富水深厚砂層中的五軸水泥土攪拌樁支護施工技術

洪冬明

廣東省基礎工程集團有限公司 廣東 廣州 510620

1 工程概況

維尚新零售綜合體項目位于廣東省佛山市南海區中央大街南側與寶翠北路交會處（圖1），項目擬建4層地下室，基坑開挖深度約17.9 m，下沉廣場基坑開挖深度約9.2 m，維尚新零售綜合體項目基坑與下沉廣場基坑之間高差8.7 m。

圖1 維尚新零售綜合體項目地理位置

地質報告揭示，項目范圍內巖土層的種類較多，主要以稍經壓實狀填土、淤泥質土、粉砂及殘積砂質黏土為主，且土層分布不均勻；土層力學性質較離散，壓縮模量差異較大。

場地基巖在水平及垂直方向上巖性變化較大，巖性主要為泥質粉砂巖、含礫砂巖等，風化程度不均勻，樁基持力層的均勻性較差，粉砂層厚度9.80～14.60 m，砂層厚，淤泥質土、淤泥質土夾層5.50～9.30 m，軟土層厚，地下水豐富，且地下水帶有承壓性。

2 項目實施條件分析

2.1 富水砂層施工的主要危害

砂層具有攪動松散、自穩性較差的特點，在富水環境條件下，水泥土攪拌樁鉆頭攪拌下沉后，由于土壓力不平衡，鉆桿兩側的砂層迅速塌陷，導管在第1次或第2次噴漿提升過程中，很容易被砂層埋住而無法拔出，尤其是穿越深厚富水砂層時，鉆頭被埋的風險更大。

在濱海、海陸交互相、湖陸交互相沉積地層地區，深厚砂層中夾著局部巖塊，巖面高低不平，多層透水層存在是普遍的地質現象。富水砂層具有膠結能力差、強度低、透水性強等特征，常常引發突水涌砂、流砂等嚴重工程與環境問題。

傳統的二軸和三軸水泥土攪拌樁鉆進能力不足，難以穿越富水深厚砂層，更難以鉆進巖層中，遇到巖面高低不平或局部巖塊時，往往容易造成地下水從短樁底部繞流的問題，止水帷幕無法達到止水效果，給工程安全、質量、投資及進度造成負面影響。

2.2 止水帷幕施工重難點

本項目粉砂層較厚，地下水位高，具有承壓性，屬于富水砂層地質，風化巖面高低起伏。

有些強風化巖甚至高出基坑底面7～8 m，且該強風化巖標貫系數高，達到了60擊，按照以往的施工經驗，水泥土攪拌樁在富水砂層中成樁質量效果一般，止水帷幕效果不佳，且鉆機難以穿透此類性質巖層。維尚新零售綜合體項目基坑開挖深度約17.9 m，下沉廣場基坑開挖深度約9.2 m，沿2個基坑外圍、2個基坑之間高差部位均設有φ850 mm@600 mm的五軸水泥土攪拌樁排樁。

因此，在本工程中，五軸水泥土攪拌樁排樁的施工質量是施工過程中的控制重點。施工中急需解決的技術難題如下[1-5]：

1）水泥土攪拌樁在富水粉細砂層中成樁質量一般，止水帷幕效果較差，有埋鉆風險，應采取什么工藝或措施才能確保樁體質量，達到止水目的。

2）強風化巖面高低起伏，造成止水樁部分嵌巖，部分在砂土層，地下承壓水從樁底繞流，強風化巖面位于基坑底以上而造成止水樁底位于基坑底以上所帶來的開挖后滲漏水，應采取什么樣的技術標準來控制入巖深度。

