大截面搅拌桩在港珠澳大桥香港口岸人工岛施工中的应用

2015-09-18

建筑施工 2015年4期

上海市住宅建设机施有限公司上海 200232

1 项目概况

港珠澳大桥香港口岸人工岛搅拌桩地基处理项目位于香港国际机场东侧航空通道下方区域，在人工岛堆载区域内部设置塑料排水板，采用分层堆载压实，对原软弱土体进行固结，共分4 层堆填至+11.5 m，每层的堆载固结时间一般为6 个月。香港路政署为加快人工岛的建设，计划在+2.5 m标高处直接吹砂至+11.5 m，但是这样的吹砂速度将对钢护桶产生很大的侧向推力，会加大钢护桶围堰的位移，影响整个围堰的固结稳定，为了解决以上问题，对在钢护桶SOL线内侧30～57 m范围内的土体进行加固，采用搅拌桩进行场地加固。场地现已回填黄砂至标高+2.50 m，海床面平均标高为-8.00 m，黄砂厚度在10.5 m。海床面存在有工程性质较差的软弱土层，厚度在20 m左右。

本项目搅拌桩设计桩长25.0～35.0 m，总工程量约750 000 m3，工期6 个月，非常紧迫。普通深层搅拌桩受桩架高度和钻机功率影响，施工桩长最大成桩深度在20.0 m以内；由于钻头结构简单，24 h不间断施工理论产量仅为112.3 m3。三轴搅拌桩水灰比为1.5～2.0，水泥掺量的30%随弃土被置换出，造成材料浪费，由于水泥浆置换的存在，容易对海水造成污染，难以符合环保要求。

我们结合现场条件，取三轴搅拌桩设备和双轴搅拌桩设备之优点，进行设备改进，研制出大截面积搅拌桩，桩型采用2φ1 300 mm@1 200 mm（图1），桩体截面积达到2.621 m2。本系列设备集成国内外高性能器件于一体，施工搅拌桩最大长度达到54.0 m，完全满足施工桩长35.0 m的要求；与机架匹配的钻机功率增大到220 kW，可轻松穿透较硬的黏性土，本设备最大钻孔深度为55.0 m；钻杆上的搅拌叶片增至6 组，共12 片，叶片宽达27 cm，钻杆的钻速14.2 r/min，下沉速度控制在0.5 m/min以内，提升速度控制在0.8 m/min以内，保证每米桩体搅拌次数在540 次以上[1]。

2 大截面搅拌桩施工

2.1 施工控制参数

我公司共进场4 台JB180系列设备，每套设备的总功率为400 kW；施工用固化剂采用广东省生产的P.O 52.5水泥；每立方加固土体水泥掺量平均值为300 kg；水灰比为0.7，施工用水采用海水；采用下沉搅拌喷浆、提升搅拌喷浆的“两搅两喷”工艺施工，钻头下沉速度0.5 m/min，提升速度0.7 m/min，24 h的理论产量可达1 000 m3。

2.2 过程难点与解决措施

2.2.1 穿越砂层

人工岛表层存在10.5 m砂层，钻头在穿越砂层时，不管是下钻还是提升速度都非常慢，每分钟的进尺只有0.2 m，是计划施工速度的1/3，严重降低了施工效率，如何提高10.5 m砂层中的施工速度，成了摆在面前的难题。我们采取3 种方式进行应对。

1）改善水泥浆液。鉴于膨润土具有增稠性、润滑性、吸附性等特点，在施工砂层土时加入水泥质量10%的膨润土，拌和成混合浆液，改善浆液的和易性、保水性。经过拌和后的砂土颗粒之间被混合浆液包围，砂在短时间内不会密实，处于松散状态，钻头叶片在砂层中旋转、上下活动过程中所受到的阻力将会减小，下沉速度可以提高0.2 m/min，提升速度可以提高0.3 m/min。施工中，改善水泥浆液的配比，提高了砂层中的施工速度，效果明显。

