尾礦泥漿沉淀池原位就地深層全固化施工技術

鄭春來

（無錫市政設計研究院有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

江蘇南京市文靖西路跨秦淮河大橋建設工程位于南京江寧東山新市區(qū)，是文靖西路段中的一座橋梁。文靖西路橋共計13個橋墩，文靖西路橋橋墩施工前，必須對尾礦泥漿沉淀池泥漿進行有效的處理，方能進行橋梁下部結構的施工。尾礦泥漿沉淀池泥漿灰白色、流塑，泥漿厚度10～12m，泥漿全場分布，橋梁施工位于尾礦泥漿沉淀池，該沉淀池約有27630～33156m3,使用面積2763m2。尾礦泥漿沉淀池采用原位深層全固化處理，作為文靖西路橋墩的施工平臺，必須滿足鉆孔樁機的施工作業(yè)。深淤軟土原位全固化施工應根據(jù)施工荷載、軟弱土的工程性質、工程要求、施工條件、環(huán)保要求與經(jīng)濟和社會效益等進行經(jīng)濟技術比較，合理確定原位固化處理方法。尾礦泥漿沉淀池原位全固化處理遵循“環(huán)境安全適用、工藝技術先進、經(jīng)濟成本合理、施工質量可控”的原則，做到因地制宜、就地取材、節(jié)約資源和保護環(huán)境[1]。

1 泥漿沉淀池原位深層全固化技術工藝原理

軟弱淤泥土層原位就地固化處理技術是一種利用固化劑及固化材料對軟弱淤泥土層進行原位攪拌，使土體達到一定強度或其他使用要求的原位土體加固技術[2]。固化材料包括固化劑、外摻劑、外加土。固化劑按照化學成份可分為無機型、有機型、復合型固三大類型。無機固化劑材料有水泥、粉煤灰、石灰等。無機固化劑適用于無特殊要求常規(guī)軟弱淤泥土層的原位固化處理。固化劑可分為液體和固體粉狀兩大類。采用漿劑固化劑為濕法施工，采用粉劑固化劑為干法施工。無機固化劑材料可以增加土壤顆粒之間的團結凝聚作用[4-5]。

軟弱土原位固化按照固化深度可分為全部固化和部分固化。全部固化是將原位的軟弱土全厚度全部進行固化，部分固化是將原位的軟弱土按照一定的厚度部分進行固化，達到具有一定厚度和相應承載力的人工施作的硬殼層?！霸痪偷厣顚印惫袒暮穸仁窍鄬τ凇霸痪偷販\層”固化的厚度而言的。原位深層全固化是通過長臂的深層強力攪拌頭配置高壓壓漿機，在地基土層中原位將淤泥、泥漿和固化劑及固化材料攪拌均勻，利用固化劑及固化材料對軟弱淤泥土層等土體原位固化，使軟弱淤泥土層具有一定承載力或具備其他用途要求，從而實現(xiàn)軟弱淤泥原位利用或達到地基處理要求。原位固化方法具有處理快速、可滿足不同承載力要求等特點，目前已在圍海造地、軟基處理等工程中應用[3]。

原位固化可對含水量為100%甚至120%的流塑狀的軟弱淤泥土層進行加固。對于有機質土壤及腐殖土和酸性土壤（pH≥3以上）有著非常獨特的、顯著優(yōu)良的固化作用，也可以將粉質及黏性等超軟弱土壤固化成良好地基，相比其他的軟土處理施工方法，越是不良的土壤越是發(fā)揮出淤泥軟基就地固化的優(yōu)越性。

2 原位固化成套系統(tǒng)設備

原位固化系統(tǒng)是由強力攪拌頭、挖掘機、固化劑自動化供料系統(tǒng)、儲料設備以及控制系統(tǒng)等組成的成套設備。該系統(tǒng)通過后臺自動定量供料控制系統(tǒng)控制進料及輸料，在和后臺自動定量供料控制系統(tǒng)料倉內的固化劑混合后，通過安裝于挖掘機上的強力攪拌頭的噴粉或漿噴裝置輸出，在攪拌頭的強力攪拌下，將輸出的固化劑及固化材料與軟弱淤泥土體均勻拌和，達到原位固化的目的。原位固化系統(tǒng)應滿足適應場地能力強，可實現(xiàn)邊推進邊固化的要求。

