搅拌桩固壁技术在淤泥质地层地下连续墙施工中的应用

2020-11-07刘国山朱连臣汪正斌刘雷吴振宇张学义

铁道建筑 2020年10期

刘国山朱连臣汪正斌刘雷吴振宇张学义

（中铁二十五局集团第五工程有限公司，山东青岛 266000）

我国地铁建设快速发展，在地铁修建的过程中遇到各种复杂地层。在沿海滩涂区采用明挖法修建地铁车站时，由于淤泥质地层的存在，地下连续墙成槽困难，易造成缩颈及塌孔。单纯的泥浆固壁不能满足地下连续墙槽壁稳定性的要求，设计上提出用水泥搅拌桩加固地下连续墙槽壁的方法保证地下连续墙顺利成槽［1-3］。

地下连续墙的槽壁稳定性分析一般采用极限平衡方法。极限平衡方法所假定的滑动体有三棱柱形（楔形）、半圆柱形、斜截半圆柱形、抛物线形等［4］。文献［5-6］总结了槽壁失稳机制，用极限平衡方法建立槽壁滑动体的三棱柱模型，给出在水泥搅拌桩加固作用下槽壁失稳的安全系数计算公式，但是并没有深入研究淤泥质地层水泥搅拌桩的施工参数。文献［7-8］运用朗肯土压力模型建立滑动体破坏模型，推导了在泥浆固壁条件下泥浆重度的计算公式，但是并没有对水泥搅拌桩加固条件下的泥浆重度进行优化设计。

本文依托深圳国际会展中心配套市政项目会议中心站工程，采用现场试验和理论分析相结合的方法，确定在淤泥质地层水泥搅拌桩固壁条件下水泥搅拌桩水灰比、水泥掺量等施工参数，推导最小泥浆重度的计算公式，总结淤泥质地层中固壁泥浆系统施工工艺。

1 工程概况

根据地勘报告，会议中心站所在区域的土层厚度及物理力学参数见表1、表2。

表1 土层厚度

表2 土体物理力学参数

该地域为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水两种类型。孔隙水主要赋存在人工地层中，该地层透水性差。基岩裂隙水基岩孔隙不发育，裂隙仅少量发育，且裂隙连通性和透水性较差。地下水位埋深为0.4～2.1 m，基岩裂隙水稳定水位埋深为19.0～20.0 m。

会议中心站总建筑面积为23 738.8 m2，车站长438.0 m，标准段宽20.7 m，站台宽11.0 m，埋深约16.5 m，顶板覆土厚约3.0 m。车站为地下两层双跨岛式结构，主体基坑采用明挖顺作法施工，主体围护结构为地下连续墙。

2 水泥搅拌桩参数设计

2.1 搅拌桩设计方案

地下连续墙槽壁加固采用两侧各2 排φ500@500（纵向）×400（横向）单轴搅拌桩咬合加固。加固方案平面大样如图1所示。

图1 搅拌桩槽壁加固平面大样（单位：mm）

2.2 水泥搅拌桩参数确定

根据淤泥质地层水泥搅拌桩固壁设计方案，须进行现场试桩试验，确定所用水泥品牌、水灰比、水泥掺量、钻进速度、提升速度、喷浆压力、喷搅次数等施工参数。

2.2.1 水灰比

分别采用水灰比0.55 和0.70 配制水泥浆液进行现场试验。结果显示，当采用水灰比为0.70的水泥浆液时注浆泵连续出浆，未出现管道、钻杆堵塞的情况，能保证施工连续性。试桩结果证明水灰比采用0.70满足搅拌桩的施工要求和强度要求。

2.2.2 水泥掺量

为探究在不同水泥品牌及不同水泥掺量情况下，水泥搅拌桩无侧限抗压强度达到0.6 MPa下的最优水泥掺量，通过控制桩径为0.5 m、水泥搅拌桩水灰比为0.70、下沉和提升速度为0.8～1.0 m/min，做了10 组试验，并且每组用2 根桩分别做两批试验。具体试验方案见表3。

每根桩取6 个桩芯，依次编号1～6，再用这些桩芯做试验，得到各组水泥搅拌桩无侧限抗压强度，见图2。

由图2 可知，第4，5，9，10 组试验结果满足设计要求的强度，第1，2，3，6，7，8 组部分试验结果不满足设计要求的强度。第5，10 组增加了水泥用量，在能满足设计强度的要求下不建议增加水泥掺量。优选第4，9 组参数用于后续施工，即水泥浆液按照水泥掺量21%、水灰比0.70进行配制。

表3 水泥搅拌桩试验方案

图2 各组试验桩无侧限抗压强度

2.2.3 其他参数

1）水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

2）喷浆和搅拌速度须严格控制，机头提升速度为0.8～1.0 m/min，控制重复下沉和提升速度，搅拌轴转速60～70 r/min，注浆泵出口压力应保持在0.4～0.6 MPa。

3）当水泥浆液到达出浆口后，应喷浆搅拌30 s，在水泥浆与桩端土充分搅拌后再提升搅拌头。

4）搅拌桩垂直度现场施工时提高控制要求，按不大于1/100控制。

5）为确保主体结构净空尺寸，地下连续墙向基坑外放10 cm，槽壁加固搅拌桩从地下连续墙中轴线向两侧各外放10 cm。

2.3 泥浆配备

2.3.1 搅拌桩固壁条件下泥浆重度计算

针对滨海区流塑状淤泥质地层中用搅拌桩加固地下连续墙槽壁的情况，建立槽壁整体稳定性极限平衡力学分析模型，推导在搅拌桩固壁条件下地下连续墙槽壁整体稳定的成槽施工泥浆最小重度计算公式。

