水泥土復合管樁在填海區域深大基坑地基加固中的應用

肖春文 中鐵七局集團有限公司

1.引言

我國沿海城市基礎設施正處于高速發展階段，城市建筑密度高、人均綠化面積低等問題日漸凸顯，填海區域成為沿海城市開拓發展空間的重要來源。深圳市作為沿海城市的典型代表，其填海區域地下空間正在被大規模利用開發，大量深基坑工程開始涌現出來。但深圳市填海區域的地質條件差、土層變化復雜、分布著大量的海相淤泥土，導致深基坑工程的施工及地基加固難度加大，若僅采用傳統、單一的地基加固方式，往往很難達到預想的技術經濟效果。

水泥土復合管樁是適用于填海區域深基坑地基加固的有效方法之一，它較好地結合了水泥土樁摩阻力大和PHC(Pre-stressed High-Strength Concrete，簡稱PHC)管樁承載力高的雙重優點，可通過改變水泥土樁的水泥用量、PHC管樁的型號、尺寸等參數來改善原地基土的物理力學性能，充分發揮材料自身強度，有效提高地基承載力，減少沉降變形，實現共擔荷載、變形協調的目的，且兼具經濟環保、施工噪聲低、無污染等特點。但國內目前有關水泥土復合管樁在填海區域地基加固中的應用研究尚不多見，有礙于其技術發展與進步。本文以深圳市媽灣跨海通道工程為例，采用水泥土復合管樁施工技術進行填海地區深基坑地基加固，并對地基加固效果和經濟性進行分析。

圖1 媽灣跨海通道工程位置圖及效果圖

2.項目概況

2.1 工程簡介

媽灣跨海通道工程位于深圳市西部，呈南北布置，南起于媽灣、月亮灣大道相交處，途徑前海灣及大鏟灣，最終在西鄉大道與沿江高速收費站處終止，全長約8.05km。其中大鏟灣段采用明挖法進行施工，開挖平均深度約為15m，采用基坑支護形式主要為：鉆孔灌注樁+3道鋼筋混凝土內撐體系，如圖1所示。

2.2 工程地質條件

大鏟灣段施工范圍內自上而下分布的巖土層主要為：人工填土（包括素填土、雜填土、沖填土等）、淤泥、黏土等，由于淤泥層具有厚度大、承載力低、壓縮性高等特點，難以滿足上部結構對地基承載力要求，需對原地基土進行加固處理，如圖2所示。

圖2 工程的典型地質剖面圖/m

2.3 地基加固難點

（1）地質條件復雜。大鏟灣段所在的填海區域地層變化復雜，其中人工填土、淤泥、粗砂、黏土等地層工程性質差別較大，易造成地基強度分布不均，極大增加了地基加固的難度。

（2）地下水動水效應明顯。由于場地下分布的高承壓含水層不僅滿足了地下動水條件，還與海水存在著水力聯系，會受潮汐作用影響引起地下水位變化頻繁，造成水泥加固漿液流失嚴重，進而導致地基加固效果差；同時地下水中氯離子含量較高，對混凝土內鋼筋具有強腐蝕性。

（3）施工難度大。由于基坑支護方案采用樁撐支護體系，最下面支撐距離基底高度不足4m，若在基底進行加固施工時，不僅存在作業空間小、施工進度慢、施工難度大等問題，還會因基坑暴露時間過長增加支護結構失穩、坑底隆起、止水帷幕滲漏等風險。

表1 兩種加固方案的對比分析

表2 水泥土樁配合比

3.地基加固設計

3.1 方案選擇

大鏟灣段原設計方案是在基坑底部施加PHC管樁加固地基土，但可選的兩種壓樁工藝都會對基坑穩定性產生影響。采用靜壓工藝會產生明顯的擠土效應，引起周圍立柱樁上浮或懸空，產生樁身偏位；采用錘擊工藝會產生振動，直接影響圍護結構及立柱樁受力性能，加大基坑變形。因此考慮采用水泥土復合管樁地表送樁方案代替原方案，并從工作面、施工難度、工作量及施工風險四個方面對兩種方案進行綜合對比分析，具體如表1所示。