3）富水深厚粉細砂層側向土壓力大，受壓集中區域容易引起樁體變形開裂，應采取什么樣的措施或方法提高樁體側向壓力，防止樁身變形開裂。

2.3 技術路線

通過選擇代表性地質，運用科學的管理方法，制定實施計劃，對富水砂層五軸水泥土攪拌樁支護施工技術進行跟蹤研究。具體步驟如下[6-9]：

1）研究五軸水泥土攪拌樁機在富水深厚砂層及風化巖等地質條件下的掘進能力和入巖效果，通過選擇代表性地質，在現場試鉆進行測定。

2）研究五軸水泥土攪拌樁在富水深厚砂層地質條件下的施工工藝和施工參數，確保止水帷幕質量達到預期止水目的。

3）以SMW工法為基礎，研究在富水深厚砂層地質條件下五軸水泥土攪拌樁施工支護施工工藝參數改進及支護效果提升。

3 五軸水泥土攪拌樁支護工作原理

3.1 五軸水泥土攪拌樁工作原理

五軸水泥土攪拌樁機施工時，5根鉆桿同時攪拌水泥土成樁，五軸中第1、3、5軸噴水泥漿，第2、4軸噴高壓空氣。每根鉆桿下部安裝有12層葉片，并在葉片上、下段分別開有出漿孔。攪拌下沉時葉片下端出漿噴漿，攪拌提升時葉片上端出漿噴漿，且攪拌下沉、提升時5根鉆桿同時噴漿，形成一種獨特的強制式攪拌式五軸水泥土攪拌樁“兩噴兩攪”施工工藝，施工流程如圖2所示。

圖2 五軸水泥土攪拌樁“兩噴兩攪”施工示意

3.2 五軸水泥土攪拌樁支護原理

將5根連續樁貫通變成了一小段連續墻，可作為良好的止水帷幕，在深層水泥土攪拌樁施工完12 h內，向樁內插入鋼管，可有效提高止水帷幕的側向抗壓能力，從而將止水樁兼作擋土樁（墻）。

3.3 工藝流程

測量放線→開挖溝槽→設置定位型鋼→鉆機就位→噴漿鉆孔至樁底→噴漿攪拌至樁頂→噴漿鉆孔至樁底→噴漿攪拌至樁頂→鋼管定位→插入鋼管→固定鋼管→施工完畢

4 五軸水泥土攪拌樁支護施工技術的工程應用

4.1 開工前的準備工作

為保證施工過程順利可控，開工前應做好以下幾點準備工作：

1）根據工程特點編制了五軸水泥土攪拌樁專項施工方案和深基坑支護與開挖方案，施工前向作業人員進行專項技術交底，確保所有作業人員都掌握該施工位置的地質情況，施工方法、工藝要求和施工過程的注意事項。

2）在施工現場搭建拌漿施工平臺，攪拌水泥漿使用專業的自動拌漿系統制備水泥漿，水泥漿的配合比按照設計要求和規范要求進行配制，在開機前攪制漿液。固化劑采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比通過試樁確定參數，注漿壓力為1.5～2.5 MPa，具體注漿壓力根據漿液輸送能力控制。

3）場地平整的基本要求是在走道箱板或鋼板鋪墊條件下滿足大型機械（攪拌樁機與50 t吊機）帶負荷行走。

4.2 富水砂層五軸水泥土攪拌樁施工參數的研究與應用

維尚新零售綜合體項目下沉廣場基坑西側開挖深度5.6～9.1 m，根據地質勘察報告主要以粉砂層為主，厚度8.5～12.8 m，淤泥質土、殘積砂質黏土夾層1.5～3.5 m，基坑位于地下水以下。

因此選擇下沉廣場基坑作為富水砂層五軸水泥土攪拌樁施工技術的研究地點，采用長15 m的φ850 mm五軸水泥土攪拌樁作為測試樁，水灰比分別為0.8、0.9、1.0，注漿壓力分別為1.5～2.5 MPa，鉆機下沉速度和提升速度為0.8～1.2 m/min 。設9處試樁點，樁編號分別為A1～A9，具體施工參數詳見表1。

表1 富水砂層條件下試樁參數設定

對于非承重式水泥土攪拌樁的檢測，如擋墻、止水帷幕等工程，主要以樁體的完整性、樁長和均勻性為主，采用以標準貫入試驗為主，取漿法和發射波法為輔的檢測手段。

試驗結果表明，在富水砂層地質條件下，五軸水泥土攪拌樁漿體的水灰比為1.0，注漿壓力為2.0 MPa，鉆頭鉆進/提升速度在0.8 m/min的，樁體的完整性和均勻性最好，樁長偏差最小。

