超深水泥土搅拌桩施工技术发展背景及应用案例

第1页超深水泥土搅拌桩施工技术水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种方法。它是利用水泥(或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。水泥土搅拌法分为深层搅拌法（以下简称湿法）和粉体喷搅法（以下简称干法）。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水量小于30％(黄土含水量小于25％)、大于70％或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。水泥加固土的室内试验表明，有些软土的加固效果较好，而有的不够理想。一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好，而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度（pH值）较低的粘性土的加固效果较差。二次世界大战后，美国首先研制出水泥土搅拌桩施工方法，即MIP（Mixingin-PlacePile）工法，该工法从不断回转的、中空轴的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆，经翼片的搅拌形成水泥土桩，桩径0.3~0.4m，长度10~12m。水泥土搅拌桩成桩速度很快，且噪音小。1953年日本清水建设株式会社从美国引入这种施工方法。1967年日本港湾技术研究所土工部参照MIP工法的特点，开始研制石灰搅拌施工机械。1974年由日本港湾技术研究所川琦钢铁厂和不动建设等厂家对石灰搅拌机械进行改造，合作开发研制成功水泥搅拌固化法(CMC)，使水泥土搅拌技术由实验阶段进入实用阶段。近年来，这项技术发展较快，此法已在瑞典、俄罗斯、美国、日本和中国得到广泛应用。在日本相继开发了多种施工方法，如：竹中工务店的深层化学搅拌法(DCM法)、清水建设株式会社的深层水泥搅拌法(DEMIC法)、东亚建设工业株式会社的深层水泥固结法(DCCM法)等。深层搅拌机械有单头到多头，一次第2页加固最大面积达9.5平方米。1990年日本大阪防水建设社研制开发了一种新的搅拌施工工艺RR工法(Rotation&RevolutionMixingTreatingSystem)。施工时，搅拌头上下、左右旋转翻滚成桩，一次成桩单元桩体直径达2米。到1995年为止，日本采用深层搅拌法加固软土的工程量已达2440万m3，成为日本软土地基加固方法中应用得最多的一种方法。1971年，日本成幸株式会社经改进，研制出多轴搅拌机，基于深层搅拌桩施工方法发展出SMW(Soil-cementMixedWall)工法，并应用于基坑围护工程，所谓SMW就是利用专门的多轴钻孔机(一般为三轴)就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，将土体(soil)和水泥(slarii)土体原位进行混合、搅拌(mixing)后在地下形成的连续墙体(wall)的简称，经充分搅拌混合后，再将H型钢或其他型材插入搅拌桩体内，形成地下连续墙体，将其直接作为挡土或止水结构。它不仅可以作为一般基坑的止水墙壁，而且可以利用于地下水坝的止水帷幕和土体的加固改良，以及做为基桩。SMW施工方法的种类可分为孔径为Ø650mm、Ø850mm、Ø1000mm等，在日本实际施工中最大搅拌深度已经达到过65m，视地质条件尚可施工至更深。这一施工方法在80年代后期传至台湾地区，90年代在泰国、马来西亚等东南亚国家和美国、法国等国家及地区被广泛应用。目前在日本SMW工法已成为基坑围护的主要施工方法，约占地下围护结构的80%。