五轴水泥搅拌桩的应用技术研究

2015-09-18

建筑施工 2015年4期

上海市第一人民医院上海 200080

1 工程概况

1.1 工程简介

上海市第一人民医院改扩建项目，总建筑面积48 852 m2，其中地上建筑面积35 352 m2，地下建筑面积13 500 m2（地下3 层）。主楼（A楼）15 层，建筑高度61.6 m，裙房5 层，建筑高度22 m。保留建筑（B楼）4 层，建筑高度16.4 m。项目基坑面积约4 500 m2，开挖深度15.2 m，基坑设计采用逆作法施工。围护采用厚1 000 mm地下连续墙，墙长32.8 m（局部落深35.5 m），采用柔性锁口管接头，坑内土体采用裙边结合墩式高压旋喷加固。

1.2 周边环境

本工程场地位于上海市虹口区哈尔滨北路南侧、九龙路东侧。周边环境情况较为复杂，基坑南面为武进路，路下有管线，管线距离基坑边最近为9.99 m，道路对面为第一人民医院高层建筑，距基坑边最近为门诊楼，为7 层框架结构，无桩基础，距基坑边25.46 m。

基坑西面为一优秀历史保护建筑的消防站，距离基坑内边线9.39 m。

基坑东面为九龙路，路下有管线，管线距离基坑边最近为6.17 m，九龙路对面距离基坑边19.38 m为河道防汛墙。

基坑北面有2 栋保留建筑。一栋为4 层框架结构，钢筋混凝土条形基础（条形基础下设短桩及砂石垫层）；另一栋为砌体结构，砖砌大放脚基础；距基坑边3.07 m，如图1所示。

图1 基坑总平面示意

1.3 地质条件

本工程拟建场区属于滨海平原区，主要由饱和黏性土、粉土和沙土组成，地层内③、④层土缺失，②层黏质粉土较厚，至地面以下20 m左右，场地内分布大量的待拆除废弃人防及地下障碍物。

2 地下连续墙成槽护壁的选型

因周边保护建筑多，地质复杂，②层黏质粉土较厚，砂性大，障碍物多等因素，地下连续墙成槽的质量控制难度较大，需要采取护壁措施保证地下连续墙成槽的质量及周边建筑的安全，地下连续墙成槽护壁可选择采用三轴搅拌桩或五轴搅拌桩进行施工[1,2]。

1）三轴搅拌桩。优点：桩体整体搅拌均匀，水泥土浆液流动性好，机架采用步履式或履带式，行走效率高，稳定性较好。缺点：水泥掺量高、水灰比较大，单方造价高；如遇砂性地层，浆液容易离析，造成漏水现象；施工过程中产生大量置换土，无法回归农田，造成大量污染。

2）五轴搅拌桩（FCW-A工法）。新型的搅拌桩施工工法——高效、无置换、智能化五轴水泥土搅拌墙（FCW工法）。工法具有以下特点：

（1）成桩全过程可视、可控，数据可存储打印；

（2）施工速度快，整机功效高；

（3）施工机械自动化、智能化高；

（4）施工机械掘进能力强，有效桩长达 55 m；

（5）环保绿色，无置换土；

（6）成桩搭接冷缝少（单幅宽度2.7～2.8 m），降低漏水概率。

基于以上对三轴搅拌桩和五轴搅拌桩的比较，以及建筑物周围复杂环境等方面的考虑，本着经济、适用的原则，本工程地下连续墙采用五轴搅拌桩成槽护壁施工。

3 主要施工技术难点

3.1 地下障碍物种类众多，处理难度大

本工程±0.00 m相当于绝对高程+3.60 m。本工程场地标高相当于绝对高程有+3.50 m、+3.70 m、+3.16 m、3.84 m等，场地内高低处最大相差近80 cm，本工程场地待拆除区域原为上海市虹口中学，现上部建筑局部区域已经拆除，场地的地表层为遗留建筑垃圾，建筑垃圾下存在基础、结构基础，地下混凝土结构较多，-4～9 m位置存在原有地基搅拌桩，该搅拌桩布置位置不清晰，对地下连续墙及五轴槽壁加固的施工影响巨大。

3.2 基坑周围老建筑保护要求高

基坑西面为一优秀历史保护建筑的消防站，距离基坑内边线9.39 m，基坑北面有保留建筑，4 层框架结构，钢筋混凝土条形基础（条形基础下设短桩及砂石垫层），建筑另一部分为砌体结构，砖砌大放脚基础；距基坑边3.07 m。西侧和北侧建筑物的保护很重要，在基坑建设过程中，必须对固有建筑物的沉降和倾斜有所控制。

3.3 基坑形状不规则，大型机械施工空间受限

本工程基坑运用五轴搅拌桩槽壁加固，五轴搅拌桩长度固定，φ800 mm五轴搅拌桩搭接300 mm；局部采用φ700 mm五轴搅拌桩，搭接250 mm，施工机械占地面积大，五轴机侧向施工最小距离为2 500 mm，正面施工最小安全距离500 mm，由于本工程形状不规则，同时基坑又紧贴现有保护建筑，因此在施工现场拐弯处有4 处局部限制，无法形成封闭的止水帷幕，同时受限区域均位于地下连续墙的拐角处，属地下连续墙施工时最易产生塌方处，需要采取一定的措施，确保地下连续墙的施工质量。

