超深双轴搅拌法在海相沉积软黏土地层中的应用

张培印，王 维，程长宏

（中国水电基础局有限公司，天津 301700）

0 引 言

随着近年来沿海工程大力发展，建设在海相淤泥质软土地基上的建筑愈来愈多[1-3]。海相淤泥质软土具有很高的含水率和孔隙比，压缩性大并且强度极低，是一种典型的软土地基[4]，地铁工程中常见深层搅拌抽条加固、裙边加固及格栅加固，在盾构隧道端头井以抽条加固见多；端头井前端始发段多以哑铃型垂直于隧道线路布置加固区域；但沿盾构区间超深、满堂块状加固工程在国内外还十分鲜见[5]，尤其是滨海深厚软土区域的超深搅拌工艺适用性有待验证。

本文结合新加坡地铁T302地基处理项目，在传统的施工机械基础上提高动力头输出功率、改进钻杆接头处理工艺及加固钻杆杆体，解决超深连续灌浆问题，施工中采用接长钻杆的方法实现深层搅拌。针对海相沉积软黏土的工程特性，提出超深大直径双轴搅拌施工工法与两阶段灌浆；涉及了施工设备改装、钻杆加固、接长钻杆施工等方面内容，为水泥搅拌法处理海相深厚软黏土地层的施工与设计提供了很有意义的参考。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

新加坡地铁汤申-东海岸线T302标段包含一个车站两个盾构区间，车站为地下二层结构，围护结构为地下连续墙，采用明挖顺做法施工；1号隧道区间长度1 122.1 m，2号隧道区间长度1 850 m，采用盾构法施工。平面布置详见图1所示。

图1 T302 设备房及隧道分区Fig.1 Facility building and tunnel interval in project T302

1.2 地质情况

据详勘阶段地质报告，车站段场地地层条件为典型的新加坡滨海沉积与河口冲积交替地层，地层分布情况自上而下依次为：

0～9.0 m：人工回填土；

9.0～15.0 m：河口冲积粉质砂土；

15.0～22.0 m：黏质粉土；

22.0～32.0 m：海相沉积黏土；

32.0～50.0 m：OA（D）老黏性土；

50.0～185.0 m：OA（C）老黏性土。

设计要求深搅成桩后强度指标为：无侧限抗压强度1 600 kPa，不排水抗剪强度800 kPa，弹性模量280 MPa，设计桩径1.5 m，深度52 m。

2 超深搅拌工艺原理

2.1 工艺原理

在原搅拌桩机36 m桅杆基础上，装配大功率动力头后最多可配备28 m钻杆，在加强杆身与接头强度前提下，先搅拌26 m深（可称为一期杆），在动力头下2 m处拆开钻杆连接销，重新给桩机接上24 m长钻杆（可称为二期杆），连接一期杆后继续向下搅拌成桩。成桩后，先灌浆二期杆长度范围，再灌浆一期杆长度范围。超深大直径搅拌桩施工工艺流程见图2。

图2 超深大直径搅拌桩施工流程图Fig.2 Construction flow chart of ultra deep and large diameter mixing pile

超深搅拌桩施工主要分成三部分：其一杆身及接头加固；其二“接长钻杆”完成深层成桩；其三分阶段灌浆。

2.2 杆身及接头加固

随搅拌深度的增大，钻杆杆身及接头所受拉力及扭矩也逐步增大，原钻杆及接头横截面尺寸见图3，原杆身及原接头参数见表1。

表1 原杆身及原接头参数Table 1 Original design parameters of rod and joint

图3 杆身横截面和接头横截面图Fig.3 Cross section of shaft and joint

为有效加大杆身及接头连接强度，延长使用周期，在杆身外沿圆周均匀对称焊接6根14 mm直径的圆钢，在接头外部采用15 mm厚钢板焊接加固，加固后的尺寸见图 4，加强后杆身及接头参数见表2。

