三軸攪拌樁入巖施工技術(shù)

王義軍（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052）

三軸攪拌樁入巖施工技術(shù)

王義軍
（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052）

摘要：某地鐵深基坑工程，工程主體分布于富水上軟下硬的復雜地質(zhì)條件，設計選用三軸攪拌樁作為止水帷幕并要求三軸攪拌樁進入風化巖層，隔斷基坑內(nèi)外的透水層，攪拌樁如何進入風化巖是一個值得研究的技術(shù)難題。通過對三軸攪拌樁的機械選型、設計三軸攪拌樁鉆頭的結(jié)構(gòu)形式、適用此地質(zhì)條件下的施工參數(shù)等方面進行詳細研究，實現(xiàn)三軸攪拌樁止水帷幕在泥質(zhì)粉砂巖中的成功施工，達到徹底隔斷透水層的目的。主要研究結(jié)論如下：1）富水上軟下硬復雜地質(zhì)條件下可以選用三軸攪拌樁作為止水帷幕；2）三軸攪拌樁入巖后，在類似地質(zhì)條件下可選用鉆孔樁＋三軸攪拌樁代替地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)體系，以節(jié)約投資。

關(guān)鍵詞：地鐵；深基坑；三軸攪拌樁；設備選型；鉆頭設計；風化巖層；施工參數(shù)

0　引言

三軸攪拌樁施工工藝具有施工速度快、造價低的特點，在國內(nèi)地下工程的基坑圍護結(jié)構(gòu)中應用較為廣泛，多應用于軟土地層條件的施工［1－2］。目前國內(nèi)外在富水上軟下硬的復合地質(zhì)條件下，大都采用了地下連續(xù)墻的圍護體系設計［3］。通過分析對比，地下連續(xù)墻的圍護體系比鉆孔樁＋三軸攪拌樁的圍護體系工程造價相對高出很多，對比情況見表1。

由于三軸攪拌樁在軟土地層中的加固及相對較淺基坑中的應用工藝成熟，而近年對三軸攪拌樁工藝研究的相關(guān)文獻相對較少。目前研究方向大都在質(zhì)量控制、施工參數(shù)、復雜周邊環(huán)境的工藝優(yōu)化及在有一定強度的地層中單孔引孔后的施工技術(shù)等方面，而三軸攪拌樁在有一定強度的富水地質(zhì)條件下依靠自身設備的機能在深基坑圍護結(jié)構(gòu)中應用的相關(guān)研究則較少。

本文在《三軸攪拌樁施工及質(zhì)量控制》［4］、《無錫蘇寧廣場三軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)》［5］、《緊鄰地鐵隧道的三軸攪拌樁施工參數(shù)選擇與應用》［6］、《三軸攪拌樁在風化巖層地區(qū)深基坑施工中的應用》［7］的研究基礎上，主要研究在上軟（上部為超厚砂層）下硬（有

一定強度的風化巖層，強度約在20 MPa以下）地層中依靠自身設備機能及優(yōu)化鉆頭設計等實現(xiàn)攪拌樁入巖施工技術(shù)，不需要借助任何引孔機械設備，使三軸攪拌樁在富水上軟下硬的復雜地質(zhì)條件的深基坑圍護體系中得以應用，突破三軸攪拌樁機械自身只能在軟土地層中施工的局限性，拓寬三軸攪拌樁的適用性。

表1　圍護結(jié)構(gòu)形式對比表Table 1 Comparison and contrast among different retaining structures

三軸攪拌樁實現(xiàn)入巖后可以隔斷透水地層、封閉基坑，切斷外部水源對基坑內(nèi)的補給，為基坑開挖施工及降水創(chuàng)造了非常好的施工條件，大大降低了基坑施工的安全風險。三軸攪拌樁實現(xiàn)入巖后與鉆孔樁形成完整的圍護體系可以應用于復雜地質(zhì)條件下的深基坑施工，與常規(guī)設計的地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁的圍護結(jié)構(gòu)相比，節(jié)約了大量的投資。

