双轴大截面深层水泥搅拌法在某大型填海工程中的应用

■ 北京振冲工程股份有限公司 焦洋洋 刘少华

1.前言

深层水泥土搅拌桩是利用水泥浆液和土体经过拌合形成的复合桩体，土体与水泥等固化剂发生物理化学反应，形成具有一定整体性和一定强度的水泥土加固体。深层水泥搅拌法具有适用土质类型广泛、加固深度大、最大限度地利用原质土、布桩方式灵活以及噪音污染程度较低等显著特点。本文详细阐述了香港某大型填海工程中双轴大截面深层水泥搅拌法的应用情况，与国内应用较为广泛的三轴以及五轴搅拌桩相比，双轴大截面深层水泥搅拌法施工工效可提高约1.75倍。

2.工程概况及地质条件

该大型填海工程为加速已形成的人工岛淤泥土固结，计划在人工岛周围进行被动土的加固。根据地质条件分析，采用深层水泥搅拌法处理淤泥质土，对加快土体固结，形成具有整体性和稳定性的增强体，提高土体抗剪强度将会具有明显效果。该工程主要工程量如表1所示：

表1 主要工程量统计表

该工程典型的地质条件描述如下：

（1） 回填砂层。该层描述为：上部9m至15m为吹填砂层；

（2） 海相沉积层。该层描述为：非常软至软，浅灰色、灰色，局部略含砂，黏土质淤泥，偶见贝壳。该层厚度约10m至22m；

（3） 黏土冲积层。该层描述为：坚固至坚硬，浅灰～深灰色，淤泥质黏土，黏土质淤泥，该层顶标高一般在-20mPD左右。中间夹中砂至粗砂，一般深度在-29mPD，厚度0.5m至2m。

3.施工设备的选定

根据49%的面积置换率要求，若采用国内普遍应用的三轴深层水泥搅拌法进行施工，单幅桩体截面积仅为1.495m³。结合三轴桩机的日均施工工效分析，如果需要满足项目8个月的总工期要求，需要配置10台套桩机投入项目生产。但是施工现场条件根本无法满足10台套桩机同时施工的要求，因此，如何提高单幅桩的处理面积成为了研究的重点。

结合国外工程实例，决定将普通三轴桩机钻具进行针对性设计，创新采用双轴大截面深层水泥搅拌法，满足该项目的施工要求。双轴大截面深层水泥搅拌法单幅桩截面积可达2.62m³，单机处理理论工效可达普通三轴深层水泥搅拌法的1.75倍，仅需6台套设备即可满足项目的施工需求。双轴大截面深层水泥搅拌桩配套桩机可使用国内常规的JB180或以上型号，本桩架最大施工桩长可达60m，完全可以满足施工桩长的需求。与桩架匹配的是ZLD220（220KW）或以上型号的动力头。该型动力头原始轴间距600mm。在撤除中间轴后轴间距达到1200mm。本次主要的针对性改装是重新设计钻头直径及其搅拌翼的结构形式。根据国内外相关资料及该项目地层条件分析，选用直径φ1300mm的钻头。根据钻头直径及轴间距分析，在钻头的搅拌翼的结构形式设计方面，重点在于使同一截面上的两幅钻头搅拌翼始终处于垂直状态，这样才能确保在正常施工过程中，不会因为单轴直径大于轴距而引发叶片之间相互碰撞而造成无法正产施工。三轴深层水泥搅拌桩以及大两轴深层水泥搅拌桩最终形成的桩体截面形式如图1、图2所示。

图1 三轴深层水泥搅拌桩

图2 大两轴深层水泥搅拌桩

4.施工应用

综合地质条件进行分析，该项目的施工难点在于需穿透多达15m厚的回填砂层以及桩端需进入黏土冲积层3m以上。根据标贯击数以及CPT勘察资料分析，该黏土冲积层普遍的击数在10~20击左右，对应的Qc值在2.0MPa以上。根据前期在施工现场取原质土进行的水泥掺入比实验数据，选用P.0 42.5普通硅酸盐水泥，在不掺入外加剂的前提下采用300kg/m³的水泥掺入量，搅浆用水使用海水，水胶比1:1。搅拌完成后的土体在同条件养护7天后的无侧限抗压强度值可达1.0MPa以上，完全可以满足土体固结强度及固结时间等要求。

该项目采用“两喷两搅”双轴大截面深层水泥搅拌法进行施工，钻头穿透速率不得大于0.5m/min，提升速率不得大于1.0m/min。在穿透时使用下喷浆口进行喷浆作业，提升时使用上部喷浆口作业，以保证搅拌效果。以30m桩长为例，单桩的成桩时间约为1.5h，24h的理论产量可达1200m³以上，因此，投入6台套桩机，完全可以满足项目的施工进度要求。

该项目的主要目的是提高将近20m厚、处于流塑状态的淤泥质土的强度，参照勘察资料，在施工前该土层的UCS值只有0.10MPa左右。通过国内外的相关资料分析，在其他条件不变的前提下，如土体的含水量降低10%，则水泥土桩体的强度可以提高30%以上。针对此情况，项目团队选择通过调低水胶比的形式间接减少土体的含水量。在进行淤泥层施工时将水胶比调整为0.7。为加强在淤泥层中的处理效果，还可以在该层施工时增加一次复搅，以保证水泥浆液与土体搅拌的均匀程度。

桩端持力层处理的重点是如何确定黏土层的位置。常规做法是采用常规的钻孔取芯或者CPT等方式进行检验，但成本较高且无法满足工期需求。通过现场验证以及与咨询工程师进行沟通，可采用通过监测电流变化的方式间接确认黏土层的层高。在淤泥质土层中进行穿透作业时，动力头电流一般保持在100A以内，当进入黏土层时，动力头电流调至120A以上（图3）。经过现场测试以及对比前的期勘察点资料，使用此种方式进行验证的准确率在99%以上。

在项目施工完毕后，项目团队按照英标对桩体进行了成桩质量检验，检验方式为钻芯取样，检验桩体的无侧限抗压强度UCS≥1.0MPa，检测结果显示，成桩质量完全满足要求。部分检测结果如表2所示。

表2 J-29垂直钻孔取芯UCS测试结果

图3 持力层电流判断流程

5.结语

本次设备的成功改装及创新应用，为深层水泥搅拌工法设备提供了新的思路。双轴大截面深层水泥搅拌法除具有普通深层水泥搅拌法的优点之外，还具有施工工效更高、设备通用性强、成桩质量有保证等特点。施工单位只需在现有设备基础上进行改造即可实现，简单易行。采用本方法可在保证施工质量的前提下节省施工成本、缩短工期，为项目的顺利实施打下坚实的基础。