4.3 富水深厚砂層五軸水泥土攪拌樁施工工藝的研究與應用

砂層自穩性較差，具有攪動松散的特點，水泥土攪拌樁鉆頭攪拌下沉后，由于壓力不平衡，鉆桿兩側的砂層迅速塌陷。五軸水泥土攪拌樁鉆頭范圍較大，塌陷的面積和范圍更廣，若砂層中巖塊較多，大量巖塊隨砂層一起塌陷后，很容易把鉆頭埋住而無法拔出，尤其是穿越深厚富水砂層，鉆頭被埋的風險更大。

維尚新零售綜合體項目基坑北側開挖深度約16.5 m，粉砂層厚度9.5～13.6 m，砂層厚，淤泥質土、淤泥質土夾層2.6～5.4 m，軟土層厚，場地基巖在水平及垂直方向上巖性變化較大，巖性主要為泥質粉砂巖、含礫砂巖等，風化程度不均勻，樁基持力層的均勻性較差，地下水豐富且帶有承壓性。為了驗證五軸水泥土攪拌樁“二噴二攪”施工工藝效果，在維尚新零售綜合體項目基坑北側進行試樁，采用長26 m的φ850 mm五軸水泥土攪拌樁作為測試樁，水灰比為1，注漿壓力為2.0 MPa，鉆機下沉速度和提升速度為0.8 m/min。設9處試樁點，樁編號分別為B1～B9，其中，B1～B3采用“一噴二攪”施工工藝，B4～B6采用“二噴二攪”施工工藝，B7～B9采用“二噴三攪”施工工藝。

通過對測試樁進行標準貫入試驗、取漿法和發射波法等試驗檢測，結果表明：

1）采用“一噴二攪”施工工藝的樁體的完整性較差，樁長有不足的情況，均勻性最差。

2）采用“二噴二攪”施工工藝的樁體完整性和均勻性較好，樁長偏差符合規范要求。

3）采用“二噴三攪”施工工藝的樁體完整性較好，均勻性一般，個別樁身位置有小缺陷，樁長偏差符合規范要求，耗時最長。

傳統的二軸和三軸水泥土攪拌樁施工多采用“攪拌下沉→噴漿攪拌提升→停復攪拌下沉→再噴漿攪拌復升”的“一噴二攪”或“二噴三攪”施工工藝，不適合富水深厚砂層施工。而且“一噴二攪”施工工藝噴漿量偏少，無法保證止水帷幕施工質量；“二噴三攪”施工工藝雖然能保證噴漿量，但增加了一次鉆進和提鉆工作流程，效率降低，工期延長。

五軸水泥土攪拌樁采用“二噴二攪”施工工藝，在首次鉆進的時候就開始噴漿攪拌，與周邊土體形成軟塑狀結構，既能保證噴漿量又能作為護壁，抵抗土體的側向壓力，防止坍孔埋鉆事故的發生，較“二噴三攪”工藝減少一次鉆進和提鉆流程，有效提高了施工效率，節省工期。

4.4 五軸水泥土攪拌樁穿越富水深厚砂層入巖施工控制研究與應用

風化巖面高低起伏容易造成止水樁部分嵌巖，部分在砂土層造成地下承壓水從樁底繞流風險、砂層直接過渡到強風化巖層造成地下承壓水從短軸樁底繞流風險、強風化巖面位于基坑底以上而造成止水樁底位于基坑底以上所帶來的開挖后滲漏水風險。

五軸水泥土攪拌樁機（以DKZ850-5型多軸鉆孔機為例）主要特點：主機動力達到220 kN（2×110 kN），鉆桿平均扭矩35 kN·m，電機鉆桿有5根，較常規三軸機械理論效率提高100%，掘進能力大大提高，六角接頭加長，增加接觸面，改進熱處理工藝，使用壽命提高，鉆頭改為二級三擋，使之具有更快的鉆進速度和良好的攪拌效果。

