水下混凝土灌注桩空桩段泥浆固化处理技术

胡联锐

（中南勘察基础工程有限公司，湖北 武汉 430040）

1 概述

自凝灰浆、固化灰浆技术是在塑性混凝土墙的基础上发展起来的，多用于水利工程防渗墙施工，特别是在临时围堰防渗施工中，以其实施性强、经济性高、可靠性强、环保、施工便捷，在水利工程中应用极其广泛［1］。

在水利工程防渗墙施工中，根据项目实际状况，先进行防渗墙槽段划分，再进行布孔，采用成孔设备造孔，成孔后对孔内泥浆进行置换，并清除孔内残渣及泥皮，先向孔内吹气，再向孔内投固化料，同时气动搅拌，形成防渗墙。该技术对孔内泥浆固化所形成的防渗墙体的强度可达到0．5 MPa 以上，其固化体渗透系数可达到10－5cm/s ～10－7cm/s。

自凝灰浆和固化灰浆都是以护壁泥浆为基本浆材，在泥浆中加入水泥等固化材料后凝固而成防渗墙墙体。所不同的是，自凝灰浆在制浆时就加入了固化材料和缓凝剂，在造孔挖槽时起护壁作用，在造孔结束后的一定时间内自行凝固成墙； 而固化灰浆是在单槽造孔结束后才在护壁泥浆中加入固化材料［2］。为了不影响造孔，对自凝灰浆的稠度有所限制，因此其密度和强度也相对较小。自凝灰浆和固化灰浆均具有水泥土的性质。

2 工程概况

武汉某边坡加固工程的支护桩采用水下混凝土灌注桩，设计采用直径1 000 mm 后压浆钻孔灌注桩，设计桩顶标高－20．000 m ～－27．500 m，成孔深度65 m ～70 m，采用大动力旋挖钻机施工。为确保钻机施工及行走安全，对场区地表铺设30 cm 厚的混凝土进行硬化。地面硬化后，空桩段深度约为19 m ～27 m，扣除2 m ～3 m 的混凝土超灌高度后，实际空桩段长度仍达17 m ～25 m。

桩位平面图中，设计基桩中心距离为3．0 m，理论净间距仅2． 0 m。单根工程桩成桩后，桩位孔内仍有17 m ～25 m 深的残余泥浆，泥浆在较长时间静滞后，逐步渗透至周围土体，使土体软化，进而造成孔壁坍塌，随着坍塌范围的扩大，影响相邻未施工的桩成孔；如相邻桩已施工，则导致相邻孔位处形成串通，混凝土路面下出现空洞而形成裂缝，严重影响旋挖钻机施工及行走安全［3］。

在混凝土路面出现裂缝后，项目现场即停止在该部位的施工，对出现坍塌的孔位采取回填黏性土和细砂，但由于空孔段较深、成桩后孔内残余泥浆较浓，黏性土和砂回填后不能下沉至17 m ～25 m 深的孔底，加上孔内有后压浆注浆管、声波透射管、钻芯取样管、地热管及桩身检测等数据导线，用桩基施工完后的渣土或杂填土回填不能满足施工要求，必须进行固化处理［4］。

3 回填处理方案比选

3．1 空桩段地层土质较差

在空桩段影响深度范围内，自上而下分布有素填土、软塑～可塑黏性土、3 m ～9 m 厚软塑～可塑淤泥质黏土和粉质黏土、粉砂、粉砂互层土，且成桩后孔内有残余泥浆，旋挖钻机在施工及行走过程中使土体产生变形和沉降，造成孔壁失稳，进而引发地表塌陷； 此外由于孔壁坍塌，易将后压浆注浆管、声波透射检测管折断，影响后压浆施工和桩基检测。

3．2 空桩泥浆加固方案比选

根据以上情况，项目本着安全、经济、可行的原则，结合现场实际作业情况，寻求解决方案，并从处理方案的可行性、经济性、施工便捷性等方面综合考虑对比，能迅速有效地解决空桩段的塌孔问题［5－6］。

泥浆处理方案应考虑以下因素：

1） 处理措施及时有效，能有效防范现场安全风险，能防止坍孔。

2） 处理措施不能影响现场桩基施工。

3） 处理方案不能对空桩孔内的后压浆注浆管、声波透射管及其他检测元件、地缘热泵管等造成破坏。

4） 处理后的泥浆不能影响后续基坑开挖，不增加后期处理难度，不增加较大的处理代价。

根据以上要求，现场对几种方案进行了比选。

方案一：黏性土、黄砂回填方案。

该方案其优势较为明显，可就地、就近取材，造价成本较低，施工操作简单便捷。但该方案的劣势极为明显，其一，由于孔内有残余泥浆，经一段时间沉淀后，桩位孔底部泥浆密度较大，黏性土在泥浆浮力作用下，不能完全回填到孔底，导致回填不密实。如需回填密实，需把泥浆抽除出场外，但由于泥浆较浓，且深度较大，实施困难，且在抽排泥浆过程中，易引发再次坍孔风险，进而引发次生灾害； 其二，回填时，极易对压浆管、声测管等造成损坏。

方案二：注水泥浆固化。

该方案是套用灌注桩后压浆的方法。其优势是：1） 固化效果明显；2） 操作简单便捷，对桩基施工影响较小；3） 费用相对较低。

但其劣势也较为明显：

1） 固化后泥浆与水泥浆混合固化物抗压强度较高，影响后续地缘热泵管、检测数据线的剥离，且检测数据线的成活率不高；2） 影响后续土方开挖；3） 溢出的泥浆需外排，增加成本且不环保；4） 后续剥离地热管、检测数据线的人工成本高、时间长。

