尾矿泥浆沉淀池原位就地深层全固化施工技术

郑春来

（无锡市政设计研究院有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）

0 引言

江苏南京市文靖西路跨秦淮河大桥建设工程位于南京江宁东山新市区，是文靖西路段中的一座桥梁。文靖西路桥共计13个桥墩，文靖西路桥桥墩施工前，必须对尾矿泥浆沉淀池泥浆进行有效的处理，方能进行桥梁下部结构的施工。尾矿泥浆沉淀池泥浆灰白色、流塑，泥浆厚度10～12m，泥浆全场分布，桥梁施工位于尾矿泥浆沉淀池，该沉淀池约有27630～33156m3,使用面积2763m2。尾矿泥浆沉淀池采用原位深层全固化处理，作为文靖西路桥墩的施工平台，必须满足钻孔桩机的施工作业。深淤软土原位全固化施工应根据施工荷载、软弱土的工程性质、工程要求、施工条件、环保要求与经济和社会效益等进行经济技术比较，合理确定原位固化处理方法。尾矿泥浆沉淀池原位全固化处理遵循“环境安全适用、工艺技术先进、经济成本合理、施工质量可控”的原则，做到因地制宜、就地取材、节约资源和保护环境[1]。

1 泥浆沉淀池原位深层全固化技术工艺原理

软弱淤泥土层原位就地固化处理技术是一种利用固化剂及固化材料对软弱淤泥土层进行原位搅拌，使土体达到一定强度或其他使用要求的原位土体加固技术[2]。固化材料包括固化剂、外掺剂、外加土。固化剂按照化学成份可分为无机型、有机型、复合型固三大类型。无机固化剂材料有水泥、粉煤灰、石灰等。无机固化剂适用于无特殊要求常规软弱淤泥土层的原位固化处理。固化剂可分为液体和固体粉状两大类。采用浆剂固化剂为湿法施工，采用粉剂固化剂为干法施工。无机固化剂材料可以增加土壤颗粒之间的团结凝聚作用[4-5]。

软弱土原位固化按照固化深度可分为全部固化和部分固化。全部固化是将原位的软弱土全厚度全部进行固化，部分固化是将原位的软弱土按照一定的厚度部分进行固化，达到具有一定厚度和相应承载力的人工施作的硬壳层。“原位就地深层”固化的厚度是相对于“原位就地浅层”固化的厚度而言的。原位深层全固化是通过长臂的深层强力搅拌头配置高压压浆机，在地基土层中原位将淤泥、泥浆和固化剂及固化材料搅拌均匀，利用固化剂及固化材料对软弱淤泥土层等土体原位固化，使软弱淤泥土层具有一定承载力或具备其他用途要求，从而实现软弱淤泥原位利用或达到地基处理要求。原位固化方法具有处理快速、可满足不同承载力要求等特点，目前已在围海造地、软基处理等工程中应用[3]。

原位固化可对含水量为100%甚至120%的流塑状的软弱淤泥土层进行加固。对于有机质土壤及腐殖土和酸性土壤（pH≥3以上）有着非常独特的、显著优良的固化作用，也可以将粉质及黏性等超软弱土壤固化成良好地基，相比其他的软土处理施工方法，越是不良的土壤越是发挥出淤泥软基就地固化的优越性。

2 原位固化成套系统设备

原位固化系统是由强力搅拌头、挖掘机、固化剂自动化供料系统、储料设备以及控制系统等组成的成套设备。该系统通过后台自动定量供料控制系统控制进料及输料，在和后台自动定量供料控制系统料仓内的固化剂混合后，通过安装于挖掘机上的强力搅拌头的喷粉或浆喷装置输出，在搅拌头的强力搅拌下，将输出的固化剂及固化材料与软弱淤泥土体均匀拌和，达到原位固化的目的。原位固化系统应满足适应场地能力强，可实现边推进边固化的要求。

