海上深層水泥拌樁施工質量控制措施

彭剛 中交四航局第二工程有限公司

1.引言

海上深層水泥攪拌樁（DCM）主要通過工程攪拌船將水泥漿等膠凝材料注入地基原狀土強制攪拌均勻，使原狀土快速固結具有整體性、水穩性和一定強度的水泥加固土。該公藝具有施工簡便、成本低廉、環境破壞小、地基加固快等優點，受到國際廣采用。

香港機場第三跑道擴建工程的地基采用了深層水泥攪拌樁（DCM）的地基加固工藝，地基處理面積650萬平方米，DCM樁工程量600萬m3，單樁處理面積4.63m2，處理深度15～30m，且樁底進入強度不低于1MPa的持力層錨固2～6m，要求28d的無側限抗壓強度不低于1.2MPa。該項目吸引了國際知名的DCM專家和30多艘DCM船舶同時參與施工。如何確保DCM樁的成樁質量，提高軟基的加固效果，是水下DCM樁施工不但探索與研究的重點。

2.水下深層水泥攪拌樁（DCM）的常見質量問題

香港機場第三跑道擴建工程DCM項目的技術要求如下:

（1）樁位偏差要求：水平方向：±10cm，豎向傾斜度小于：1/100 ；

（2）終樁底標高不大于設計標高，持力層嵌固深度不得小于設計深度；

（3）樁頂標高進入砂墊層不得小于1m（樁頂砂墊層厚度為2m）；

（4）DCM樁斷面面積不得小于設計圖紙面積；

（5）水泥漿密度誤差：±3%；

（6）每根樁實際水泥用量與計算用量偏差：±3%；

（7）攪拌葉片的轉速偏差：±2r/min；

（8）攪拌軸貫入和提升速度的偏差：±0.1m/min；

（9）樁底及樁頂8m內的攪拌次數（BRN）不得低于900轉/m，其余區域不得低于450轉/m。

（10）DCM樁28天的取芯芯樣每米范圍內不得少于1個，且各芯樣的UCS強度不得低于設計強度，每根樁的芯樣合格率不得低于90%。

在DCM樁的施工過程中，通過不但改進施工設備、施工工藝等技術措施滿足以上技術要求，但DCM樁的施工質量仍然存在一些質量缺陷，主要問題如下：

a.DCM樁的樁位水平偏差超過10cm，傾斜度超過1%，導致取芯試驗時取不到芯樣；

b.DCM樁的樁頂3m內存在較多孔洞甚至局部破碎的現象；

c.DCM樁的樁頂標高低于設計標高；

d.DCM樁的樁底攪拌不均勻，夾雜少量黏土塊；

e.DCM樁的樁底標高高于設計樁底標高，且持力層錨固深度不滿足設計要求；

f.DCM樁的實際噴漿量比設計用量低3%以上；

g.DCM樁的28d無側險抗壓強度（UCS）低于設計強度，見圖2-3。

從以上常見質量問題可以看出，DCM樁的質量控制關鍵點為：DCM樁的樁位，樁頂、樁底標高，持力層錨固深度，樁頂完整性，樁體攪拌均勻性及無側險抗壓強度。

3.海上深層水泥攪拌樁（DCM）的質量控制措施

3.1 樁位偏差控制措施

圖1 DCM樁定位偏差

圖2 DCM樁定位糾偏

圖3 改進前樁頂取芯照片

圖4 改進后樁頂取芯照片

海上DCM樁的施工主要依靠DCM工程船進行下貫成孔和噴漿成樁，DCM船舶上配置三臺全站儀與基站連接，形成DCM船舶定位系統。通過移動錨纜使DCM船舶上的樁架鉆桿與樁位重合實現DCM樁的初步定位，通過反復微調錨纜實現DCM樁的精確定為，確保打樁前DCM樁的平面偏差不超過10cm。在打樁過程中，由于潮位變化導致船舶錨纜受力改變而影響樁位時，需及時調整錨纜受力狀態，確保樁位平面偏差在允許范圍內。

