五軸水泥攪拌樁的應(yīng)用技術(shù)研究

上海市第一人民醫(yī)院 上海 200080

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海市第一人民醫(yī)院改擴(kuò)建項目，總建筑面積48 852 m2，其中地上建筑面積35 352 m2，地下建筑面積13 500 m2（地下3 層）。主樓（A樓）15 層，建筑高度61.6 m，裙房5 層，建筑高度22 m。保留建筑（B樓）4 層，建筑高度16.4 m。項目基坑面積約4 500 m2，開挖深度15.2 m，基坑設(shè)計采用逆作法施工。圍護(hù)采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻，墻長32.8 m（局部落深35.5 m），采用柔性鎖口管接頭，坑內(nèi)土體采用裙邊結(jié)合墩式高壓旋噴加固。

1.2 周邊環(huán)境

本工程場地位于上海市虹口區(qū)哈爾濱北路南側(cè)、九龍路東側(cè)。周邊環(huán)境情況較為復(fù)雜，基坑南面為武進(jìn)路，路下有管線，管線距離基坑邊最近為9.99 m，道路對面為第一人民醫(yī)院高層建筑，距基坑邊最近為門診樓，為7 層框架結(jié)構(gòu)，無樁基礎(chǔ)，距基坑邊25.46 m。

基坑西面為一優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑的消防站，距離基坑內(nèi)邊線9.39 m。

基坑?xùn)|面為九龍路，路下有管線，管線距離基坑邊最近為6.17 m，九龍路對面距離基坑邊19.38 m為河道防汛墻。

基坑北面有2 棟保留建筑。一棟為4 層框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)（條形基礎(chǔ)下設(shè)短樁及砂石墊層）；另一棟為砌體結(jié)構(gòu)，磚砌大放腳基礎(chǔ)；距基坑邊3.07 m，如圖1所示。

圖1 基坑總平面示意

1.3 地質(zhì)條件

本工程擬建場區(qū)屬于濱海平原區(qū)，主要由飽和黏性土、粉土和沙土組成，地層內(nèi)③、④層土缺失，②層黏質(zhì)粉土較厚，至地面以下20 m左右，場地內(nèi)分布大量的待拆除廢棄人防及地下障礙物。

2 地下連續(xù)墻成槽護(hù)壁的選型

因周邊保護(hù)建筑多，地質(zhì)復(fù)雜，②層黏質(zhì)粉土較厚，砂性大，障礙物多等因素，地下連續(xù)墻成槽的質(zhì)量控制難度較大，需要采取護(hù)壁措施保證地下連續(xù)墻成槽的質(zhì)量及周邊建筑的安全，地下連續(xù)墻成槽護(hù)壁可選擇采用三軸攪拌樁或五軸攪拌樁進(jìn)行施工[1,2]。

1）三軸攪拌樁。優(yōu)點：樁體整體攪拌均勻，水泥土漿液流動性好，機(jī)架采用步履式或履帶式，行走效率高，穩(wěn)定性較好。缺點：水泥摻量高、水灰比較大，單方造價高；如遇砂性地層，漿液容易離析，造成漏水現(xiàn)象；施工過程中產(chǎn)生大量置換土，無法回歸農(nóng)田，造成大量污染。

2）五軸攪拌樁（FCW-A工法）。新型的攪拌樁施工工法——高效、無置換、智能化五軸水泥土攪拌墻（FCW工法）。工法具有以下特點：

（1） 成樁全過程可視、可控，數(shù)據(jù)可存儲打印；

（2） 施工速度快，整機(jī)功效高；

（3） 施工機(jī)械自動化、智能化高；

（4） 施工機(jī)械掘進(jìn)能力強(qiáng)，有效樁長達(dá) 55 m；

（5） 環(huán)保綠色，無置換土；

（6） 成樁搭接冷縫少（單幅寬度2.7～2.8 m），降低漏水概率。

基于以上對三軸攪拌樁和五軸攪拌樁的比較，以及建筑物周圍復(fù)雜環(huán)境等方面的考慮，本著經(jīng)濟(jì)、適用的原則，本工程地下連續(xù)墻采用五軸攪拌樁成槽護(hù)壁施工。