2.1 强力搅拌头

强力搅拌头是通过挖掘机液压系统驱动强力搅拌头，实现三维立体搅拌，使固化剂与软弱土等强力均匀搅拌的专用设备。强力搅拌头结构为2个安装有搅拌叶片的搅拌头，按合理的角度对称分布在连接杆和喷嘴的两侧，保证搅拌的均匀性；横向转动，2个搅拌叶片的强力搅拌头的左右两侧的搅拌头呈110～120°夹角，最大限度减少了搅拌死角，确保了软弱淤泥土原位就地固化搅拌的均匀性。

搅拌头转速在50～120r/min，常规设备的搅拌头尺寸（平面投影尺寸：宽×高）常用的有1.6m×0.87m 和1.4m×0.8m，小型设备的为1.1m×0.6m左右。尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化施工的泥浆沉淀厚10～12m，选用搅拌头大尺寸高度1.6m×0.87m的设备。大尺寸的强力搅拌头拌和深度和平面范围大，有利于尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化搅拌的均匀性。通过浆液输送管道进入喷嘴，浆液输送管道的压力参数、与搅拌头配套的挖掘机型号、搅拌头螺旋的刀头三维转动速度、空间立体切削土和三维立体搅拌时间都要通过实际施工试验确定，才能确保固化剂及固化材料与淤泥拌和均匀。

2.2 配套长臂挖掘机

位于三维强力搅拌头内的2个液压马达由挖掘机液压系统提供动力源。挖掘机是用于提供搅拌头搅拌与移动时的动力，根据所选用的强力搅拌头本身的大小来适配挖机动力，保证搅拌头的液压驱动力和搅拌的稳定性，尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化强力搅拌头连接杆配套长 臂 挖 掘 机，配 套ZX450、SK460-8、ZX470LC-5、SK480LC-8型大功率长臂挖掘机。长臂的长度一般在16～18m，能满足深淤层软土全固化的深度范围。双轮铣型搅拌装置作业深度14～16m，施工作业效率50～80m3/h。

2.3 自动化供料及固化剂添加控制系统

强力搅拌原位固化施工方法分为干法施工和湿法施工，供料系统分为浆剂供料系统和粉剂供料系统，浆剂设备压力≥3MPa，粉剂设备压力≥0.8MPa，后台供料系统可实现多种固化剂的同时供料。原位就地固化自动定量供料系统安装于后台供料系统中，通过电脑计量系统精准控制固化剂及其固化材料的出料量与出料时间、实时显示并记录区域的用料量，保证每个搅拌区间和整个区块的固化剂及其固化材料的用量。实现了固化剂及其固化材料喷料自动化和智能化的精准控制，避免人为造成的资源浪费。固化剂配置能力5～20t/h，固化剂输送采用管道输送方式，固化剂输送距离700m。

3 尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化施工

3.1 原位深层全固化施工配合比设计原则

尾矿泥浆沉淀池原位就地深层全固化施工配合比初步设计阶段，参照以往工程施工配合比经验。应结合工程所在地原材料情况、土层土质情况、固化地基承载力要求进行配合比设计。湿法固化施工应确定水灰比，参照《公路路堤就地固化（强力搅拌法）设计与施工技术指南》，固化剂配合比基准值宜取5%～10%，湿法施工水灰比宜取0.5～0.9。水泥以浆液搅拌掺入时增加1%。固化配合比设计阶段要进行原位就地取样分析，对原位就地土样进行试验分析，测定原位就地土体含水量及其他指标。根据原位固化工程要求，通过试验室内配合比确定原位固化的各项施工技术参数，并在实际施工过程中进行现场试验，通过原位试验段搅拌验证配合比，并且进行室内配合比优化和配合比的动态设计。通过室内配合比的优化和动态设计，验证原位就地固化施工配合比的科学性和合理性，确保尾矿泥浆沉淀池原位就地深层全固化施工达到最好的效果，取得最好的施工效率和经济效益。

