单轴搅拌桩桩架改造工艺设计及施工

赵 欣 郭延义 吴樟强 虞佰先

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200090；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200090；3. 上海强劲地基工程股份有限公司 上海 201800

1 工程概况

1.1 上海白龙港污水处理厂提标改造工程BLG-C3标概况

上海白龙港污水处理厂提标改造工程BLG-C3标段工程将主要建筑物合建成集约化的水池及生产用房的专业地下污水处理设施。项目为1座287.45 m×254 m地下污水处理设施，地下2层，高6.9、5.4 m，包含1个生化反应池、1个二沉池、1间鼓风机房、2间中间提升泵房及高效沉淀池、1间加氯加药间和2条进出通道。

本工程工程桩为劲性复合桩，采用柔刚复合桩形式。柔性桩采用φ700 mm水泥土搅拌桩，水泥掺入量15%，水泥搅拌桩加固体的90 d无侧限抗压强度≥0.8 MPa。刚性桩采用T-PHC-C500-460（110）预应力混凝土异形桩，共计12 435根。工程桩于－1.1 m地表施工，桩顶标高为－15.45、－14.75、－13.15 m，桩长25、28 m。

1.2 水文地质情况

本工程位于上海市浦东新区合庆镇内人民塘西，张家浜河以南长江滩涂，白龙港污水处理厂位于西北地块，拟建场地在60 m深度范围内的地基土，主要由填土黏性土、粉性土、淤泥质土组成。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，场地沿线60 m深度范围内土层可划分为6个主要土层，其中第①、②、⑤、⑧层可分别根据各自的土层特性划分为若干亚层及次压层。潜水主要赋存于浅部填土、黏性土、粉性土中。

1.3 主要施工技术难点

1）超高密度劲性复合桩群桩施工。工程大量采用劲性复合桩，柔性桩采用φ700 mm水泥土搅拌桩。刚性桩采用T-PHC-C500-460（110）预应力混凝土异形桩。工程桩普遍间距仅2.25 m，数量达12 435根。群桩施工时，由于桩对周边土体产生的挤密作用，会导致先打入的桩因水平的推挤作用造成偏移、变位，或因垂直的挤拔作用造成浮桩；导致后打入的桩难以达到设计标高、入土深度要求，从而造成土体隆起和挤压，出现需截桩的情况。因此，必须考虑沉桩过程中的挤土效应对本工程及周边环境的影响。

2）桩基施工垂直度控制要求高。工程桩为劲性复合桩，柔性桩为φ700 mm水泥土搅拌桩，刚性桩为φ500 mm竹节桩，竹节桩边至搅拌桩边仅100 mm，工程桩钻孔深度最深42.5 m，允许偏差为1/450。桩身施工垂直度要求极高，对施工机械及过程控制提出较高要求[1-2]。

3）大型机械大批量组装施工，施工期间安全风险大。工程桩施工拟投入共计8套机械设备，1台静压桩机＋2台搅拌桩机为1套机械设备，搅拌桩机桩架高约51 m。大型机械组装高空吊装作业施工坠物风险较大，机械稳定性要求高，组装机械吊装过程需严控风险，确保安全。

2 主要施工技术措施

2.1 劲性复合桩施工方案

劲性复合桩是现有常规桩型优化改造后的一种先进工艺，可充分发挥地基土与桩材的复合作用。该工艺及设计要求边注浆边搅拌成水泥土搅拌桩，在搅拌后的水泥土未初凝前植入预应力混凝土管桩，构成劲性复合桩（图1）。

图1 劲性复合桩构造示意

2.2 机械配备

考虑场地范围、施工工效及劲性复合桩基特点，现场共计配备8套机械设备。搅拌桩机型号为8台Jb160A型搅拌桩机及8台JB280型搅拌桩机。

本工程水泥土搅拌桩直径为700 mm，水泥掺量15%，钻孔深度约42.5、39.5 m，现有常规单轴搅拌桩机高度不足，无法满足施工要求，拟由原三轴搅拌桩机改造形成劲性复合桩单轴搅拌桩机进行施工。