2）改善工艺。鉴于三轴搅拌桩和高压旋喷桩施工中均有气体辅助成桩，我们在成桩工艺中也试着加入0.6 MPa的高压气体辅助成桩，采用双层钻杆，在搅拌喷浆的同时气体在钻头底部喷出，使上部搅拌土体处于半悬浮状态，气流在上升过程中将砂层以下淤泥桩体20%的淤泥带到砂层中，淤泥和黄砂掺合后，土体的摩擦力减小，利于提高穿越砂层的速度。另外，搅拌后的土体在气流的击打下均匀性更好，间接地提高了施工质量。

3）设备改进。针对钻头在砂层下沉和提成过程中，掘进速度慢，我们效仿“木螺丝”对钻头进行改进，将叶片加工成螺旋形，在下沉时，钻机正向转动，叶片借助上层土质量，钻头主动切入土体；提升时，钻机反向钻动，下层土给叶片施加顶力，对钻头起到托举的作用，加快了提升速度，如图2所示。

图1 大截面积搅拌桩

图2 改进的设备

通过以上3 点的改进，在穿越上部砂层时，达到了理想的下沉速度1.0 m/min，提升速度达到1.5 m/min，每立方米加固土体水泥掺量降低到200 kg，经28 d后钻孔取芯，芯样无侧限强度可以达到1.8 MPa，在保证质量的情况下，提高了施工效率。

2.2.2 海底淤泥特殊加强处理

本项目设计人员和施工人员最关心的就是如何保证原海底近20 m厚淤泥土的强度，在搅拌桩施工前，该土层的无侧限抗压强度只有0.18 MPa，没有找到相关或者类似资料，只有摸索着施工，开工前做了3 根试验桩，以提供一些参考依据。通过资料了解到，降低土样的含水量10%，水泥土的强度可以提高30%，我们通过减小水灰比间接降低土样的天然含水量，在淤泥层施工时，水灰比调整到0.6。为了改善桩体在淤泥土层中的强度，决定在淤泥层施工时增加一次“两搅两喷”，将每立方米加固土体水泥掺量提高到375 kg，3 根试验桩施工结束7 d后钻孔取芯，无侧限抗压强度已经达到0.6 MPa。通过试验桩，将淤泥土层的施工参数调整如下[2,3]：

1）淤泥层施工进行复搅，第1次下沉速度1.0 m/min，提升速度达到1.5 m/min，第2次下沉速度1.0 m/min，提升速度达到2.0 m/min；

2）淤泥层施工时，第1次“两搅两喷”每立方米加固土体水泥掺量为300 kg，第2次“两搅两喷”每立方米加固土体水泥掺量为75 kg。

对以上2 项进行综合测评，根据不同土层情况，合理调整桩体在不同土层中水泥掺入量，在保证整根桩水泥掺入量不变的情况下，保证了桩身整体强度的均匀性。

2.2.3 应对起伏较大的黏土层标高

为了保证搅拌桩加固的整体效果，设计要求桩底需要进入黏土层1.0 m，但相关资料显示，该区域内黏土层标高起伏较大，虽通过CPT试验可测得准确标高，但若每根桩施工前都进行CPT试验，成本较高，且费时费力。

通过钻机在不同土层的动力输出情况上着手，观察电流的变化。我们先在桩位上进行CPT试验，确定黏土层标高，经过现场统计，在淤泥土层中，下沉速度在1.0 m/min时，钻机电机的电流一般在90 A左右，钻机以同样的下沉速度进入黏土层的深度达到1.0 m时，电流达到110 A。经多次试验验证，电机电流反映黏土层标高的正确率在95%以上，设计、咨询公司商定，电机电流达到110 A为进入黏土层的终孔电流，有了该结论，我们在动力钻机上安装电流监测仪，通过电子屏幕，将实时电流情况反映在操作者面前，对掌握黏土层标高起伏状况事半功倍[4]。