由表1可知，采用水泥土復合管樁加固地基具有施工難度低、工作量少、工期短及施工風險低等優點，符合工程現場的施工要求，故綜合對比后采用水泥土復合管樁進行地基加固。

3.2 工藝設計

（1）水泥土樁施工工藝確定。水泥土復合管樁是由高壓噴射攪拌形成的水泥土外樁與同心植入的PHC 管樁共同組成的。為了有效提高土體的抗剪及抗壓強度，采用DJP(Down-the-hole Jetgrouting Pile,簡稱DJP,可譯為潛孔沖擊高壓旋噴樁)工法施工水泥土樁，借助高壓氣漿和高頻振動作用將水泥漿與地基土充分攪拌，也讓水泥漿液更充分滲入周邊土體或巖體裂縫，不僅增加了與周圍土層間的摩阻力，還為管樁提供了一定剛度的側向支撐和一定厚度的保護層，有助于提高抗壓強度及耐地下水腐蝕能力，如圖3所示。

（2）水泥土樁配合比設計。為改善水泥土漿液抵抗地下動水沖擊的能力，降低水泥土樁在砂層塌孔的風險，積極開展水泥土復合漿液室內配比試驗，科學合理地確定復合漿液的摻入料及用量。最終依據試驗結果，選取水泥、膨潤土及RC-1改良固化劑等材料制備成水泥土復合漿液，具體摻入量如表2所示。

（3）管樁施工工藝確定。為解決槽底施工作業空間小、施工進度慢、安全風險高等難題，本項目研發了一種超長送樁工藝來實現管樁地表植入施工。該送樁工藝主要分為管樁植入施工和送樁器拔出施工兩部分，如圖4所示。同時為大幅提高施工效率，利用圓形鋼管研制出了一種“六方頭”快速連接送樁器，可通過兩側鋼銷的插入實現上、下節送樁器便捷、可靠連接，極大縮短了送樁的施工時間，送樁器構造及相關尺寸如圖5所示。

3.3 主要參數確定

經設計人員計算，確定水泥土復合管樁加固地基的主要參數為：水泥土外樁直徑為0.7m，芯樁直徑為0.4m，采用管樁的型號為PHC400-AB-95，樁間距為2.5m或3.0m，如圖6所示；水泥土復合管樁單樁豎向承載力特征值為1650K N，水泥土強度大于1MPa，加固后復合地基承載力要求不小于230kPa；樁端持力層為粗砂層、砂質黏土層或全風化基巖層。

4.施工關鍵技術研究及應用

4.1 施工流程分析

水泥土復合管樁施工步驟主要分為水泥土外樁施工和PHC管樁施工兩大部分。主要流程為：利用DJP鉆機成孔至設計標高，邊提升鉆桿邊高壓噴射復合水泥漿液以形成水泥土外樁;二在水泥土外樁初凝前利用超長送樁工藝植入PHC管樁，并借助靜壓樁機壓至設計深度以完成水泥土復合管樁施工。具體施工流程如圖7所示。

4.2 施工監控

為保證水泥土復合管樁的施工質量，及時了解并掌握施工過程的各項信息，建立水泥土復合管樁數字化施工智能監控及管理系統。以手機移動端、電腦網頁端為系統搭載平臺，對施工過程中的材料加工、設備運行、人員操作等重點環節進行實時監控反饋，并及時將樁身定位、樁身垂直度、漿液流量及噴射壓力等施工信息上傳數據服務中心，便于業主、設計、監理及施工等各方管理人員能全方位了解施工的細節，基本做到復合管樁施工透明化及偏差出現可溯源化，如圖8所示。

水泥土復合管樁的施工智能監控系統基于北斗定位技術及物聯網技術建立，可實現核心功能主要包括以下幾點：

（1）利用北斗系統導航定位功能，可實現DJP鉆機姿態精確調整與鉆桿準確定位 引導，并代替傳統人工放樣實現自動放樣。

（2）借助物聯網自動化的監測手段，能實現水泥土復合管樁關鍵施工參數的全天候跟蹤監測，并對性能指標偏差情況進行現場提示和后臺預警，具體監測項目及偏差指標如表3所示。