3 主要施工技術(shù)難點

3.1 地下障礙物種類眾多，處理難度大

本工程±0.00 m相當(dāng)于絕對高程+3.60 m。本工程場地標(biāo)高相當(dāng)于絕對高程有+3.50 m、+3.70 m、+3.16 m、3.84 m等，場地內(nèi)高低處最大相差近80 cm，本工程場地待拆除區(qū)域原為上海市虹口中學(xué)，現(xiàn)上部建筑局部區(qū)域已經(jīng)拆除，場地的地表層為遺留建筑垃圾，建筑垃圾下存在基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，地下混凝土結(jié)構(gòu)較多，-4～9 m位置存在原有地基攪拌樁，該攪拌樁布置位置不清晰，對地下連續(xù)墻及五軸槽壁加固的施工影響巨大。

3.2 基坑周圍老建筑保護(hù)要求高

基坑西面為一優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑的消防站，距離基坑內(nèi)邊線9.39 m，基坑北面有保留建筑，4 層框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)（條形基礎(chǔ)下設(shè)短樁及砂石墊層），建筑另一部分為砌體結(jié)構(gòu)，磚砌大放腳基礎(chǔ)；距基坑邊3.07 m。西側(cè)和北側(cè)建筑物的保護(hù)很重要，在基坑建設(shè)過程中，必須對固有建筑物的沉降和傾斜有所控制。

3.3 基坑形狀不規(guī)則，大型機(jī)械施工空間受限

本工程基坑運用五軸攪拌樁槽壁加固，五軸攪拌樁長度固定，φ800 mm五軸攪拌樁搭接300 mm；局部采用φ700 mm五軸攪拌樁，搭接250 mm，施工機(jī)械占地面積大，五軸機(jī)側(cè)向施工最小距離為2 500 mm，正面施工最小安全距離500 mm，由于本工程形狀不規(guī)則，同時基坑又緊貼現(xiàn)有保護(hù)建筑，因此在施工現(xiàn)場拐彎處有4 處局部限制，無法形成封閉的止水帷幕，同時受限區(qū)域均位于地下連續(xù)墻的拐角處，屬地下連續(xù)墻施工時最易產(chǎn)生塌方處，需要采取一定的措施，確保地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量。

3.4 基坑場地回填土厚度大，大型機(jī)械施工安全風(fēng)險大

本工程土層為淤泥質(zhì)土，土體強(qiáng)度較小，同時由于本工程地下障礙多，障礙物清除后，填土厚度達(dá)5 m以上，五軸攪拌樁機(jī)機(jī)械重達(dá)330 t，地基耐力達(dá)到100 kN/m2以上，如回填土質(zhì)量不滿足，大型機(jī)械施工時將會有較大的安全風(fēng)險。

4 主要施工技術(shù)措施

4.1 原有攪拌樁地基處的施工處理措施

五軸攪拌樁施工處，存在部分原有地基加固的攪拌樁障礙物，如預(yù)先采用旋挖機(jī)進(jìn)行清障，一方面增加清障費用，另一方面清障后難以回填，重型機(jī)械在清障部位施工時也會造成地基土體坍陷，易引起安全質(zhì)量事故。

為達(dá)到清障及五軸施工槽壁加固一次性完成的目的，特采取以下措施：

1）五軸攪拌樁施工正常情況下一般只啟動2 個動力頭，為了增加機(jī)械動力，在存在攪拌樁障礙物處機(jī)械啟動3 個動力頭，放緩下鉆速度。

2）在五軸攪拌樁機(jī)鉆頭處加焊鎢鋼鉆頭，增強(qiáng)鉆頭強(qiáng)度，容易擊破原有攪拌樁障礙物。

3）在原有泥漿水灰比的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高水灰比，增快泥漿循環(huán)速度，有利于處理障礙物。