DCM船舶的樁架上安裝一臺傾斜儀，當船舶出現橫傾或縱傾時，通過傾斜儀的讀數調整船體壓載水艙，使船體處于平衡狀態滿足樁架的垂直度，從而確保DCM樁的垂直度滿足要求。

因此，打樁前，需調整好樁位平面位置和垂直度，打樁過程中，若出現偏差需及時糾正確保DCM樁的樁位及傾斜度滿足允許偏差要求，糾偏前后見圖1及圖2。

3.2 樁頂標高控制措施

香港機場第三跑道擴建工程DCM項目的海床面鋪設2m厚的砂墊層，DCM樁的樁頂要求進入砂墊層不得小于1m。在DCM樁施工過程中，由于隆起或塌陷的現象（隆起現象居多），導致砂面的標高前后不一致，使DCM樁的樁頂標高的確定存在嚴重的分歧。當出現隆起現象時，樁頂偏高，當出現塌陷現象時，樁頂偏低。

通過在DCM船舶的樁架兩端安裝兩臺測深儀，在打樁前及打樁結束前分別測出海床面的標高（可打水坨測量），與設計標高進行比較后，取大值確定DCM樁的最終標高，確保DCM樁的樁頂標高不低于設計要求的標高。

3.3 樁底標高及持力層錨固深度控制措施

海上DCM樁的施工工藝主要采用下貫成孔及上拔噴漿成樁。因此樁底標高即是下貫的底標高，持力層錨固深度即持力層標高與樁底標高的差值。因此在DCM樁下貫過程中，確定持力層的標高后，再繼續下貫至要求的錨固深度即可保證樁底標高。

在施工過程中，持力層的標高需采用雙控標準：DCM船舶鉆桿進入持力層位置時的電機電流需大于判定電流且持續30s以上，且持力層標高不得高于設計給定的標高。

持力層的判定電流通過預先試樁確定。在預選試樁位置周圍等邊布置3個CPT試驗，確定強度不低于1MPa的持力層位置，取3個數據的平均值作為持力層的標高通過試樁確定持力層位置的判定電流。記錄DCM船舶鉆桿以恒定速率、恒定轉速及噴水量（試樁參數與打樁參數相同）下貫至持力層標高時的電流，取30s內的數據平均值作為持力層的判定電流。

在海上DCM樁施工過程中，時刻關注下貫時鉆桿電機的電流數據，當下貫標高達到設計給定標高，且電流值超出判定電流并持續30s以上時，即可確定持力層的標高。此時繼續鉆進設計給定的錨固長度至樁底，即可確保樁底標高和錨固深度均滿足設計要求。

圖5 優化后的鉆桿及保持架

圖6 優化前的工藝曲線

圖7 優化后的工藝曲線

3.4 樁頂完整性控制措施

香港機場第三跑道擴建工程DCM項目樁頂3m質量較差，存在少量孔洞及局部破碎現象，見圖3-3。主要原因如下：

a.樁頂土層主要為透水性較強的砂墊層和淤泥，受到海水的不斷侵蝕；

b.在DCM樁下貫過程中，樁頂位置的噴水導致成孔時含有較大自由水，噴漿成樁后的拌合體受到自由水的侵蝕；

c.樁頂攪拌次數不低于900轉/m，攪拌次數過大對水泥土拌合體的擾動過大加速海水的侵蝕與稀釋，導致拌合體出現孔洞甚至局部破碎。

因此，為了提高DCM樁的樁頂質量，采取了如下措施：

①在DCM樁下貫成孔過程中，對砂墊層及強度較低的淤泥層采取不噴水下貫；

②增大DCM樁在淤泥層中的水泥摻量，提高10%，對1.2MPa的DCM樁，水泥摻量從230kg/m3增大至250kg/m3；

③噴漿結束后，通過清洗管路將管路中剩余的水泥漿噴至樁頂位置，保護樁頭；

④降低樁頂的攪拌次數至600轉/m，同時低速慢攪減少鉆桿出樁頂時的擾動。

通過采取以上措施，后續DCM樁的樁頂質量得到顯著提高，改進前后的樁頂芯樣見圖3及圖4。

3.5 樁體攪拌均勻性控制措施

香港機場第三跑道擴建工程DCM項目的土層主要為淤泥層、海向沉積土、沖擊硬土層（包括沖擊軟黏土、沖擊硬塑黏土及沖擊砂層），在S5區施工時，DCM樁在沖擊硬土層中的成樁質量差，夾雜少量黏土塊，見下圖8。造成該質量缺陷的主要原因如下：

