數字化微擾動攪拌樁施工工藝研究★

郭宏斌

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200002)

水泥土攪拌樁加固技術是目前行業內廣泛應用的土體加固技術,多年來以派生出單軸、雙軸攪拌樁、三軸攪拌樁及五軸攪拌樁等多個分類。近年來市場上新研發了數字化微擾動四軸攪拌樁技術(簡稱MFP工法),該技術設置四根中空的三通道鉆桿,實現了攪拌過程噴射水泥漿液和空氣,從而發揮了水泥土碳酸化作用的固化機理,加快深部水泥土的強度增長速度。目前四軸攪拌樁主要有一字形和四葉草形兩種,李青[1]及鄭少河等[2]分別對其進行過研究,數字化微擾動四軸攪拌樁技術采用的是一字形四軸攪拌樁。

同傳統攪拌樁施工技術相比,數字化微擾動四軸攪拌樁技術最大的優勢在于它通過數字化施工控制系統,根據事先設定的參數自動控制下沉與提升速度,并匹配對應的漿液供應量;實時監控并記錄漿液流量、下沉與提升速度、成樁垂直度等原本不可視的參數,在施工情況發生異常后能及時發出預警;它的核心思想在于將原本過于依賴操作人員經驗及責任心的人工因素改為機器控制,并將主要的施工參數自動記錄以便追溯。

此外由于數字化微擾動四軸攪拌樁技術在攪拌及噴漿工藝上均進行了改進,因此它在施工期間對周邊環境的影響更小,同時只需要消耗更少的水泥就能夠達到常規的三軸攪拌樁的加固效果[3];下文將針對MFP工法的技術特點、同類加固技術間的對比及工法實施效果進行簡單分析。數字化微擾動四軸攪拌設備如圖1所示。

1 MFP工法技術特點

1.1 微擾動施工

考慮到攪拌樁技術經常被應用于臨近管線及周邊建筑物的狀況,施工期間減少對周邊環境的影響是攪拌樁技術的重要要求,數字化微擾動四軸攪拌樁技術主要通過安裝壓力監測系統、設置異形鉆桿及新增差速葉片等三項措施來實現微擾動施工。

地內壓力傳感器設置在攪拌鉆頭底部,當壓力報警后,數字化施工控制系統將自動調整漿氣壓力,減小對地層擾動;異形鉆桿則使得攪拌過程中鉆桿和土體間形成漿氣壓力釋放通道;差速葉片可以降低黏土泥球形成幾率,減小攪拌阻力(見圖2)。

1.2 噴漿攪拌工藝

MFP工法在4根鉆桿內部均同時配置噴漿管和噴氣管,成樁過程中,鉆頭可同時噴射漿液和壓縮空氣,避免部分鉆桿噴漿、部分鉆桿噴氣,導致樁身強度平面分布不均的問題。同時,由于每根鉆桿均有壓縮空氣介入,可充分減小攪拌阻力,有助于在較硬的黏土和砂土中施工,有利于水泥漿液和土體充分攪拌。壓縮空氣可加速水泥土碳酸化過程,提高攪拌樁中水泥土的早期強度。四軸鉆桿剖面示意圖見圖3。

此外MFP工法攪拌鉆頭上安裝了7層可變角度的葉片,在施工過程中可實現單點土體50次以上的攪拌次數,遠超相關規范中的20次。通過配置成樁過程中不隨鉆桿轉動的差速葉片,可有效避免鉆桿表面形成黏土泥球,既增加土體攪拌次數,也保證土體與漿液攪拌均勻[4]。

1.3 數字化施工

MFP工法設備配置了全套數字化施工控制系統,包含定位、控制和監控子系統[5](見圖4),可控制成樁自動化施工、實時記錄施工過程參數,并對成樁過程進行監控,對異常情況進行預警[6]。

在方案中確定施工參數后,將其輸入數字化綜合控制系統,設備就能按照設定的參數進行自動化攪拌樁施工。對于不同要求的施工范圍,系統也可以實現分段精確控制,如圖5所示,在多個獨立區段內能夠分別控制攪拌裝置的下沉與提升速度,并根據速度匹配相應的漿液流量。系統還能夠根據地內壓力監測數據調整噴氣壓力,控制上下轉換噴漿,檢測樁身垂直度等,通過不同參數設定能更加高效地解決不同類型土層中攪拌樁施工面臨的問題,提高攪拌樁施工經濟性。智能化的操作系統能夠保證在正常情況下,施工全過程不需人工操作,因此可以有效避免人為失誤對攪拌樁施工質量的影響,提高攪拌樁成樁質量可靠性、一致性[7]。

2 攪拌樁加固技術對比分析

2.1 最大施工深度

隨著基坑開挖深度的不斷加深,攪拌樁加固的設計深度也在不斷增加,在不考慮拼接鉆桿的情況下,施工深度的增加對于設備的動力、穩定性及垂直度控制能力均提出了更高的要求,目前主要加固工藝的施工深度見表1。

表1 不同加固技術最大深度一覽表

目前數字化微擾動四軸攪拌樁技術的最大施工深度為45 m,同市場上部分超深三軸施工能力相同[8],能夠滿足目前市場上的施工需求,但它具備施工期間全自動垂直度檢測能力是后者所沒有的。