4.2 控制對既有保護(hù)建筑擾動的措施

五軸攪拌樁施工過程中靠近保護(hù)建筑處，為減少對土體的擾動，采用特種鉆桿取土，運用FCW-A工法，達(dá)到樁內(nèi)土壓力平衡的狀態(tài)，最大程度地降低施工對周邊土體的擾動。同時在施工過程中，同步監(jiān)測建筑物，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整五軸攪拌樁的施工速度。

4.3 五軸攪拌樁施工空間限制的措施

本工程施工現(xiàn)場放樣，五軸攪拌樁施工在基坑拐角處有4 處存在空間受限，故在相應(yīng)位置將五軸攪拌樁替換為樁徑800 mm、搭接250 mm的二重管工藝的高壓旋噴樁，旋噴樁深度同原五軸攪拌樁深度，其施工參數(shù)同坑內(nèi)加固，同時在此次地下連續(xù)墻施工時調(diào)整泥漿參數(shù)，防止地下連續(xù)墻成槽階段的坍孔。

4.4 厚回填區(qū)處理措施

為了滿足五軸攪拌機(jī)正常施工，在土方回填時采取了以下措施：

1）回填土添加5%的水泥；

2）壓路機(jī)進(jìn)行分層壓實、平整；

3）在回填區(qū)域上方鋪設(shè)走道板，擴(kuò)大施工機(jī)械的地面接觸面積；

4）大型機(jī)械施工前進(jìn)行模擬試驗，確定場地的承載能力。

5 實施過程

5.1 工法施工工藝流程

場地平整→測量放線，開溝槽→樁機(jī)就位→樁機(jī)復(fù)測→啟動自動送漿系統(tǒng)，送漿→啟動鉆機(jī)，掘進(jìn)攪拌→開啟集成計算系統(tǒng)，監(jiān)控成樁關(guān)鍵控制參數(shù)→掘進(jìn)噴漿攪拌，正轉(zhuǎn)下沉噴漿70%至設(shè)計樁底標(biāo)高→在設(shè)計樁底標(biāo)高區(qū)間進(jìn)行復(fù)攪→反轉(zhuǎn)提升噴漿30%并攪拌→一組結(jié)束，移至下一組繼續(xù)施工

5.2 測量放線的施工

根據(jù)測量成果表提供的坐標(biāo)基準(zhǔn)點，遵照圖紙制定的尺寸位置，在施工現(xiàn)場放置圍護(hù)結(jié)構(gòu)的軸線，并做好永久及臨時標(biāo)志，放樣定線后做好測量技術(shù)復(fù)核單，提請監(jiān)理進(jìn)行復(fù)核驗收，確認(rèn)無誤后進(jìn)行攪拌施工。

5.3 開挖導(dǎo)溝

采用日立200挖機(jī)開挖工作溝槽，沿圍護(hù)內(nèi)邊控制線開挖，開挖深度1 m。預(yù)先對場地內(nèi)已知地下障礙物進(jìn)行清除，清障后需回填土壓實，以保證五軸水泥攪拌樁施工順利進(jìn)行。

5.4 定位、鉆孔、移位

前臺指揮人員根據(jù)確定的位置嚴(yán)格控制鉆機(jī)樁架的移動，確保鉆桿軸芯就位不偏；同時為控制鉆桿下鉆深度達(dá)標(biāo)，根據(jù)圖紙確定的設(shè)計標(biāo)高，換算鉆進(jìn)深度，在鉆桿上用紅油漆做好標(biāo)記。嚴(yán)格控制下鉆、提升的速度和深度。沿著基坑圍護(hù)軸線進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的移動，采用跳槽式雙孔全套復(fù)攪的施工順序施工，以此循環(huán)直至圍護(hù)墻體成型。

