超深三轴搅拌桩盾构进出洞加固设备选型及控制要点

摘 要：南通地铁2号线幸福镇站-南通火车站盾构区间盾构机出、进洞次数较多，粉砂层为含水层，透水性较强，土质松散，在一定的动水压力作用下易产生渗透破坏，可能导致盾构掘进面的不稳定，容易引起土体扰动，引发微承压水突涌，造成地表变形。如何有效解决深厚粉砂层中盾构机进出洞风险是本工程的重难点。本文主要分析本项目中的设备选型以及控制要点。

关键词：超深；三轴搅拌桩；盾构进出洞；砂层；加固；风险文章编号：2095-4085（2024）03-0106-03

1 工程概况

南通地铁2号线幸福镇站-南通火车站盾构区间主要下穿的土层是：③2层粉砂、③3层粉砂夹粉土、③4层粉砂，隧道上部部分为①层填土、②层砂质粉土、③1层砂质粉土夹粘质粉土。上述土层为含水层，总厚度较大，含水量较丰富，潜水主要赋存于浅部粉土、粉砂、填土层中，平均水位埋深为1.84m，承压水一般赋存于④层以下的砂土、粉土层中，水头埋深2～5m。

根据以上地质特点，设计三轴搅拌桩加固区桩长为26m，止水帷幕桩长38m，为超深三轴搅拌桩。通过在所建车站端头井使用超深三轴搅拌桩进行土体加固，且在土体加固外排再进行超深三轴搅拌桩作为整个土体加固的止水帷幕，从而阻断盾构机进出洞时的基坑外地下水、砂突涌进端头井内，大大降低了盾构机进出洞过程中的涌水、涌砂现象，从而化解深厚粉砂层中盾构机进出洞的风险［2］。

2 超深三轴搅拌桩机设备选型

2.1 桩机设备选型依据

由于该工程三轴加固深度达到38m，常规型号三轴搅拌桩机金泰BZ70型号打桩架架体总长39m，最大钻孔深度32.5m，无法达到设计深度，故在设备选型上需选择更大型号的桩机进行施工。初步选定为上工JB180全步履式三支点打桩架配备KE85-3A（2*90KV）型动力头进行试桩施工［3］。

2.2 暂定选型设备试桩结果

通过初步选定的三轴搅拌桩机打桩架及动力头进行的5根试桩施工结果来看，共有4根试桩无法正常成桩，问题如下。

（1）SZ-1：进入30～38m⑤2砂质粉土夹粉质粘土层后，钻杆钻进困难，理论试桩施工时间为111min，实际施工时间为231min。

（2）SZ-3：钻进至32m，由于⑤2砂质粉土夹粉质粘土深度较深，握裹力大，导致第一根钻杆在此处被抱死，钻杆无法继续钻进。

（3）SZ-4：进入30～38m⑤2砂质粉土夹粉质粘土层后，钻杆钻进困难，理论试桩施工时间为111min，实际施工时间为246min。

（4）SZ-5：进入30～38m⑤2砂质粉土夹粉质粘土层后，钻杆钻进困难，理论试桩施工时间为111min，实际施工时间为226min。

2.3 SZ-3试桩问题解决

进行SZ-3施工时，钻杆钻进至32m处被抱死，KE85-3A（2*90KV）型动力头无法正常工作，钻杆无法提升及下沉，由于电机连续作业，使得800KVA电机损坏。后来更换新的电机后，经过连续不断向孔内加注稀释的水泥浆、膨润土及不断加气以防止水泥固化，而后在操作过程中对动力头进行正反循环转动，动力头开始缓慢加速，同时将钻杆缓缓提起。

2.4 桩机设备改进

通过查阅该工程地勘资料，在地面以下30～38m的区域内，主要土层为⑤2砂质粉土夹粉质粘土，此处侧摩阻力平均值69.73kPa，锥尖阻力平均值4.92MPa。根据土的主要特性，为防止钻杆下放是被砂层握裹导致钻杆抱死，在施工前对超深三轴设备进行改进：（1）将螺旋式钻杆改为叶片式钻杆，减小摩阻力。（2）动力头型号增大，改为KE85-3B1型，此动力头为2*110KV，增大动力。（3）将螺旋钻头改为锥形钻头，增大钻进压强。

2.5 桩机设备确定

该标段超深三轴搅拌桩施工深达38m，在南通这种全断面粉砂地层中，由于砂层越深，握裹力越大，一般的三轴搅拌桩机在到达一定深度（一般为30m）后，无法正常钻进，容易导致桩机钻杆被砂层抱死，桩机无法正常工作，导致桩机损坏。故在桩机选型时中需慎之又慎［1］。

3 超深三轴搅拌桩加固工艺流程及施工要点

3.1 施工前，根据试桩数据确定施工参数

施工设备型号确定后，再一次进行试桩，试桩数量为5根，此次试桩目的为确定施工参数。由于本工程搅拌桩超深，下部地质砂层更为深厚，更易导致水泥浆液流失，故需降低钻进速度，控制试桩钻进速度为0.5m/min。根据试桩取芯得到的水泥土特性，决定是否采用试桩参数进行施工，当取芯结果满足设计要求时，可采用该参数来进行作业。

3.2 三轴搅拌桩各项参数确定及计算

（1）已知参数：水泥密度ρ水泥（P42.5水泥密度为3.1t/m3）、土体容重ρ土（根据南通市地质特点取1.85t/m3）、 水泥掺量C（图纸设计20%）、 水灰比r（图纸设计1.5∶1）、拌浆桶体积V桶。