其中日本东京都地下铁12号线工程春日站长度160m，宽度17.2至19.5m，深度24.5至31.6m，基坑围护结构采用SMW工法，直径Ø600至Ø650mm，春日站地质为粘土表层，其下为砂质及砾石层，中间并夹有少数薄层粘土，SMW工法深度自35至65m，间隔每45cm插入H500×200×11×16型钢。我国在70年代末研制出第一台深层搅拌机。1980年，冶金部第五冶金建设公司和上海冶金建筑设计院合作，在宝钢金属结构车间设备基础地基加固中采用了深层搅拌法。冶金科学研究院地基所与江阴振冲机械厂共同开发了双轴深层搅拌桩机械(施工深度12～15m，以后各家生产发展到18～20m来施工搅拌桩，作为地基加固及围护结构的重力式挡墙。80年代中期，在上海地区应用深层搅拌桩日趋广泛，常用的SJB－I型深层搅拌机，成桩最大长度可达15米。80年代后期以来，深层搅拌桩除用作软基加固与承重桩外，已发展到用于基坑开挖的支护结构。目前江阴市振冲机械制造有限公司生产的SJBF37型搅拌桩机搅拌头直第3页径为2×Ø700mm最大搅拌深度为18m，SJBF45型搅拌桩机搅拌头直径为2×Ø760mm最大搅拌深度达25m。80年代第一冶金建设公司曾从日本引进一台三轴的搅拌机进行SMW工法施工。我国对SMW工法的研究和应用始于20世纪80年代后期。1988年冶金工业部建筑研究总院立题研究，并于1994年通过建设部技术鉴定。其所用的加劲材料(或称芯材)，除国外常用的H型钢外，还根据国情研制了钢筋笼和轻型角钢组合骨架等，适用于地下开挖深度为6～10m的基坑。与此同时，上海市开始研究SMW工法，并于1993年在上海静安寺“环球世界”商厦基坑在围护工程首次采用了用普通双轴搅拌桩机械，进行水泥土搅拌施工，再用振动锤将用钢板焊成的H型材打入刚施工完的搅拌桩内，这是我国采用SMW工法的第一项工程。1994年对H型钢水泥土复合结构进行了较系统的试验研究，并于1997年初将其研究成果应用于上海申海大厦，并对H型钢的回收起拔技术(包括其减摩隔离材料及起拔机械)进行了重点攻关，获得成功，从而为降低SMW工法地下墙的造价开辟了途径。另一方面，为适应工程需要，1996～1997年，武汉、上海二地先后引进了日本的三轴专用搅拌机数台。1998年研制SJB242/30×4型四轴搅拌机，获得成功。目前SMW工法主要应用于我国东南沿海地区的软土深基坑围护及地基加固中，在上海、天津、南京、杭州等地已经推广使用，并逐步向内地推广。我国SMW工法施工用多轴搅拌桩机初期全部从日本进口，制造商有日本三和机材、三和机工，主要以二手机为主，价格昂贵，设备的短缺严重制约了SMW工法在我国的推广应用。国产第一台同类钻机由北京建筑机械化研究院于1998年开发成功，经过近几年的发展国内现已有北京建研、北京三一、北京首钢泰晟、上海金泰、上海工程、浙江振中等公司生产多种规格的SMW工法用多轴搅拌桩机。国内采用三轴搅拌桩机施工的搅拌桩最大深度约33m，已不能适应现状的需求，直径更大、深度更深的搅拌桩是今后发展的趋势。随着我国基础建设和城市建设的深入发展，超深地下工程越来越多，基坑开挖深度已达到40米，地下连续墙深度已施工到65米，为了进行基坑底地基加固、盾构法隧道施工洞口土体加固以及地下连续墙接缝止水加固等也就相应带来第4页了超深土体加固的施工和应用。现在全国各大、中城市都在开展地铁建设工程，不仅是地铁工程，包括房建、水利等建设工程，今后超深地下工程会越来越多，从而带来的超深地基加固也将越来越多，以往地基加固深度一般只到30米左右的施工技术已不能满足目前和今后的需求。近年已出现了达50米深的高压旋喷桩施工技术，但其施工工艺复杂、成本高、对环境影响大，其垂直度和桩径等重要技术指标也较难保证。而水泥土搅拌法加固地基具有如下的特点：▲挡水性强、隔水性确切，同地下连续墙比较，没有接缝渗漏的问题。▲施工对周围地基的环境影响小，使用原位水泥土搅拌形成连续墙，孔壁失稳坍塌很少，可减少周围地基下沉。▲工期短，由于在原位置进行水泥土的混合搅拌，可一次性完成搅拌桩的施工，工期较其他工法短。▲工艺灵活适用范围广，可以作为围护结构、隔水帷幕、地基加固等用途。