表2 加强后杆身及接头参数Table 2 Parameters of rod and joint after strengthen

图4 杆身横截面和接头横截面图Fig.4 Shaft cross section and joint cross section drawing

杆身截面面积增大5%，接头截面积增大63%，杆身截面惯性矩增大 93%，接头惯性矩增大87%。

杆身外圆钢在提升钻杆过程中还可有效减小与土体的接触面积，降低杆身侧摩阻力。

2.3 “接长钻杆”实现超深成桩

这里以地面至地面下50 m为灌浆带进行成孔分析：

（a）桩位放样→（b）在工作孔（A孔位）一旁的B孔位处顺时针钻进至24 m深（形成24 m长的二期杆）→（c）打开钻杆接头，然后移动机器至A孔位，检查、调整钻机水平→（d）再接长26 m长钻杆及钻头（形成26 m长的一期杆）→（e）顺时针下钻一期杆→（f）拆除一期杆，移动机器至B处，连接并拔出二期杆→（g）机器复位至A处，连接已下钻的一期杆→（h）继续顺时针下钻至50 m深→（i）打开高压注浆泵，逆时针提钻的同时喷水泥浆至−26 m处→（j）顺时针重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度50 m→（k）关闭高压注浆泵，逆时针提钻至−25.5 m处（超提50 cm）打开接头→（l）移动机器至B孔位处下钻二期杆，并拆除二期杆→（m）机器复位至 A处并连接一期杆，喷浆下钻50 cm复喷保证成桩连续性→（n）逆时针喷浆提至地面高程→（o）顺时针重复喷浆下钻至−26 m处→（p）关闭高压注浆泵并逆时针提钻至地表，成桩结束，施工下一根桩。具体施工过程还可见图5。

图5 深搅桩接长钻杆图（前视）Fig.5 Extension of drill rod for deep mixing pile

2.4 分阶段灌浆

水泥浆混合软黏土搅拌后开始硬化的时间一般认为在2～3 h，以50 m深桩为例，自开始灌浆至完成搅拌，其时间往往在3 h以上。采用两阶段灌浆，每阶段时间均控制在1.5 h以内，它把灌浆带分为上下两部分，单独喷浆搅拌，两次“倒V”灌浆示意图见图6。

图6 深搅桩两阶段灌浆图Fig.6 Two-stage grouting diagram of deep mixing pile

3 质量控制

（1）严格检查杆身及接头磨损情况，尤其是一期杆与二期杆之间的接头，保证钻杆钻进速度不大于0.6 m/min。

（2）第一阶段灌浆完成，在k步使钻头向上超提50 cm，第二阶段灌浆时再涵盖该50 cm范围；即便拆除接头耗时过长，也不影响第一阶段灌浆形成的水泥土硬化效果。

（3）第一阶段灌浆范围必须是二期杆长度（−50～−26 m），接着是一期杆长度范围（−26～0 m）灌浆，且灌浆要连续进行，确保在2 h内完成各阶段灌浆。

（4）第一阶段灌浆完毕后，冲洗钻杆后再拆除二期杆，确保二期杆内无残余水泥浆。

（5）制浆站故障导致的漏灌段，要及时搅拌补浆。

4 社会经济效益、推广应用前景

相对于传统搅拌桩施工，配合大功率动力头，采用“接长钻杆”、加固杆身及接头强度，可大大提高成桩效率，单位平面面积单桩的置换率得到大幅度提高，以新加坡地铁T302项目为例：

双轴搭接300 mm不变情况下，双轴成桩截面面积对比见图7。

图7 各种直径双轴搅拌桩截面积Fig.7 Cross-sectional area of biaxial mixing pile with various diameter

可见，1.5 m直径双轴截面积比1.2 m的增大1.6倍，比1.0 m直径的增大2.3倍，相同平面处理面积下，采用1.5 m直径桩可大大提高施工速度，成桩深度也达到了52 m。

5 结 论

本文通过新加坡地铁 T302项目地基处理工程的过程实施，确定了“四搅两喷”工艺在软黏土层中的适用性；在已有的机械设备基础上改进换装动力头，搅拌成桩直径增大到1.5 m，大大提高了单机单桩处理方量，减少了施工成本的投入；接长钻杆工艺，结合两阶段灌浆，可确保超深搅拌处理深厚软黏土层；由此可见超深大直径双轴深搅施工在技术上是有效可行的，在滨海软黏土地基处理中可以推广，尤其是在大直径超深地基处理领域应用前景广阔。