綜上所述，對三軸攪拌樁的入巖施工技術(shù)、在此復雜地質(zhì)條件下的適應性參數(shù)等研究有著重要的價值和意義。

1　工程水文及地質(zhì)條件

某地鐵工程的深基坑工程，根據(jù)地下水含水空間介質(zhì)和水理、水動力特征及賦存條件，擬建工程場地按地下水類型可分為上層滯水、松散巖類孔隙水和紅色碎屑巖類裂隙孔隙水3種類型。場地地層由人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層和第三系新余群基巖組成。按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為①2素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉砂、②2－1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②4中砂、②5粗砂、②6礫砂及⑤泥質(zhì)粉砂巖。地層特性及特征見表2，地質(zhì)剖面圖見圖1。

表2　地層特性及特征表Table 2 Features and characteristics of different strata

基坑上部處在富水砂層中，下部為具有一定強度的泥質(zhì)粉砂巖，其圍護結(jié)構(gòu)設計要求三軸攪拌樁要進入泥質(zhì)粉砂巖層，完全隔斷上部滲透性很強的砂層，從而確保基坑開挖過程中的施工安全。

本文重點對三軸攪拌樁的入巖技術(shù)進行研究，實現(xiàn)三軸攪拌樁在風化巖層中的施工，將內(nèi)外聯(lián)通的水系隔斷，僅實行基坑內(nèi)降水即可實現(xiàn)預期的目標。本工程通過專家論證和各種檢測、試驗及分析，采取一系列的措施解決了三軸攪拌樁入巖的問題。

2　施工技術(shù)

2.1機械選型

結(jié)合現(xiàn)場的實際情況及地質(zhì)條件綜合對比分析，共計進場2臺三軸攪拌樁機，一臺鉆機選用國產(chǎn)鉆機PAS－120VAR，另一臺鉆機選用日本進口的DH－608型三軸攪拌樁機。2種設備施工參數(shù)統(tǒng)計對比見表3。

2臺設備在同時鉆進前，根據(jù)地質(zhì)勘查報告選用

同一個地質(zhì)勘查孔處的相同地質(zhì)條件，鉆進過程中分別記錄了在砂層及巖層中的鉆進速度、水泥摻量、水灰比、設備分別進入不同地質(zhì)條件時的機況及動力情況等。經(jīng)過對比分析國產(chǎn)設備由于動力頭功率相對偏低，在進入強風化巖層后就已無法掘進，且對比鉆進速度及水泥摻量等情況，均比進口設備性能差。綜合對比分析，選定采用可實現(xiàn)鉆進巖層的日本進口DH－608型三軸攪拌樁機。

圖1　地質(zhì)縱剖面圖Fig.1 Geological profile

表3　2種設備施工參數(shù)統(tǒng)計對比表Table 3 Working parameters of two types of machines

2.2鉆頭改進及增加措施

本工程地質(zhì)條件較為復雜，超厚砂層，且攪拌樁需要插入中風化泥質(zhì)粉砂巖層20～50 cm，以達到徹底隔斷透水層的目的。通過設備比選，雖然選用了性能更優(yōu)的DH－608型樁機，但在中風化泥質(zhì)粉砂巖中依然無法實現(xiàn)掘進，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況及專題方案討論，需要采取其他措施。

在鉆進成孔時，根據(jù)現(xiàn)場試樁統(tǒng)計，在砂層中鉆進速度約為0.6 m／min，強風化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進速度約為0.025 m／min，中風化泥質(zhì)粉砂巖層幾乎難以鉆進，提升速度為1.5 m／min，其中在鉆進至強風化泥質(zhì)粉砂巖層時（大約19.3 m），鉆機鉆桿已調(diào)至最大扭矩。遇強風化泥質(zhì)粉砂巖層受阻力較大，有時會發(fā)生卡住鉆頭，中間氣壓管堵塞，鉆機電流瞬間增大的情況，超出了變壓器的額定電流的設置參數(shù)，發(fā)生過跳閘斷電的情況。

通過對現(xiàn)場的觀察及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，三軸攪拌樁機入中風化泥質(zhì)粉砂巖層基本無法鉆進。為了改善鉆頭在泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進效果，通過專家分析論證與不斷試驗，比較經(jīng)濟可行的方案是對三軸攪拌樁機的鉆頭形式進行改進，將原來葉片咬合式的鉆頭設計成螺旋式的鋸齒鉆頭，配置3套鉆頭，并在鉆頭側(cè)翼加焊合金鋼。更換鉆頭后提高了在強風化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進速度，在中風化泥質(zhì)粉砂巖實現(xiàn)了一定的進尺。鉆頭前后形式對比情況見圖2和圖3。