（2）现场试桩确定的参数：水泥浆流量f、钻杆下沉速度S下。

（3）各参数计算：

1）W水泥=L*S桩*ρ土*C=38*1.5*1.85*20%=21.09t。式中：W水泥—单桩水泥质量（t）；L—桩长（m）；S桩—单桩投影面积（m2）。

2）V水泥浆= W水泥/（ρ水泥）+ W水*C/ρ水=21.09/3.1+21.09*1.5/1=38.43L。式中：V水泥浆—单桩使用水泥浆液量（m3）。

3）T下沉=L/S下=38/0.5=76min。式中：T下沉—桩机施工单桩下钻时间（min）；S下—钻杆下沉速度（m/min）。

4）N总=V水泥浆/V桶=38.43/1.105=35。式中：N总—单桩使用水泥浆总桶数；V水泥浆—单桩使用水泥浆液量（m3）；V桶—单拌浆桶体积（m3）。

5）N下沉=（f*T下沉）/1 000/（V水泥浆/N总）=（340*76）/1 000/（38.43/35）=24。式中：N下沉—钻杆下沉所用水泥浆桶数。

6）T提升=N提升*（V水泥浆/N总）*1 000/f=（35-24）*（38.43/35）*1 000/340=35min。式中：T提升—单桩钻杆提升时间（min）；N提升—钻杆提升所用水泥浆桶数。其中N提升=N总-N下沉。

7）S提升=L/T提升=38/35=1.08m/min。式中：S提升—单桩提升速度（m/min）。T总=T提升+T下沉=35+76=111min。

3.3 超深三轴搅拌桩水灰比控制

按设计要求及试桩数据严格控制水灰比，该工程设计为1.5∶1。在浆液内添加优质膨润土改善泥浆质量，采用42.5普通硅酸盐水泥制备水泥浆液，浆液配合比为水泥∶膨润土∶水=480kg∶15kg∶720kg。浆液制拌时间不得少于2～3min，滤浆后倒入二级拌浆桶中，继而连续地搅拌，以防止水泥离析，且注浆不可中断（按照相关设计调整）。在施工过程中随时使用泥浆三件套中的比重计进行水泥浆比重测试，以保证水灰比保持在1.5∶1。

3.4 超深三轴搅拌桩桩间搭接控制

（1）相邻两幅桩施工时间不应大于24h，若由于各种原因大于24h，需在下一根桩施工时增加20％的注浆量，同时降低提升与下钻速度。

（2）冷接头处理：若由于相隔时间过长导致两根桩无法搭接，应作为冷缝处理，在上级单位同意的情况下，利用周边补桩或高压旋喷桩进行补强，从而保证补强效果，搭接厚度约10cm（按照实际情况进行调整）。

（3）套打和施工顺序：超深三轴搅拌桩土体加固施工按下图顺序进行施工，采用跳槽式双孔全套复搅式连接，其中蓝色阴影部分为套打搭接，可保证桩体的连续性和桩与桩的搭接质量（见图1）。

单侧挤压式连接方式：对于存在转角或施工时间间隔较长的情况下采用此方法（见图2）。

3.5 超深三轴搅拌桩平面位置控制

（1）超深三轴搅拌桩为逐排施工。首先，根据现场各桩位控制点确定每排桩的起始点位，拉一根定位线，施工过程中根据此线进行桩位的控制。

（2）搅拌桩机就位后，根据标记桩位就位，每排桩确定定位控制线，根据卷尺测量控制后移距离。

（3）沿控制线方向，确定桩间的平移距离，先跳打施工两侧大幅，再施工中间小幅。

（4）施工下一根桩前，桩机通过卷尺进行位移，移动偏差控制在5cm以内，并由项目部管理人员及监理复核后，开始施工［4］。

3.6 超深三轴搅拌桩深度、标高及桩机垂直度控制

施工前根据水准基点进行标高引测，确定地面标

高及加固深度，桩机拼装时须在炮筒上标清钻头到达实桩顶部和桩底的标高位置，并严格控制钻杆提升机下沉速度及注浆流量，从而保证土体加固的深度满足要求。通过桩机上的两个正交的垂直导向装置及后安装的悬挂线锤来控制垂直度，桩机移动后要及时利用水平尺检查底盘水平情况，线锤需置于半径小于3cm的钢环内。

4 结语

通过以上设备选型及各控制要点，该工程进行超深三轴搅拌桩土体加固，在桩体施工完成28d后，利用地质钻机进行取芯和28d无侧限抗压强度试验，结果良好。

通过利用超深三轴搅拌桩盾构进出洞加固，有效避免了由于土体扰动、微承压水突涌造成的地表变形，降低了风险，确保了施工的进程。并受到各单位的广泛好评，为企业创造了良好的经济效益和社会效益，也为今后超深三轴搅拌桩加固施工提供了有效可行的施工方案。

参考文献：

［1］俞婷.三轴搅拌桩的工艺原理及监理要点［J］.山西建筑，2014，40（31）：124-125.

［2］江招胜，郭广才，黄威然.富水砂层中土压平衡盾构施工的技术措施［J］.城市轨道交通研究，2006（7）：58-60.

［3］李春涛，王吉云.水泥土加固在大型盾构出洞加固工程中的应用［C］.// 中国土木工程学会隧道与地下工程分会防排水专业委员会第十三届学术交流会论文集 中国土木工程学会，2007：67-69.

［4］李大勇，王晖，王腾.盾构机始发与到达端头土体加固分析［J］.铁道工程学报，2006（1）：87-90.