 MPa以下）的岩层，这在三轴搅拌桩的施工中是极其少见的。首先需根据实际情况选用大功率钻机施工；其次通过改进钻头结构（采用螺旋式的合金钻头）实现了三轴搅拌桩入风化岩层的目标，当搅拌桩从砾砂层中搅拌钻进至泥质粉砂岩层中时，要反复上下重复搅拌4～5次，使碎块被充分磨碎，解决钻头改进后桩中夹泥的问题。经过现场一系列的试验及参数调整，解决了三轴搅拌桩入岩的技术问题，为以后类似情况的施工提供了一定的借鉴与参考。

2）针对三轴搅拌桩入岩的工艺，文献［7］主要叙述了三轴搅拌桩通过单孔引孔等措施实现低强度地层的入岩，本文则详细介绍了三轴搅拌桩实现入岩是依靠自身设备的性能及钻头的优化等技术研究，不需要单孔引孔等措施，节约了引孔费用。

3）本文的相关技术已在后续的地铁工程中实施，采用此入岩技术与钻孔桩相结合的围护结构体系，而未采用造价相对较高的地下连续墙的围护体系，节约投资近600万元，经济效益显著。

4）本文的研究仅解决了搅拌桩在风化岩层（岩石强度在20 MPa以下）入岩的技术问题，若要实现硬岩段入岩施工则需要进行更深入的研究。同时，如果能采取措施在基坑开挖前检测到搅拌桩的止水效果，对深基坑的施工将会具有更大的参考价值。

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Construction Technology for Threeaxis Mixing Piles

WANG Yijun
（The Third Engineering Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Shenzhen 518052，Guangdong，China）

Abstract：The deep foundation pit under study is located in waterrich composite ground consisting soft strata at the upper part and hard strata at the lower part.Threeaxis mixing piles are designed as the waterstopping curtain of the foundation pit.The threeaxis mixing piles are required to extend into the weathered rock so as to isolate the impermeable strata.Therefore，extending the threeaxis mixing piles into the weathered rock is a technical challenge to be studied.In the paper，analysis is made on the type selection of machines for the threeaxis mixing piles，a new type of drill bit is designed for the drilling machine，and construction parameters suitable for the geological conditions are studied.Conclusions drawn are as follows：1）Threeaxis mixing piles can be used as the waterstopping curtain for foundation pits located in waterrich composite ground consisting soft strata at the upper part and hard strata at the lower part；2）Because threeaxis mixing piles can be extended into weathered rock，“bored piles＋threeaxis mixing piles”may be used as retaining structures in geological conditions similar to those mentioned above to replace the diaphragm walls so as to reduce the investment.

Key words：Metro；deep foundation pit；threeaxis mixing pile；machine type selection；drill bit design；weathered rock；construction parameter

作者简介：王义军（1982—），男，辽宁丹东人，2005年毕业于辽宁工程技术大学，土木工程专业，本科，工程师，主要从事市政地下工程施工工作。

收稿日期：2014－10－28；修回日期：2015－02－10

中图分类号：U 455.3

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）05－0478－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.015