圖2中包括鉆桿，至少3個等長的斜臂均勻分布圍繞并垂直固定在鉆桿上，每個斜臂至少固定3個鑲嵌合金刀片的刀架，均勻分布的斜臂形成傘骨狀倒錐體，錐體頂部設有鑲嵌合金刀片的定心刀架。

2.3鉆進工藝

主體基坑的圍護結(jié)構(gòu)采用850＠600三軸攪拌樁止水帷幕［8］。三軸攪拌樁試樁分別采用跳打（套打1根攪拌樁）和順序連接2種連接方式施工，根據(jù)取芯進行效果對比，分析墻體的連續(xù)性和接頭的施工質(zhì)量，從而達到止水的效果。施工工藝見圖4和圖5。

根據(jù)開挖后2種連接方式的實際效果，總體對比采用跳打方式連接的止水性和連接性相對較好。

圖2　三軸鉆頭改進設計圖Fig.2 Optimized design of triaxial bit

圖3　三軸鉆頭改進前后對比Fig.3 Triaxial bit before and after optimization

圖4　三軸攪拌樁跳打施工工藝圖Fig.4 Alternative installation of threeaxis mixing piles

圖5　三軸攪拌樁順序施工工藝圖Fig.5 Installation sequence of threeaxis mixing piles

2.4施工技術(shù)及參數(shù)

采用更改后的鉆頭進行鉆進施工時，根據(jù)取出的芯段（見圖6）可以觀察到，在進入強、中風化泥質(zhì)粉砂巖層時不能完全將泥質(zhì)粉砂巖石破碎（經(jīng)過分析主要原因是鉆頭相互之間不形成咬合，鉆頭重心向下，不能一次性或短時間內(nèi)完全攪碎泥巖），所以在鉆機進入泥質(zhì)粉砂巖層后要不斷上下重復攪拌，將碎塊充分磨碎，使夾裹的泥塊與水泥漿液充分溶合，從而解決此問題。

圖6　取芯芯樣圖Fig.6 Picture of cores

鉆頭改進后，對具有不同地質(zhì)情況的攪拌樁（W－223、W－184）及1幅套打樁（W－202）進行了試驗與分析。圖7和圖8分別為W－223號攪拌樁鉆進曲線圖和提升曲線圖，該根樁的水泥用量為16 000 kg，平均水泥摻量為29%，水灰質(zhì)量比為1.5∶1，砂層鉆進速度為0.483 m／min（用時40 min，鉆進19.3 m），強風化鉆進速度為0.041 4 m／min（用時29 min，鉆進

1.2 m）。改進鉆頭后攪拌樁在巖層中提升速度為1.7 m／min，總的成樁時間為81 min。

圖7　W－223號攪拌樁鉆進曲線圖Fig.7 Curve of drilling depth：W223 mixing pile

圖8　W－223號攪拌樁提升曲線圖Fig.8 Curves of hoisting height：W223 mixing pile

圖9和圖10分別為W－184號攪拌樁鉆進曲線圖和提升曲線圖。在該樁的施工過程中水泥用量為15 200 kg，平均水泥摻量為27.5%，水灰質(zhì)量比為1.5∶1。由圖9可知，砂層鉆進速度為0.625 m／min（用時32 min，鉆進20 m），強風化鉆進速度為0.020 5 m／min（用時22 min，鉆進0.45 m），中風化鉆進速度為0.005 m／min（用時10 min，鉆進0.05 m）。由圖10可知，該樁提升速度為1.46 m／min，總的成樁時間為78 min。

圖9　W－184號攪拌樁鉆進曲線圖Fig.9 Curve of drilling depth：W184 mixing pile

W－202號攪拌樁為套打樁，圖11和圖12分別為W－202號攪拌樁鉆進曲線圖和提升曲線圖。由此可以發(fā)現(xiàn)，與前面2根試樁的試驗結(jié)果有所區(qū)別。在該樁的施工過程中水泥用量為11 600 kg，水泥摻量為21%，水灰質(zhì)量比為1.5∶1。由圖11可知，砂層鉆進速度為1.98 m／min（用時10 min，鉆進19.8 m），強風化鉆進速度為0.05 m／min（用時14 min，鉆進0.7 m）。由圖12可知，該樁提升速度為2.05 m／min，總的成樁時間僅為40 min，套打樁的成樁時間大大縮短。

