复杂地质条件下单轴搅拌止水桩成桩关键技术的研究

2020-09-29王超

工程建设与设计 2020年16期

王超

（中交一航局城市交通工程有限公司，天津300450）

1 引言

深基坑开挖是地铁项目施工的关键工序。随着地铁项目的发展，深基坑的应用越来越广泛。基坑施工前为了阻止基坑外地下水流入基坑内部或减小地下水沿帷幕的水力梯度，通常采用一定厚度的隔水帷幕进行截水[1]。基坑隔水方法根据工程地质条件、水文条件及施工条件等，选用水泥土搅拌桩帷幕、高压旋喷或摆喷注浆帷幕、地下连续墙或咬合式排桩等形式。支护结构为排桩时，可采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩注浆帷幕。围护结构良好的止水效果是保障基坑施工安全最重要的前提条件。因此，如何确保止水帷幕施工质量是深基坑施工的重点研究方向。

2 工程概况

佛山地铁2 号线连接佛山西江组团和中心城区、区域铁路客运枢纽广州南站，是广佛同城的重要枢纽。整条线路以深基坑施工为主，基坑内标高-5.75～1.15m 范围为淤泥质粉砂，灰黑色，松散～稍密状，饱和状态，含少量黏性土及腐殖质，稍具腥臭。该地层较广泛分布于场区，对深基坑围护结构单轴搅拌止水桩成桩质量造成严重影响。

中交一航局城市交通工程有限公司承建的TJ4 标林广明挖区间根据工程特性、环境条件和设计原则及标准，本项目隔水帷幕采用沿基坑周边闭合的平面布置形式。本项目的围护结构为钻孔灌注桩排桩联合止水帷幕形式，具有刚度大、可用于深大基坑及对周边地层、环境影响小等特点。围护结构主体采用φ1 000mm@1 200mm 钻孔灌注桩+内支撑的支护结构形式，止水帷幕采用φ550mm@400mm 单轴水泥土深层搅拌桩。水泥土搅拌桩是用于加固饱和软黏土地基的一种方法。它利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。水泥土搅拌法具有最大限度利用原土，搅拌时无振动、无噪声污染，对周围原有建筑物影响很小的优点。

通过前期试桩检测发现，采用常规方法施工的单轴搅拌桩在淤泥质粉砂层内成桩质量差，漏水严重，为后续的深基坑开挖造成了极大的安全隐患。为确保基坑开挖的安全性，针对此地质条件积极进行工艺试验总结，为后续搅拌桩止水帷幕大面积施工提供了重要的技术支撑。

3 水文地质情况

本项目采用85 高程系统，根据M2-Z3-SGZ-01 钻孔勘察设计成果，该钻孔从上到下依次分布如下：地表3.61～1.31m 高程为人工堆积素填土、1.31～-0.7m 高程为淤泥、-0.7～-5.7m 高程为淤泥质粉细砂、-5.7～-10.89m 高程为可塑状粉质黏土、-10.89～-18m 为强风化泥质砂岩、-18m 以下为中风化泥质砂岩。

林广明挖区间场地地势低，雨季强降雨时，水位涨幅大，每天水位落差约1.0m。场地地下水主要有2 种类型：一类是第四系地层中和松散岩类孔隙水，另一类为基岩裂隙水，主要赋存于强、中等风化带中，具有承压性。

4 成桩技术研究

4.1 优选水泥浆配合比

本工程采用华润P·O42.5 普通硅酸盐水泥制作水泥浆，在基坑内选取淤泥质粉细砂至室内进行7 种不同水泥掺量配合比试验，水灰比选取范围为0.6～0.8，搅拌桩水泥掺量取土的天然比重的15%～20%。成型70.7mm×70.7mm×70.7mm 抗压强度试件（目标强度0.8MPa），拆模后埋入现场粉细砂层中同条件养护7d、28d 进行抗压强度检测。经过强度结果对比及满足强度富裕系数1.4 的要求，最后选取了水泥掺量为120kg/m3及130kg/m3的2 组配合比，该2 组配比28d 无侧限抗压强度分别为1.13MPa 和1.19MPa。

4.2 搅拌桩施工工艺参数确定

采用的湿法水泥土搅拌桩施工主要步骤为：搅拌机械就位、调平—预搅下沉至设计加固深度—边喷浆、边搅拌提升至预定的停浆面—重复搅拌下沉至设计加固深度—根据设计要求，喷浆或近搅拌提升直至预定的停浆面—关闭搅拌机械。根据上述工艺流程，并采用水泥掺量为120kg/m3及130kg/m3的2 组配合比，现场采用两喷四搅的施工工艺，采用2 组不同提钻速度、搅拌速度、喷浆压力，通过现场试桩施工28d 后进行钻芯取样进行无侧限抗压强度试验，最终确定了提钻速度0.5m/min，下钻速度0.7m/min，搅拌速度30r/min，喷浆压力0.65MPa 及提钻速度0.5m/min，下钻速度0.7m/min，搅拌速度40r/min，喷浆压力0.45MPa 的2 组施工工艺参数进行现场施工。

4.3 设备改良参数确定

通过抽芯结果发现所有合格水泥搅拌桩外表质量良好，但内部强度及止水性较差。通过分析比对，与设备钻头出浆孔位置及钻头叶片形状有很大关系。因此，根据螺旋钻机施工原理，对钻头叶片形状、出浆孔位置及尺寸进行改良，经多次改良并试桩取芯试验，确定了用于此地层搅拌桩止水帷幕基施工钻头，钻头形式如图1 所示。

图1 淤泥质粉细砂层搅拌桩施工改良钻头

为了验证上述钻头、配合比及工艺参数的可行性，采取在成桩3d 内采用轻型动力触探检查上部桩身的均匀性，在成桩7d 后，采用浅部开挖桩头进行检查，开挖深度超过停浆面下0.5m，检查桩身的均匀性并两侧桩身直径。经检查采用上述施工工艺和参数制作的水泥土搅拌桩成桩质量良好，无断桩及桩身外观质量差等缺陷，并且止水效果很好。

5 施工成果

通过试验、试桩得到的单轴搅拌止水桩相关施工参数已在佛山地铁2 号线林广明挖区间、林林明挖区间围护结构止水帷幕中广泛应用。本标段桩基数量9 141 根，前期采用常规四喷四搅施工工艺成桩率为83.4%，成桩率低、成桩时间长、成本高、后期基坑开挖漏沙漏水率高。经过试验和现场实践，采用该施工工艺参数施工，成桩率提高至96.5%，有效确保施工质量，降低基坑漏沙漏水风险率；单桩施工时间缩短6min，提高了施工效率，缩短施工周期。经计算，此施工工艺参数成桩水泥用量节约4kg/m3，目前已在佛山地铁2 号线工程全面推广。