将开挖后的槽段看作一个长条形的基坑，据此可根据基坑开挖后周边地层的稳定性分析该槽段。假定开挖后的土体为单一的均质体，建立地下连续墙槽壁开挖后的整体稳定力学分析模型［9-10］，如图3 所示。图中φ为土体的有效内摩擦角，θ为滑动面OECD与水平面之间的夹角；L为单元槽段长度；B为滑动体的宽度，B=Hcrcotθ；Hcr为斜滑体的深度［11］，Hcr=Lsinθ/(2 tanφ)；q为地面均布等效荷载；H为滑动体深度；Hw为水位线距地面距离。

图3 槽壁整体稳定力学分析模型

取图3 所示模型横截面进行受力分析，根据槽壁实际受力情况建立分析图（图4）。W为滑动体自重；Ps为泥浆压力合力；Pw为地下水压力合力；Pa为滑动体所受到的主动土压力合力；Hs为泥浆液面距地面的距离；T1和N分别为滑动体底斜面OECD上受到的切向力和法向力；T2为滑动体两侧竖直面ODAG（ECJF）上土体的黏聚力；Tc为水泥搅拌桩提供的抗剪力的合力。

图4 槽壁受力分析

考虑地下水的作用，滑动体自重W由水位线以上部分和水位线以下部分滑动体2部分组成：

式中：γ为水位线以上土的平均重度；γ'为水位线以下土的浮重度；V1为水位线以上部分滑动体的体积，V1=BLHw；V2为水位线以下部分滑动体的体积，V2=BL(H-Hw-Hcr/2)。

滑动体自重W的计算公式为

槽壁上泥浆压力与地下水压力的合力ΔP为

式中：γs为泥浆重度；γw为水的重度。

地面超载Q为

根据朗肯土压力理论，考虑地下水（水位以下采用浮重度）得到滑动体处于极限平衡状态时受到土体的水平主动土压力为

式中：Ka为主动土压力系数，Ka= tan2(45°-φ/2)。

滑动面受到的切向力T1为

式中：N=(W+Q)cosθ+(ΔP-Pa)sinθ；SOECD为滑动面的面积，SOECD=HcrL/sinθ；c为土体的黏聚力。

作用在槽壁侧面上的黏聚力T2为

式中：SODAG和SECJF为滑动体竖向侧面ODAG和ECJF的面积，SODAG=SECJF=BH-BHcr/2。

水泥搅拌桩提供的抗剪力Tc为

式中：τc为水泥搅拌桩的抗剪强度；d为水泥搅拌桩的加固宽度；Hc为水泥搅拌桩的长度。

槽壁稳定的安全系数Fs为

式中：Ts为滑动体抗滑力，Ts=(ΔP-Pa)cosθ+T1+T2+Tccosθ；Tg为滑动体下滑力，Tg=(W+Q)sinθ。

根据极限平衡理论，在水泥搅拌桩加固条件下保证地下连续墙槽壁稳定的最小泥浆重度γs计算公式为

2.3.2 基于工程项目的泥浆重度计算

该地铁车站工程基坑开挖深度H= 15.5 m，单元槽段长度L= 6 m。根据地勘资料，稳定地下水埋深Hw=2 m，地下水的重度γw=9.8 kN/m3，泥浆液面与地面持平，即Hs=0；考虑施工设备的影响，地面均布等效荷载q= 40 kPa。场地的土层分布及其物理力学参数参见表1和表2。水泥搅拌桩的平均长度Hc=16 m，加固宽度d=0.55 m。

为简化计算，将上部土层做加权平均处理。加权后的土体参数：重度γm= 18.19 kN/m3，黏聚力cm=10.71kPa，内摩擦角φm= 10.1°。假设滑动面与水平面达到塑性极限破坏时，其夹角θ= 45°+φm/2 =50.1°。搅拌桩的水泥参量为21%，搅拌桩成桩后单轴抗压强度不低于0.8 MPa，搅拌桩的抗剪强度约为抗压强度的1/3～1/5，取抗剪强度τc= 160 kPa，取安全系数Fs为1.3～1.5。采用前述推导的基于槽壁整体稳定性地下连续墙成槽施工泥浆参数的设计方法，代入各参数计算，得到在水泥搅拌桩加固地下连续墙槽壁的情况下，最小泥浆重度γs= 9.67 kN/m3。普通地层无水泥搅拌桩加固条件下的泥浆重度约为11～13 kN/m3，可知在水泥搅拌桩固壁条件下，采用的泥浆重度比一般地质条件下的偏小。

2.3.3 泥浆工艺

1）固壁泥浆施工流程及配制

固壁泥浆系统工艺流程如图5 所示，泥浆现场试验如图6所示。

图5 固壁泥浆系统工艺流程

图6 固壁泥浆现场试验

固壁泥浆配制过程为：先配制增黏剂溶液静置5 h，按配合比在搅拌筒内加水，加膨润土，搅拌3 min 后再加入增黏溶液；搅拌10 min 再加入分散剂，搅拌均匀后放入储浆箱内，待24 h 后膨润土颗粒充分水化膨胀，即可泵入循环池以备使用。固壁泥浆配合比为：膨润土80 kg，水1 000 kg，分散剂4.8 kg。泥浆各项性能指标见表4，施工过程中泥浆性能指标见表5。施工过程中采用动态监控数据，如果不能满足槽壁土体稳定性要求，须对泥浆指标进行调整。