2.1 強力攪拌頭

強力攪拌頭是通過挖掘機液壓系統(tǒng)驅動強力攪拌頭，實現(xiàn)三維立體攪拌，使固化劑與軟弱土等強力均勻攪拌的專用設備。強力攪拌頭結構為2個安裝有攪拌葉片的攪拌頭，按合理的角度對稱分布在連接桿和噴嘴的兩側，保證攪拌的均勻性；橫向轉動，2個攪拌葉片的強力攪拌頭的左右兩側的攪拌頭呈110～120°夾角，最大限度減少了攪拌死角，確保了軟弱淤泥土原位就地固化攪拌的均勻性。

攪拌頭轉速在50～120r/min，常規(guī)設備的攪拌頭尺寸（平面投影尺寸：寬×高）常用的有1.6m×0.87m 和1.4m×0.8m，小型設備的為1.1m×0.6m左右。尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化施工的泥漿沉淀厚10～12m，選用攪拌頭大尺寸高度1.6m×0.87m的設備。大尺寸的強力攪拌頭拌和深度和平面范圍大，有利于尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化攪拌的均勻性。通過漿液輸送管道進入噴嘴，漿液輸送管道的壓力參數(shù)、與攪拌頭配套的挖掘機型號、攪拌頭螺旋的刀頭三維轉動速度、空間立體切削土和三維立體攪拌時間都要通過實際施工試驗確定，才能確保固化劑及固化材料與淤泥拌和均勻。

2.2 配套長臂挖掘機

位于三維強力攪拌頭內的2個液壓馬達由挖掘機液壓系統(tǒng)提供動力源。挖掘機是用于提供攪拌頭攪拌與移動時的動力，根據(jù)所選用的強力攪拌頭本身的大小來適配挖機動力，保證攪拌頭的液壓驅動力和攪拌的穩(wěn)定性，尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化強力攪拌頭連接桿配套長 臂 挖 掘 機，配 套ZX450、SK460-8、ZX470LC-5、SK480LC-8型大功率長臂挖掘機。長臂的長度一般在16～18m，能滿足深淤層軟土全固化的深度范圍。雙輪銑型攪拌裝置作業(yè)深度14～16m，施工作業(yè)效率50～80m3/h。

2.3 自動化供料及固化劑添加控制系統(tǒng)

強力攪拌原位固化施工方法分為干法施工和濕法施工，供料系統(tǒng)分為漿劑供料系統(tǒng)和粉劑供料系統(tǒng)，漿劑設備壓力≥3MPa，粉劑設備壓力≥0.8MPa，后臺供料系統(tǒng)可實現(xiàn)多種固化劑的同時供料。原位就地固化自動定量供料系統(tǒng)安裝于后臺供料系統(tǒng)中，通過電腦計量系統(tǒng)精準控制固化劑及其固化材料的出料量與出料時間、實時顯示并記錄區(qū)域的用料量，保證每個攪拌區(qū)間和整個區(qū)塊的固化劑及其固化材料的用量。實現(xiàn)了固化劑及其固化材料噴料自動化和智能化的精準控制，避免人為造成的資源浪費。固化劑配置能力5～20t/h，固化劑輸送采用管道輸送方式，固化劑輸送距離700m。

3 尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化施工

3.1 原位深層全固化施工配合比設計原則

尾礦泥漿沉淀池原位就地深層全固化施工配合比初步設計階段，參照以往工程施工配合比經(jīng)驗。應結合工程所在地原材料情況、土層土質情況、固化地基承載力要求進行配合比設計。濕法固化施工應確定水灰比，參照《公路路堤就地固化（強力攪拌法）設計與施工技術指南》，固化劑配合比基準值宜取5%～10%，濕法施工水灰比宜取0.5～0.9。水泥以漿液攪拌摻入時增加1%。固化配合比設計階段要進行原位就地取樣分析，對原位就地土樣進行試驗分析，測定原位就地土體含水量及其他指標。根據(jù)原位固化工程要求，通過試驗室內配合比確定原位固化的各項施工技術參數(shù)，并在實際施工過程中進行現(xiàn)場試驗，通過原位試驗段攪拌驗證配合比，并且進行室內配合比優(yōu)化和配合比的動態(tài)設計。通過室內配合比的優(yōu)化和動態(tài)設計，驗證原位就地固化施工配合比的科學性和合理性，確保尾礦泥漿沉淀池原位就地深層全固化施工達到最好的效果，取得最好的施工效率和經(jīng)濟效益。

3.2 原位深層全固化施工配合比設計

尾礦泥漿沉淀池原位就地深層全固化施工配合比設計，主要用于大橋橋墩之間的泥漿池固化。首先取泥漿池內土樣，取樣時先清除約30cm表層泥漿，取下層原狀土，在3個不同的地方各取10kg樣品。取回樣品后測得各土樣天然含水率分別為61.8%、64.6%、69.5%，取其平均值65.3%。