通過現場鉆進實測，五軸水泥土攪拌樁機可穿透標貫擊數60擊的強風化巖，相對于三軸攪拌樁機只能穿透35擊的巖層，提高了對地質環境的適應性，并且五軸水泥土攪拌樁機可入強風化含礫砂巖至少5 m。但通常情況下，作為止水帷幕施工，入巖深度不宜過深，否則會有以下幾方面的危害產生：

1）底部壓力較大，水泥漿無法滲入，且底部無法成樁，最終引發樁長不足的現象。

2）底部土體或風化巖相對較硬，帶漿下鉆難度較大，無法將土體和巖石拌碎，一般會造成糊鉆的現象發生，土體和鉆頭構成圓柱體形狀，導致樁內土體受到擠壓，出現掉樁頭或樁內水泥漿外溢等問題。

3）水泥土攪拌樁施工多為下鉆噴漿，若向較深的持力層內進入，為了避免下鉆堵管現象發生，只能一直噴漿。然而，由于底部下鉆速度特別慢，引發底部水泥漿用量相對較多，從而使水泥漿順著鉆桿向地面外溢出，進一步縮短了樁體的整體施工時間。

因此在穿越富水深厚砂層進入巖層時，一般達到基坑底部不少于2 m即可，鉆頭到底后攪拌噴漿1～2 min，間歇后提鉆，停止鉆頭鉆動，保持噴漿1～2 min，確保樁底有足夠水泥漿量即可。止水樁不宜入巖過深。

4.5 富水深厚砂層五軸水泥土攪拌樁支護施工技術的研究與應用

富水深厚砂層的側向土壓力比較大，五軸水泥土攪拌樁施工將5根連續樁貫通變成一段小連續墻，作為良好的止水帷幕，為了提高止水帷幕抵抗側向土壓力的能力，避免止水帷幕因側向土壓力擠壓導致樁身開裂，地下水從樁身裂隙中滲流。

在深層水泥土攪拌樁施工完12 h內，向樁內插入鋼管，可有效提高止水帷幕的側向抗壓能力，如圖3所示。將止水樁兼作擋土樁（墻），主體結構完成后還可將工字鋼拔出回收，可節省擋土樁造價和工期。

圖3 五軸水泥土攪拌樁內插鋼管與不插鋼管對比分析

5 開挖后五軸水泥土攪拌樁的驗證

水泥土攪拌樁鉆芯法試驗檢測報告表明：樁體總數量1 144根，檢測樁體12根，水泥土芯樣試件抗壓代表值均能達到設計要求的0.5 MPa，芯樣連續，完整性好，膠結較好，施工記錄樁長和抽芯檢測的實際樁長相符。基坑開挖后進行檢查，水泥土攪拌樁止水帷幕垂直度滿足要求。基坑變形監測結果表明，樁頂測斜最大值為12.68 mm（報警值為24.00 mm），墻頂位移最大值為6.70 mm（報警值為20.00 mm），沉降最大值為4.30 mm（報警值為20.00 mm），基坑支護實際變形值均小于設定的報警值，基坑施工始終處于安全、可控狀態。

6 結語

富水深厚砂層五軸水泥土攪拌樁支護施工技術，采用“二噴二攪”施工工藝，可穿透深厚粉砂層，形成止水帷幕，有效防止地下承壓水因砂層直接過渡到強風化巖層而造成的短軸樁底繞流。設備可入強風化含礫砂巖至少5 m，可確保止水樁入強風化巖1 m且入基坑底以下2 m，防止因強風化巖面高低起伏導致止水樁部分嵌巖部分在砂土層造成地下承壓水從樁底繞流風險。

將5根連續樁貫通變成一小段連續墻，可配長方體鋼筋籠，也可每隔一個孔配以圓柱體鋼筋籠，還可每個孔配以工字鋼，可將止水樁兼作擋土樁（墻），拓寬了深基坑支護設計與施工方案，可節省擋土樁部分造價和工期。

隨著地下工程的迅速發展，五軸水泥土攪拌樁在復雜條件下的深基坑支護施工中的應用必定會更加受青睞，且本技術的社會效益和經濟效益明顯，具有巨大的推廣價值和廣闊的應用前景，對深基坑支護技術的發展有較大促進作用。