3.4 基坑场地回填土厚度大，大型机械施工安全风险大

本工程土层为淤泥质土，土体强度较小，同时由于本工程地下障碍多，障碍物清除后，填土厚度达5 m以上，五轴搅拌桩机机械重达330 t，地基耐力达到100 kN/m2以上，如回填土质量不满足，大型机械施工时将会有较大的安全风险。

4 主要施工技术措施

4.1 原有搅拌桩地基处的施工处理措施

五轴搅拌桩施工处，存在部分原有地基加固的搅拌桩障碍物，如预先采用旋挖机进行清障，一方面增加清障费用，另一方面清障后难以回填，重型机械在清障部位施工时也会造成地基土体坍陷，易引起安全质量事故。

为达到清障及五轴施工槽壁加固一次性完成的目的，特采取以下措施：

1）五轴搅拌桩施工正常情况下一般只启动2 个动力头，为了增加机械动力，在存在搅拌桩障碍物处机械启动3 个动力头，放缓下钻速度。

2）在五轴搅拌桩机钻头处加焊钨钢钻头，增强钻头强度，容易击破原有搅拌桩障碍物。

3）在原有泥浆水灰比的基础上，适当提高水灰比，增快泥浆循环速度，有利于处理障碍物。

4.2 控制对既有保护建筑扰动的措施

五轴搅拌桩施工过程中靠近保护建筑处，为减少对土体的扰动，采用特种钻杆取土，运用FCW-A工法，达到桩内土压力平衡的状态，最大程度地降低施工对周边土体的扰动。同时在施工过程中，同步监测建筑物，根据监测数据实时调整五轴搅拌桩的施工速度。

4.3 五轴搅拌桩施工空间限制的措施

本工程施工现场放样，五轴搅拌桩施工在基坑拐角处有4 处存在空间受限，故在相应位置将五轴搅拌桩替换为桩径800 mm、搭接250 mm的二重管工艺的高压旋喷桩，旋喷桩深度同原五轴搅拌桩深度，其施工参数同坑内加固，同时在此次地下连续墙施工时调整泥浆参数，防止地下连续墙成槽阶段的坍孔。

4.4 厚回填区处理措施

为了满足五轴搅拌机正常施工，在土方回填时采取了以下措施：

1）回填土添加5%的水泥；

2）压路机进行分层压实、平整；

3）在回填区域上方铺设走道板，扩大施工机械的地面接触面积；

4）大型机械施工前进行模拟试验，确定场地的承载能力。

5 实施过程

5.1 工法施工工艺流程

场地平整→测量放线，开沟槽→桩机就位→桩机复测→启动自动送浆系统，送浆→启动钻机，掘进搅拌→开启集成计算系统，监控成桩关键控制参数→掘进喷浆搅拌，正转下沉喷浆70%至设计桩底标高→在设计桩底标高区间进行复搅→反转提升喷浆30%并搅拌→一组结束，移至下一组继续施工

5.2 测量放线的施工

根据测量成果表提供的坐标基准点，遵照图纸制定的尺寸位置，在施工现场放置围护结构的轴线，并做好永久及临时标志，放样定线后做好测量技术复核单，提请监理进行复核验收，确认无误后进行搅拌施工。

5.3 开挖导沟

采用日立200挖机开挖工作沟槽，沿围护内边控制线开挖，开挖深度1 m。预先对场地内已知地下障碍物进行清除，清障后需回填土压实，以保证五轴水泥搅拌桩施工顺利进行。

5.4 定位、钻孔、移位

前台指挥人员根据确定的位置严格控制钻机桩架的移动，确保钻杆轴芯就位不偏；同时为控制钻杆下钻深度达标，根据图纸确定的设计标高，换算钻进深度，在钻杆上用红油漆做好标记。严格控制下钻、提升的速度和深度。沿着基坑围护轴线进行机械设备的移动，采用跳槽式双孔全套复搅的施工顺序施工，以此循环直至围护墙体成型。

5.5 搅拌注浆

在施工现场搭建拌浆施工平台，平台附近搭建水泥库，在开机前应进行浆液的搅拌制作，开钻前对拌浆工作人员做好交底工作。

拌浆及注浆量以每幅桩的加固土体方量换算，浆液流量以浆液输送能力控制。土体加固后，搅拌土体28 d抗压强度不小于0.8 MPa。根据设计所标深度，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，喷浆搅拌下沉速度宜控制在 0.5～1.5 m/min，提升搅拌速度宜控制在1～1.5 m/min，并保持匀速下沉或提升。提升时不应在孔内产生负压造成周边土体的过大扰动，搅拌次数和搅拌时间应能保证水泥土搅拌桩的成桩质量。在五轴水泥土搅拌墙作为止水帷幕施工中，应采用套接一孔施工法。对于硬质土层，可利用主机配备的加压卷扬机进行加压钻进搅拌。浆液泵送量应与搅拌下沉或提升速度相匹配，保证搅拌桩中水泥掺量的均匀性。

搅拌机头应向下正转掘进，并喷浆至设计墙底标高，喷浆量控制为总量的70%，在设计墙底标高区间进行复搅，之后钻杆反转提升搅拌，并喷浆 30%。对含砂量大的土层，宜在搅拌墙底部 2～3 m 范围内上下重复喷浆搅拌一次，水泥浆液应按设计配比和拌浆机操作规定拌制（图2）。

五轴水泥土搅拌墙施工过程中，严格控制水泥用量，采用流量计进行计量，并按规定做好施工记录。因搁置时间过长而产生初凝的浆液，应作为废浆处理，严禁使用。

注浆量的控制决定基坑加固的质量，水泥用量以及注浆量通过计算来取得。