圖10　W－184號攪拌樁提升曲線圖Fig.10 Curve of drilling depth：W184 mixing pile

圖11　W－202號攪拌樁鉆進曲線圖Fig.11 Curve of drilling depth：W202 mixing pile

圖12　W－202號攪拌樁提升曲線圖Fig.12 Curve of hoisting height：W202 mixing pile

通過分析攪拌樁（W－223，W－184）及1幅套打樁（W－202）的現(xiàn)場試樁統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在砂層中鉆進速度約為0.7 m／min，在強風化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進速度約為0.036 m／min，在中風化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進速度約為0.005 m／min，提升速度為1.65 m／min，鉆進效率有所提高，而且鉆進過程中對鉆頭的損壞程度也有所減小。

綜合以上數(shù)據(jù)及相關(guān)資料進行統(tǒng)計分析，基本確定在此地質(zhì)條件下的一般適應施工參數(shù)，具體見表4。

注漿壓力控制在1.0～2.5 MPa，注漿壓力要保證水泥和砂能夠充分攪拌。根據(jù)設計深度，鉆機在鉆孔和提升全過程中，保持螺桿勻速轉(zhuǎn)動，勻速下鉆，勻速提升，同時根據(jù)下鉆和提升2種不同的速

度，并采取高壓噴氣在孔內(nèi)使水泥、砂和泥巖等翻攪拌和，在樁底入巖部分應適當延長攪拌注漿時間，巖層中需重復攪拌注漿，保證整樁攪拌充分、均勻，確保成樁質(zhì)量。

表4　攪拌樁施工參數(shù)統(tǒng)計表Table 4 Construction parameters of mixing piles

2.5施工效果

根據(jù)開挖情況觀察，基坑內(nèi)側(cè)樁間止水效果非常好，部分樁間有少量濕漬，無明水流。基坑內(nèi)降水效果明顯，基坑外側(cè)水系向基坑內(nèi)補給量很少，基坑內(nèi)降排水量約為理論計算抽排量的1.3倍。根據(jù)現(xiàn)場的取芯試驗檢測，攪拌樁28 d無側(cè)限抗壓強度達到近6～8 MPa，抗?jié)B效果達到10－6cm／s，芯樣密實、完整（芯樣照片如圖6所示）。

3　結(jié)論與建議

1）本文研究的重點是三軸攪拌樁依靠自身的機械性能需要鉆進有一定強度（強度約在20 MPa以下）的巖層，這在三軸攪拌樁的施工中是極其少見的。首先需根據(jù)實際情況選用大功率鉆機施工；其次通過改進鉆頭結(jié)構(gòu)（采用螺旋式的合金鉆頭）實現(xiàn)了三軸攪拌樁入風化巖層的目標，當攪拌樁從礫砂層中攪拌鉆進至泥質(zhì)粉砂巖層中時，要反復上下重復攪拌4～5次，使碎塊被充分磨碎，解決鉆頭改進后樁中夾泥的問題。經(jīng)過現(xiàn)場一系列的試驗及參數(shù)調(diào)整，解決了三軸攪拌樁入巖的技術(shù)問題，為以后類似情況的施工提供了一定的借鑒與參考。

2）針對三軸攪拌樁入巖的工藝，文獻［7］主要敘述了三軸攪拌樁通過單孔引孔等措施實現(xiàn)低強度地層的入巖，本文則詳細介紹了三軸攪拌樁實現(xiàn)入巖是依靠自身設備的性能及鉆頭的優(yōu)化等技術(shù)研究，不需要單孔引孔等措施，節(jié)約了引孔費用。

3）本文的相關(guān)技術(shù)已在后續(xù)的地鐵工程中實施，采用此入巖技術(shù)與鉆孔樁相結(jié)合的圍護結(jié)構(gòu)體系，而未采用造價相對較高的地下連續(xù)墻的圍護體系，節(jié)約投資近600萬元，經(jīng)濟效益顯著。

4）本文的研究僅解決了攪拌樁在風化巖層（巖石強度在20 MPa以下）入巖的技術(shù)問題，若要實現(xiàn)硬巖段入巖施工則需要進行更深入的研究。同時，如果能采取措施在基坑開挖前檢測到攪拌樁的止水效果，對深基坑的施工將會具有更大的參考價值。