3 改造实施过程

3.1 原三轴搅拌桩机设备

三轴搅拌桩施工设备由三轴搅拌桩机和配套设备组成，其中三轴搅拌桩机主要由钻孔机和打桩架两部分组成（图2）。

图2 钻孔机示意

3.1.1 钻孔机

钻孔机主要包括动力头、钻杆、桩架、支撑架4个部分。

1）动力头：提升导向机构，内含电机（选用不同频率）。

2）钻杆：主要有螺旋式和螺旋叶片式2种。

3）支撑架：主要保证桩体垂直度。

3.1.2 打桩架

打桩架主要有履带式和液压步履式2种。

3.1.3 配套设备

配套设备主要由制浆站、空压机及泵送机组成。

3.2 Jb160A型搅拌桩机改造施工

3.2.1 钻具改造

1）单通道上下喷浆钻具。动力头、钻杆不变，对钻头及钻头喷浆口进行改进，由原来的下喷浆口改为上、下喷浆口，通过钻杆的正转、反转来控制上、下喷浆口的开闭，从而通过钻杆上、下一次动作实现二喷二搅要求。

2）双通道上下喷浆钻具。动力头部位增设改进过的双通道回转接头；钻杆由原来的单通道钻杆改为双通道钻杆；带搅拌叶片的钻杆及钻头由原来的下喷浆口改为上、下喷浆口，通过2台压浆泵控制上、下喷浆口的开闭，从而通过钻杆上、下一次动作实现二喷二搅要求。

3.2.2 压浆泵改造

对缸体、柱塞等结构进行改进，可以使流量下调及泵送高稠度水泥浆。

BW-250泵的改进：将缸径由原来的80 mm改为65 mm，从而使流量改为35 L/min。

3.2.3 自动拌浆系统改造

改原来2道过滤为4道过滤，保证高浓度浆液泵送。

3.2.4 施工技术参数

水泥掺量15%，水灰比0.8，下沉速度0.6～0.7 m/min，提升速度1.0 m/min。深度6～10 m时，下沉速度为0.2～0.4 m/min。

3.3 JB280型搅拌桩机改造施工

3.3.1 钻杆改进施工

钻杆总长45.5 m，钻杆采用麻花钻及长螺旋钻杆，其中：钻头长0.5 m，φ700 mm麻花钻长度为24 m，φ700 mm长螺旋取土钻杆长度6 m，光钻杆长度为15 m。

上部长螺旋钻杆取土，防止挤土效应产生，下部24 m长麻花钻杆，充分实现搅拌生成。

3.3.2 导杆改进

导杆总长度51 m，导杆后部增加抗失稳梁，保证垂直中心，防止失稳，最高可起升65 m。

3.3.3 动力头改进

采用双动力头，电机功率2×90 kW，扭矩69 kN·m，钻速变频可调，最大转速30 r/min。

3.3.4 控制系统

1）驾驶室内部可实现对桩架垂直度、动力头电机转速、电流、深度、下钻速度、上提速度等的有效监控。

2）驾驶室内部可实现后台自动配比浆液，自动控制后台浆液流量，空压机的启停控制，上、下喷浆口的切换控制。

3.3.5 施工技术参数

水泥掺量15%，水灰比1.0，下沉速度0.8 m/min，提升速度1.6 m/min。底部4 m复搅时，提升、下沉速度均为1.6 m/min。

4 实施效果

1）测量检测情况：比较实测垂直度和设计垂直度，差值最终均控制在0.5%以内；比较实测坐标和设计坐标，各项桩位点偏差最终均控制在5 cm以内，且以上数据均符合设计规范要求[3-5]。

2）进度效果：通过合理规划施工流程，2组搅拌桩配备1台静压桩机施工，有效控制1根劲性复合桩施工时间为200 min内，桩基总根数12 435根，有效地满足工期计划节点要求。

3）质量安全效果：根据前期3组劲性复合桩试桩（9根抗拔、9根抗压）施工及检测试验结果，所有试桩检测结果均合格，满足设计要求，施工中未发生安全及质量事故。

5 结语

新型桩基在国内首次大规模应用，检验了新型劲性复合桩工艺的实用性、高效性、经济性、绿色性，满足当下社会对绿色建筑的时代要求。通过对桩架的改进、创新，从设备上满足了新工艺的要求，为新工艺进一步的大面积、大范围运用提供了有效武器。通过合理的技术优化及选择合理的施工方式、方法，在施工过程中切实落实设计与规范要求，加上人、机、料的合理搭配，工程桩基顺利实施完毕，为后续工程提供了宝贵经验。