將土樣全部烘干后，用橡皮錘敲碎過5mm篩并拌和均勻備用。本配合比為天津大學生產的固化劑，采用海螺P·O42.5水泥和杭州奧昌生產的F類II級粉煤灰以及穩(wěn)定劑。共設計3個配合比，分別為：4%水泥+4%粉煤灰+少量穩(wěn)定劑，6%水泥+6%粉煤灰+少量穩(wěn)定劑，8%水泥+8%粉煤灰+少量穩(wěn)定劑。固化劑采用漿劑，水料比為1∶1，配合比各項材料用量見表1。

表1 尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化施工配合比

采用人工拌和的方式將各項材料攪拌均勻后裝入立方體砂漿試模內，每個配合比成型2組試件。試件成型后放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，14d后各取出1組進行抗壓強度試驗。

3.3 固化區(qū)域劃分、固化劑定量調配

尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化施工配合比固化劑為無機型。固化劑無污染、不含任何有害成份，固化劑摻量為水泥重量的3/10000。對尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化區(qū)域進行分塊，區(qū)塊大小一般為20～40m2，并按方便固化施工的順序逐步按劃定區(qū)域固化。根據(jù)室內試驗確定的原位固化配合比，計算尾礦泥漿沉淀池原位深層全固化段落、區(qū)域面積固化劑總用量，利用固化劑自動定量供料系統(tǒng)，實時精確控制目標區(qū)域固化劑的用料量。在固化配合比優(yōu)化和動態(tài)設計措施下，尾礦泥漿沉淀池泥漿被固化為具有滿足設計承載力的固化土體。

3.4 原位深層全固化挖掘機拌和

強力攪拌原位固化處理宜采用邊固化邊推進的拌和方式進行。通過挖掘機液壓系統(tǒng)驅動攪拌頭，實現(xiàn)三維立體攪拌，保證攪拌的均勻性。挖掘機采用的是單點拌和，毎個單點拌和點設置范圍約為1.5m×1.5m。根據(jù)現(xiàn)場條件，采用挖掘機翻拌3～5次，直至攪拌均勻。各原位固化拌和區(qū)塊之間應有≥30cm的搭接寬度，避免區(qū)塊之間搭接處產生漏拌。

4 尾礦泥漿沉淀池原位深層固化效果

文靖西路跨秦淮河大橋碎石清洗沉淀池，泥漿原位深層固化體經(jīng)過28d養(yǎng)護后，根據(jù)工地現(xiàn)場試驗檢測14d無側限抗壓強度0.25～0.4MPa。尾礦泥漿池原位深層全固化處理后，作為文靖西路跨秦淮河大橋橋墩鉆機施工平臺，滿足鉆孔樁機施工作業(yè)要求。尾礦泥漿池原位深層全固化的經(jīng)濟性優(yōu)于一般常規(guī)的、傳統(tǒng)施工處理方式。經(jīng)濟成本低、施工工藝簡單，原位深層全固化軟弱淤泥土層的造價與其他加固軟弱土層的方法相比，經(jīng)濟成本上具有優(yōu)勢，原位就地深層固化處理軟弱土具有速度快、施工效率高，有極高的社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)保效益。

5 結束語

軟弱土體加入固化材料和固化劑后，采用強力三維立體攪拌固化系統(tǒng)進行原位固化處理，使軟弱淤泥土層具有一定的承載力強度或具備其它用途。常規(guī)的淺層固化是對0.8～5.0m軟弱土進行原位固化處理，從而提高軟弱土層地基承載力的一種淺表層處理方法。常規(guī)的淺表層原位固化技術成熟，固化后效果和質量能滿足使用要求。對于5.0～12.0m泥漿原位深層全固化處理，目前還處于探索起步的試驗階段。本文為研究泥漿原位深層全固化效果和質量能否滿足使用要求，通過對泥漿原位深層全固化施工進行工藝探索和工藝改進，主要從設備配置、工藝試驗參數(shù)、關鍵操作工序、質量控制要點的管理，驗證了泥漿原位深層全固化的效果和質量。該項目的實踐證明，淤泥固化具有施工簡單、耐久性好、質量好、節(jié)約資源、經(jīng)濟合理、保護環(huán)境，也為類似原位就地深層全固化提供了寶貴的經(jīng)驗和施工依據(jù)。