（3）可對管理系統的監測數據庫進行深度挖掘及開發，逐步完成進度展示及質量管理功能，最終實現對指定數據的自動查詢、分析與統計。

4.3 施工難點及解決措施

水泥土復合管樁在施工過程中也遇到了一些難題，本文結合項目實際及問題特點提出了相應的解決措施，具體如下：

（1）遇到障礙物時水泥土外樁與PHC管樁同心度偏差超限。處理措施：對于淺層障礙物提出鉆具使用挖掘機將其清除；對于深層障礙物使用潛孔錘引孔處理，多次切割清除障礙物后重新調直鉆桿、校正樁位，可確保二者同心度滿足要求。

（2）超長送樁過程中PHC管樁垂直度偏差較大。處理措施：通過自動化垂直度監測儀控制新安裝的傾角傳感器，以實現管樁壓入時垂直度的精確調整；同時在水泥土樁施工完成后將鉆具提升至孔口1m處，北斗系統會自動生成并記錄實際的水泥土樁，并將其傳回數據服務中心，以備靜壓機植入管樁使用。

圖4 超長送樁工藝

圖5 送樁器的構造示意圖

圖6 水泥土復合管樁主要設計參數

圖7 水泥土復合管樁施工流程

表3 監測項目及偏差指標

（3）僅通過靜壓機終壓值較難完全判斷PHC管樁是否壓入到設計深度。處理措施：在送樁器表面每隔1m清晰標記送樁刻度，施工過程中以標高控制為主，壓力控制為輔；同時為預防爆樁情況的出現，應控制終壓值不大于4200KN。

5.應用效果分析

5.1 加固效果試驗研究

（1）水泥土樁質量及強度分析

選取3 根試驗點鉆心取樣并檢驗強度，如圖9 所示，水泥土樁成樁質量良好，芯樣呈連續完整的長柱狀。將其在標準條件下養護至齡期后，測得立方體抗壓強度分別為3.1MPa、3.3MPa、3.8MPa，平均強度為3.4MPa，遠大于1MPa，符合加固要求。

（2）單樁豎向抗壓靜載試驗

選取3點做單樁豎向抗壓靜載試驗，采用慢速維持荷載法進行分級加載，每級載荷330kN，分9級載荷，連續加載到3300kN。如圖10所示，加載設備采用壓重承臺反力裝置，通過裝置中部的主副梁分配體系、千斤頂及鋼制承壓板等將頂部加載荷載對稱、均勻地施加于樁體。采用混凝土方塊做配重，總配重要求不小于最大荷載的1.2倍，試驗過程嚴格執行《建筑基樁檢測技術規范》JGJ106——2014中相關規定，最終得到試驗結果如表4所示，均滿足設計要求。

圖8 基于北斗定位的智能監控及管理系統

（3）復合地基靜載試驗

再選擇3個試驗點做復合地基靜載試驗時，依據樁徑及樁距之比換算等效面積后，選用邊長為3.0m×3.0m方形承壓板，并在承壓板底鋪設厚度為150mm的中砂墊層。仍采用壓重承臺反力裝置進行分級加載，最終實驗結果如表5所示，均滿足設計要求。

5.2 經濟效益分析

為突出水泥土復合管樁加固地基的經濟優勢，將其加固方案造價與原設計方案造價對比分析，如表6所示。

圖9 水泥土樁芯樣

圖10 單樁豎向抗壓靜載試驗

由表6可知，采用水泥土復合管樁地基加固方案比原加固方案節省造約9.3%，經濟效益優勢顯著；同時由于是在地表機械化施工，無施工面窄、作業凈空低、設備移動慢等限制，施工效率要遠高于在基底施工的PHC管樁，因此工期節省更加顯著，綜合考慮后僅為原方案工期的1/3，工期節約幅度較大。

6.結論

本文以深圳市媽灣跨海通道工程的地基加固研究為切入點，探討了水泥土復合管樁地基加固技術在填海區域深大基坑地基處理中的應用研究。依據填海工程的施工難點及特點，與原加固方案綜合對比后，提出了以DJP工法、室內配合比設計及超長送樁工藝為核心的水泥土復合管樁加固技術，闡述了施工過程中的關鍵技術及應用情況，并詳細分析了水泥土復合管樁在填海區域工程地基處理中的應用效果和經濟效益。研究結果表明，水泥土復合管樁為填海區域深大基坑地基處理提供了一種切實可行的加固方案，具有顯著的經濟效益。

表4 單樁豎向抗壓靜載試驗結果

表5 復合地基靜載試驗結果

表6 水泥土復合管樁與PHC管樁施工造價對比