▲低振动和噪音低。▲出土较槽壁法少。▲施工成本较低。由于这些特点，水泥土搅拌桩能够适应城市大规模建设中，建筑密度高，周边条件复杂、环境保护要求高，施工工期短等工况条件，水泥土三轴搅拌桩技术已经成为越来越多的设计和承建商首选的施工工艺。为了满足不断增长的深大工程基础施工的迫切需求，研究和开发加固质量可靠、深度达到40～60的水泥土搅拌桩施工技术，不仅为深层地基加固提供的切实可行的技术手段，也具有非常广泛的应用前景。SMW工法的主要设备工艺技术原产于日本，设备需要使用自动化程度较高的桩机和体积重量都相对庞大的搅拌动力驱动装置和搅拌钻杆，这不同对于80年代开始在国内广泛施工的双轴搅拌，三轴搅拌桩设备价格昂贵，仅施工直接配置的设备购置费用就达到三百万以上，而设备的租金决定了加固成本。如果在原有三轴水泥土搅拌桩施工设备的基础上，不增加设备投入，仅通过技术开发和工艺创新，将加固深度做到40～60米，也就是通常搅拌桩加固深度的1～2倍，而且质量稳定、可靠，工艺规范成熟，将更具现实和实际应用的考虑，将具有更高第5页社会效益和经济效益，得到的性价比较高。上海某工程盾构工作井盾构洞口土体加固施工采用日本进口三轴搅拌机、接钻杆方式的完成超深Ø850三轴水泥土搅拌桩。加固范围为：盾构底部5米、盾构顶部3米，加固土体长度28.3米、加固土体宽度5.2米的土体。加固深度为36.95米。加固强度分为强加固与弱加固,强加固深度为14.9米，弱加固深度为22.05米。地基加固利用拆接钻杆技术共计完成深度为36.95米的Ø850三轴水泥土搅拌桩134幅。钻杆加接流程示意图1～3钻杆加接流程示意图4～61用搅拌桩机施工预埋孔，放入预埋钻杆。2进行水泥土搅拌桩施工。搅拌下沉钻杆，到第一组钻杆结束。3拆下钻杆接头，移动桩机到预埋钻杆位置。4连接预埋钻杆，提升预埋钻杆，移动桩机回到原桩位。5将预埋钻杆和第一组钻杆连接起来，继续搅拌下沉。6重复步骤3～5直至到达设计桩深。提升搅拌时，拆卸钻杆放回预埋孔中。第6页盾构井现场地质情况表层号土层名称一般层底埋深(M)桩深静探比贯入阻力Ps（MPa）标准贯入N值②3砂质粉土浦东7.536.95米3.799.8③1淤泥质粉质粘土11.50.67-③2粉砂13.03.2612.7④淤泥质粘土24.00.84-⑤1粘质粉土31.01.11-⑤2粉质粘土（浦东）47.03.0721⑤3粉质粘土58.02.04-⑦1-2砂质粉土56.07.7633⑦2粉砂72.015.3745地下连续墙Φ850三轴搅拌桩盾构中心线盾构井进洞口加固平面图第7页上部弱加固（水泥掺入比8％）洞口加固（水泥掺入比25％）地下连续墙Φ850三轴搅拌桩★主要施工技术参数水泥用量：上部22.05米弱加固搅拌土体重量的8％，下部14.9米强加固搅拌土体重量的25％；外掺剂：掺入水泥重量5％的膨润土；水灰比：1.8；钻进、提升速度：1.0～2.0米/分钟；三轴搅拌桩径：3×Φ850。盾构井进洞口加固剖面图第8页搅拌桩成桩施工★加接钻杆组合钻杆预制钻杆连接在项目实施过程中使用三轴搅拌机具预搅成孔,采用现场连接钻杆工艺，最大搅拌深度37.5米。加接钻杆组合表钻杆长度加接钻杆钻进深度钻杆组数起钻23.7米-20.7米1第一次拆接41.7米18米37.5米2盾构井进洞口加固检测分析表单轴抗压强度MPa单轴抗压强度MPa垂直渗透系数cm/s垂直渗透系数cm/s桩号2－62－82－62－8平均值1.621.271.12E-089.53E-09标准偏差0.430.222.88E-092.79E-09离散率27%18%26%29%第9页★质量评估结论：无侧限抗压强度试验结果表明，本次抽样样品组单轴无侧限抗压强度平均值均大于1.2Mpa。通过抽样样品的垂直渗透实验表明，本次抽样样品的渗透系数均小于10-7cm/s。搅拌桩桩体钻芯取样通过这个工程实例的实际应用和操作，证明使用从日本进口的桩机和搅拌动力设备以及钻具，结合钻杆加接技术进行超深搅拌桩施工，是完全可行的。现有的MAC-