5.5 攪拌注漿

在施工現(xiàn)場搭建拌漿施工平臺，平臺附近搭建水泥庫，在開機(jī)前應(yīng)進(jìn)行漿液的攪拌制作，開鉆前對拌漿工作人員做好交底工作。

拌漿及注漿量以每幅樁的加固土體方量換算，漿液流量以漿液輸送能力控制。土體加固后，攪拌土體28 d抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。根據(jù)設(shè)計所標(biāo)深度，鉆機(jī)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，噴漿攪拌下沉速度宜控制在 0.5～1.5 m/min，提升攪拌速度宜控制在1～1.5 m/min，并保持勻速下沉或提升。提升時不應(yīng)在孔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓造成周邊土體的過大擾動，攪拌次數(shù)和攪拌時間應(yīng)能保證水泥土攪拌樁的成樁質(zhì)量。在五軸水泥土攪拌墻作為止水帷幕施工中，應(yīng)采用套接一孔施工法。對于硬質(zhì)土層，可利用主機(jī)配備的加壓卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行加壓鉆進(jìn)攪拌。漿液泵送量應(yīng)與攪拌下沉或提升速度相匹配，保證攪拌樁中水泥摻量的均勻性。

攪拌機(jī)頭應(yīng)向下正轉(zhuǎn)掘進(jìn)，并噴漿至設(shè)計墻底標(biāo)高，噴漿量控制為總量的70%，在設(shè)計墻底標(biāo)高區(qū)間進(jìn)行復(fù)攪，之后鉆桿反轉(zhuǎn)提升攪拌，并噴漿 30%。對含砂量大的土層，宜在攪拌墻底部 2～3 m 范圍內(nèi)上下重復(fù)噴漿攪拌一次，水泥漿液應(yīng)按設(shè)計配比和拌漿機(jī)操作規(guī)定拌制（圖2）。

五軸水泥土攪拌墻施工過程中，嚴(yán)格控制水泥用量，采用流量計進(jìn)行計量，并按規(guī)定做好施工記錄。因擱置時間過長而產(chǎn)生初凝的漿液，應(yīng)作為廢漿處理，嚴(yán)禁使用。

注漿量的控制決定基坑加固的質(zhì)量，水泥用量以及注漿量通過計算來取得。

圖2 五軸攪拌樁施工注漿時間關(guān)系示意

水泥用量=加固土體體積×土體質(zhì)量密度×水泥摻量；

注漿量=水泥用量×（1+水灰比）/水泥漿液相對密度；

其中，加固土體體積根據(jù)設(shè)計計算，土體質(zhì)量密度通常取1 800 kg/m3。本工程的工程量統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 工程量統(tǒng)計

其中，五軸攪拌樁普遍區(qū)域水泥摻入13%，水灰比1.2，回填區(qū)域水泥摻入量增加至15%。

6 實施效果

本工程地下連續(xù)墻槽壁加固采用五軸攪拌樁FCW-A工法，根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，提出有針對性的做法，很好地控制了施工對周圍保護(hù)建筑的影響，通過有關(guān)實地檢測和后期地下連續(xù)墻的順利完成，驗證了該工藝的可靠性。

1）采用五軸攪拌樁成槽護(hù)壁效率高、成樁搭接冷縫少，對周圍環(huán)境的影響小[3,4]。

2）整個成樁過程數(shù)字化，可存儲，可廣泛應(yīng)用于地下空間開發(fā)的圍護(hù)槽壁加固及止水帷幕。

3）采用該方法施工時，具有環(huán)保綠色、無置換土方的特點，在城市老建筑改造的地下基坑圍護(hù)施工中具有一定的優(yōu)勢。

4）采用對一般五軸攪拌樁工藝的改進(jìn)措施，可適用于地下原有一些障礙物難以處理區(qū)域的施工。