參考文獻（References）：

［1］ 范永芳.水泥攪拌樁在高速公路軟土地基處理中的應用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005（11）：282－283.（FAN Yongfang.Application of the cement mixing pile in the treatment of the soft foundation of the superhighway［J］.Scitech Information Development and Economy，2005（11）：282－283.（in Chinese））

［2］ 陳武志，郭馮杰.三軸水泥攪拌樁在軟土地基中的應用［J］.中國建設信息，2010（17）：82－85.（CHEN Wuzhi，GUO Fengjie.Application of three axis of cement mixing pile in soft soil foundation［J］.China Construction Information，2010（17）：82－85.（in Chinese））

［3］ 楊黨校，詹浩偉.復雜地質(zhì)條件下地下連續(xù)墻施工技術(shù)［J］.鐵道標準設計，2009（6）：95－99.（YANG Dangxiao，ZHAN Haowei.Technology for construction of underground continuous wall in complicated geological conditions［J］.Railway Standard Design，2009（6）：95－99.（in Chinese））

［4］ 周龍偉，孫虎.三軸攪拌樁施工及質(zhì)量控制［J］.黑龍江科技信息，2011（25）：287，39.（ZHOU Longwei，SUN Hu.Three shaft stirring pile construction and quality control［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2011 （25）：287，39.（in Chinese））

［5］ 盧庶，李公璞，曹光，等.無錫蘇寧廣場三軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2010（1）：74－77.（LU Shu，LI Gongpu，CAO Guang，et al.Application of triaxial cementsoil mixing piles in Wuxi Suning plaza［J］.Construction Technology，2010（1）：74－77.（in Chinese））

［6］ 文新倫.緊鄰地鐵隧道的三軸攪拌樁施工參數(shù)選擇與應用［J］.建筑施工，2010（4）：316－318.（WEN Xinlun.Selection and application of construction parameter of triaxial mixing pile close to Metro tunnel［J］.Building Construction，2010（4）：316－318.（in Chinese））

［7］ 張華.三軸攪拌樁在風化巖層地區(qū)深基坑施工中的應用［J］.廣州建筑，2014（1）：3－5.（ZHANG Hua.The application of triaxial mixing pile in foundation pit construction of weathered rock area［J］.Guangzhou Architecture，2014 （1）：3－5.（in Chinese））

［8］ 張魯，王義軍.富含地下水的巨厚砂層圍護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)［J］.隧道建設，2011，31（S2）：48－53.（ZHANG Lu，WANG Yijun.Construction technology of retaining structure in waterrich superthick sandy stratum［J］.Tunnel Construction，2011，31（S2）：48－53.（in Chinese））

Construction Technology for Threeaxis Mixing Piles

WANG Yijun
（The Third Engineering Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Shenzhen 518052，Guangdong，China）

Abstract：The deep foundation pit under study is located in waterrich composite ground consisting soft strata at the upper part and hard strata at the lower part.Threeaxis mixing piles are designed as the waterstopping curtain of the foundation pit.The threeaxis mixing piles are required to extend into the weathered rock so as to isolate the impermeable strata.Therefore，extending the threeaxis mixing piles into the weathered rock is a technical challenge to be studied.In the paper，analysis is made on the type selection of machines for the threeaxis mixing piles，a new type of drill bit is designed for the drilling machine，and construction parameters suitable for the geological conditions are studied.Conclusions drawn are as follows：1）Threeaxis mixing piles can be used as the waterstopping curtain for foundation pits located in waterrich composite ground consisting soft strata at the upper part and hard strata at the lower part；2）Because threeaxis mixing piles can be extended into weathered rock，“bored piles＋threeaxis mixing piles”may be used as retaining structures in geological conditions similar to those mentioned above to replace the diaphragm walls so as to reduce the investment.

Key words：Metro；deep foundation pit；threeaxis mixing pile；machine type selection；drill bit design；weathered rock；construction parameter

作者簡介：王義軍（1982—），男，遼寧丹東人，2005年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事市政地下工程施工工作。

收稿日期：2014－10－28；修回日期：2015－02－10

中圖分類號：U 455.3

文獻標志碼：B

文章編號：1672－741X（2015）05－0478－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.015