方案三：采用C10 混凝土对孔内泥浆充填置换。

该方案优势明显：简单易操作，固化效果直接、迅速、明显。

其劣势与方案二类似，且成本更高，影响现场桩基施工。

方案四：自凝固化灰浆。

该方案的优势是施工操作简单、便捷，固化较为迅速，无需外排泥浆，施工环保，成本相对较低，泥浆固化后的固化物强度不高，类似于水泥土搅拌桩，不会对地热管、数据线等造成破坏，对后续施工产生的影响较小。

但该方案也有劣势：对桩基施工同步交叉进行，相互之间有一定影响。

综合以上方案对比，采用固化灰浆方式方案从技术、经济、安全等方面均优于其他方案，能满足施工要求。

4 工艺流程及操作要求

4．1 工艺原理

固化灰浆施工工艺源自防渗墙施工技术，是膨润土或黏性土、水泥、砂、粉煤灰、水玻璃等材料通过一定配比混合而成，混合方式采用气动搅拌或机械搅拌方式。

泥浆中掺入固化料后，即开始产生水化反应，但其与纯水泥浆所产生的水化反应慢。水化过程中，水泥各成分开始水化，水泥与膨润土、孔内黏性土颗粒周围有凝胶体，随着时间的延长，胶凝态水化物与小颗状水化物也增加，并充填于固化结合体中的孔隙中，形成固化灰浆的骨架结构，从而达到固化孔内泥浆的目的。

4．2 影响固化物效果的主要因素

根据自凝固化灰浆的工艺原理，项目现场进行了配合比设计，并反复试验，通过室内试验，最终确定了固化掺量配合比及施工工艺参数。

室内试验结果表明，桩位孔内泥浆的浓度、水泥用量、水玻璃的掺量和搅拌时间对固化效果都有较大关系，且不同的掺量，对固化物的强度也产生直接影响。

按配合比向空孔内投入水泥、砂，并注入水玻璃等，同时通过插入孔底的空压机风管吹动孔内泥浆翻滚，以起到气动搅拌的作用。孔内灰浆在搅拌后3 h ～5 h 内达到固化的效果，进而对周边土体起到稳固的作用，防止塌孔现象的发生［7］。

4．3 工艺流程

工艺流程见图1。

图1 工艺流程

4．4 施工工艺

4．4．1施工准备1） 技术准备。

在进行固化灰浆处理前进行了室内配合比试验，确定固化灰浆各类材料用量参数。水泥宜采用早期强度较高的P．O42．5 级硅酸盐水泥。

2） 生产准备。

a． 施工机具： 空压机、风管、电动提升支架等。风管管径宜不少于25 mm，底部加装长度为0．5 m 的水平“工”字形钢管，“工”字形钢管侧壁应预留气孔。

b．材料准备：水玻璃、中粗砂、水泥等。

4．4．2施工工艺过程

1） 在工程桩身混凝土浇筑完毕之后即可进行。

2） 测量孔内泥浆深度，据此计算泥浆量。根据泥浆计算方量，计算出所需各类固化料的理论用量。

3） 先在桩位孔上方安装气动风管工作支架，再将风管安放至孔底，开启空压机，向桩位孔内吹气，空压机的风压不应小于孔底最大泥浆柱压力的1．5 倍。

4） 气动搅拌30 min 后，向孔内加入设计用量2/3 水玻璃，再将预拌后水泥、砂投入孔内，并保持吹气。

5） 加料结束后，再加入剩余1/3 的水玻璃，再继续用风搅拌30 min，灰浆固化施工完毕，作业完成，进行下一孔位施工。

5 施工注意事项

5．1 风管安放

1） 支护桩混凝土浇筑完成后，由于孔内泥浆密度较大，风管可能安放不到位，此时可加适量配重，确保风管底部下沉至孔底。

2） 风管底端为“工”字形，为确保底管不受孔内压浆、声波透射管、钻芯取样管等影响，可适当调整底管的大小，或调整为“十”字形或“丁”字形。

3） 送风深度：风管采用人工投放，沿孔壁边而下，易受压浆管、声测管等因素限制，大部分不能放置于孔底，造成干料未搅拌均匀即沉至风管下方。可采用吊具，将风管置于孔口中心点，并上下活动，直至孔底。

5．2 材料用量控制

由于各桩位桩顶设计标高不一、桩身混凝土超灌高度不一，在投料前应测量空孔深度，并计算材料用量。

材料用量控制，首先是保证泥浆固化效果，同时也是为了确保泥浆固化后固化物强度不超过预期设计值，防止影响后续施工。

5．3 风管清洗

气动搅拌过程中，应观察送风压力及孔内拌合物翻滚状况，防止气管堵塞。一旦堵塞，应及时将风管提出孔内进行清洗； 每施工完一根桩，应对风管进行清洗，确保气动搅拌效果。

6 结论

武汉某边坡加固工程的支护桩采用水下混凝土灌注桩，本文介绍了空桩段回填处理方案比选、工艺流程、操作要求及施工注意事项等，得出以下结论：

1） 本项目通过采用固化灰浆技术，有效遏制了塌孔现象的发生，确保了灌注桩施工正常进行。泥浆经固化灰浆处理后，再进行后压浆施工及声波透射检测。

2） 基坑开挖后，泥浆固化物单轴抗压强度经检测，均值在0．5 MPa ～0．8 MPa，达到了预期效果。

3） 本项目固化灰浆施工技术，为同类工程提供了经验借鉴。