3.2 原位深层全固化施工配合比设计

尾矿泥浆沉淀池原位就地深层全固化施工配合比设计，主要用于大桥桥墩之间的泥浆池固化。首先取泥浆池内土样，取样时先清除约30cm表层泥浆，取下层原状土，在3个不同的地方各取10kg样品。取回样品后测得各土样天然含水率分别为61.8%、64.6%、69.5%，取其平均值65.3%。

将土样全部烘干后，用橡皮锤敲碎过5mm筛并拌和均匀备用。本配合比为天津大学生产的固化剂，采用海螺P·O42.5水泥和杭州奥昌生产的F类II级粉煤灰以及稳定剂。共设计3个配合比，分别为：4%水泥+4%粉煤灰+少量稳定剂，6%水泥+6%粉煤灰+少量稳定剂，8%水泥+8%粉煤灰+少量稳定剂。固化剂采用浆剂，水料比为1∶1，配合比各项材料用量见表1。

表1 尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化施工配合比

采用人工拌和的方式将各项材料搅拌均匀后装入立方体砂浆试模内，每个配合比成型2组试件。试件成型后放入恒温恒湿养护箱内养护，14d后各取出1组进行抗压强度试验。

3.3 固化区域划分、固化剂定量调配

尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化施工配合比固化剂为无机型。固化剂无污染、不含任何有害成份，固化剂掺量为水泥重量的3/10000。对尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化区域进行分块，区块大小一般为20～40m2，并按方便固化施工的顺序逐步按划定区域固化。根据室内试验确定的原位固化配合比，计算尾矿泥浆沉淀池原位深层全固化段落、区域面积固化剂总用量，利用固化剂自动定量供料系统，实时精确控制目标区域固化剂的用料量。在固化配合比优化和动态设计措施下，尾矿泥浆沉淀池泥浆被固化为具有满足设计承载力的固化土体。

3.4 原位深层全固化挖掘机拌和

强力搅拌原位固化处理宜采用边固化边推进的拌和方式进行。通过挖掘机液压系统驱动搅拌头，实现三维立体搅拌，保证搅拌的均匀性。挖掘机采用的是单点拌和，毎个单点拌和点设置范围约为1.5m×1.5m。根据现场条件，采用挖掘机翻拌3～5次，直至搅拌均匀。各原位固化拌和区块之间应有≥30cm的搭接宽度，避免区块之间搭接处产生漏拌。

4 尾矿泥浆沉淀池原位深层固化效果

文靖西路跨秦淮河大桥碎石清洗沉淀池，泥浆原位深层固化体经过28d养护后，根据工地现场试验检测14d无侧限抗压强度0.25～0.4MPa。尾矿泥浆池原位深层全固化处理后，作为文靖西路跨秦淮河大桥桥墩钻机施工平台，满足钻孔桩机施工作业要求。尾矿泥浆池原位深层全固化的经济性优于一般常规的、传统施工处理方式。经济成本低、施工工艺简单，原位深层全固化软弱淤泥土层的造价与其他加固软弱土层的方法相比，经济成本上具有优势，原位就地深层固化处理软弱土具有速度快、施工效率高，有极高的社会效益、经济效益、环保效益。

5 结束语

软弱土体加入固化材料和固化剂后，采用强力三维立体搅拌固化系统进行原位固化处理，使软弱淤泥土层具有一定的承载力强度或具备其它用途。常规的浅层固化是对0.8～5.0m软弱土进行原位固化处理，从而提高软弱土层地基承载力的一种浅表层处理方法。常规的浅表层原位固化技术成熟，固化后效果和质量能满足使用要求。对于5.0～12.0m泥浆原位深层全固化处理，目前还处于探索起步的试验阶段。本文为研究泥浆原位深层全固化效果和质量能否满足使用要求，通过对泥浆原位深层全固化施工进行工艺探索和工艺改进，主要从设备配置、工艺试验参数、关键操作工序、质量控制要点的管理，验证了泥浆原位深层全固化的效果和质量。该项目的实践证明，淤泥固化具有施工简单、耐久性好、质量好、节约资源、经济合理、保护环境，也为类似原位就地深层全固化提供了宝贵的经验和施工依据。