a.硬土層的土質及深度變化幅度大，鉆孔點的土層與實際施工時的土層有較大差別；

b.硬土層中的硬塑黏土強度高、黏性大，不易攪拌均勻；

c.DCM樁的施工參數不適應硬塑黏土層的施工，施工過程中未及時優化調整。

后在施工過程中，通過采取以下措施，使DCM樁在硬土層中的攪拌質量得到顯著提高。

①仔細分析各區域的鉆孔地質資料，并選取典型位置進行試樁，確定硬塑黏土層的電機電流，高達800A以上，為硬塑黏土層的位置判定提供指導依據；

②將DCM船的鉆桿更換成高強度硬質鉆桿，并在鉆桿的底部及葉片底部加焊鋸齒，將鉆桿底層寬型保持架更換成窄型保持架，確保鉆桿對黏土的充分切割和攪拌。優化后的鉆桿及保持架見下圖5。

圖8 改進前的黏土層中的芯樣照片

圖9 改進后的黏土層中的芯樣照片

圖10 改進前的芯樣USC強度

圖11 改進后的芯樣UCS強度

③針對硬塑黏土層，優化施工參數。下貫成孔時參數優化：降低下貫成孔時的下貫速率至0.2～0.3m/s，增大下貫時的噴水量至480L/min，增加下貫切土次數（根據硬塑黏土層的位置增加一次上拔下貫切土）；上拔噴漿成樁時參數優化：降低黏土層中噴漿速率，增大黏土層中的攪拌持續時間，尤其是樁底攪拌時間，攪拌次數（BRN）由要求的900轉/m增大至1500轉/m。優化前后的工藝曲線見圖6及圖7。

通過采取以上措施，DCM樁的攪拌質量得到顯著改善，改善后的取芯質量見圖9。

3.6 樁體強度控制措施

香港機場第三跑道擴建工程DCM 項目的28d無側限抗壓強度（UCS）要求不低于1.2MPa，90d無側限抗壓強度（UCS）不低于1.5MPa，但在S17區施工過程中，存在少量DCM樁UCS強度不滿足要求的情況，見圖10。主要原因如下：

a.DCM設備噴漿不穩定，整根樁的實際噴漿量比設計低3%以上；

b.該區的土層主要為沉積粉質黏土層和沖擊軟黏土層，土體含水率均接近其液限指，但在下貫過程中，采取了與硬塑黏土層相同的施工參數，且下貫噴水量高達600L/min。成孔時孔中含有較多自由水，噴漿攪拌后自由水對拌水泥合體充分稀釋稀釋，導致強度嚴重降低。

后通過采取以下針對性的措施，施工質量得到顯著提高。具體措施如下：

①對DCM船舶的制漿系統、噴漿系統進行全面檢查和更換，對計量設備進行標定，嚴格控制噴漿誤差，杜絕了噴漿不足的現象；

②優化施工參數，降低下貫時的噴水量至400L/min，并將底部黏土區域水泥摻量提高10%，加大噴漿流量。

通過采取以上措施，后續DCM樁的UCS強度得到顯著提高，強度合格率100%，見圖11。

4.結語

海上深層水泥攪拌樁的質量控制關鍵點為：樁位，樁底、樁頂標高，樁頂完整性，樁體攪拌均勻性和樁體強度。在施工過程至，通過不斷改進質量控制點的缺陷，可以大幅提高DCM樁的成樁質量。