2.2 施工效率

攪拌樁施工效率主要受鉆桿下沉/提升速度、樁位布置形式及單幅截面積等因素影響,由于下沉/提升速度參數不同工程區別較大,易受水泥摻量、周邊環境等多個因素影響,但規范允許的速度上限一致,因此暫不作分析,僅以單樁幅截面積進行比較[9-10],選用直徑850 mm鉆頭,據圖數據見表2。

表2 不同加固技術單幅截面積

在假定施工下沉速率一定的情況下,四軸攪拌樁的施工效率分別是兩軸攪拌樁的2.47倍,三軸攪拌樁的1.37倍。如假定樁長30 m,施工下沉速度為1.0 m/min,提升速度為1.0 m/min,則三軸攪拌樁單樁完成時間為90 min,加固工程量為44.85 m3;四軸在同樣條件下完成加固量為61.5 m3。

2.3 水泥摻量

不同工藝水泥摻量見表3。

表3 不同工藝水泥摻量一覽表

四軸攪拌樁由于4根鉆桿內部均同時配置噴漿管和噴氣管,每根鉆桿均有壓縮空氣介入,有利于水泥漿液和土體充分攪拌,壓縮空氣可加速水泥土碳酸化過程,提高攪拌樁中水泥土的早期強度。因此其水泥使用量較最常見的三軸攪拌樁節省25%,能夠有效減少水泥消耗,同時提高經濟效益。此外由于四軸攪拌樁較三軸攪拌樁的單樁面積更大,因此在實際施工過程中產生的搭接面積更少,這也意味著在搭接或套打范圍內重復施工消耗的水泥量減少,故四軸攪拌樁的最終水泥節省量會有進一步提升。

3 施工效果分析

3.1 背景介紹

浦東機場南區地下交通樞紐及配套工程位于上海市浦東新區,機場捷運區以西、飛翱路以東、機場衛星廳以南和圍場河路以北。本工程A組團坑內被動土加固主要采用超深三軸攪拌樁工藝,為提高被動加固區施工質量,將局部較深位置的三軸攪拌樁工藝調整為微擾動四軸攪拌樁。

調整被動加固區采用φ850@650微擾動四軸攪拌樁,相鄰搭接不小于200 mm,水泥摻量從上到下分別為:-0.500～-10.950范圍6%,-10.950～-23.200范圍12%及-23.200～-40.300范圍15%,不同摻量的加固深度同原三軸攪拌樁8%,15%,20%范圍,采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,28 d無側限抗壓強度不小于0.8 MPa。施工垂直度應滿足1/250要求,下沉水灰質量比1.5,提升水灰質量比0.9,下沉噴漿占40%,提升噴漿占60%。四軸施工范圍平面圖如圖6所示。

3.2 施工參數

本次攪拌樁采用搭接施工,設備布置2套JB180MFP設備由東西兩側相向而行,逐排施工,具體技術參數表見表4。

表4 四軸攪拌樁施工參數表

3.3 檢測結果分析

以①-2基坑為例,該基坑累計施工四軸攪拌樁659幅,根據設計不小于1%取芯比例的要求,施工完成28 d后共進行7次取芯檢驗,檢測報告顯示樁身芯樣無側限抗壓強度為0.82 MPa～0.85 MPa,均滿足設計不小于0.8 MPa的要求,且芯樣完整均勻,施工質量較好(見圖7)。

3.4 監測數據分析

①-2基坑普遍開挖深度29.7 m,采用1 000 mm厚,55 m左右地下連續墻做圍護,設置6道混凝土支撐,其中北側設置四軸加固作為被動土加固,對應的深層水平位移監測點為P33,P34,P35,P36四處,整個基坑開挖節點分別為:23.07.17第二道支撐形成,23.08.12第三道支撐形成,23.08.26第四道支撐形成,23.09.11第五道支撐形成,23.09.27第六道支撐形成,23.10.24底板養護。整個基坑開挖期間P33點累計變形最大值為78.8 mm,深度為21 m;P34點累計變形最大值為82.5 mm,深度為25 m;P35點累計變形最大值為82.5 mm,深度為25 m;P36點累計變形最大值為86.5 mm,深度為26 m;各監測點數據均小于設計要求的10 mm報警值,由此證明微擾動四軸攪拌樁技術在本工程用于進行坑內被動土體加固的效果是顯著的。P33孔深層圍護位移監測數據見圖8。

4 結語

數字化微擾動四軸攪拌樁技術作為水泥土攪拌樁領域的新工藝,它在減少環境擾動、降低水泥用量及提高數字化程度三方面對三軸攪拌樁工藝進行改進,并取得了相應的成效。目前該工藝的最大施工深度達45 m,且具備施工期間全自動垂直度檢測能力;其施工效率能達到兩軸攪拌樁的2.47倍,三軸攪拌樁的1.37倍;同時該工藝可加速水泥土碳酸化過程,提高攪拌樁中水泥土的早期強度,因此其水泥使用量較最常見的三軸攪拌樁節省25%;在浦東機場南區地下交通樞紐及配套工程中的應用過程中,加固體的取芯檢測情況及最終的變形數據也顯示該工藝的施工質量能夠得到保證。因此數字化微擾動四軸攪拌樁技術作為新工藝具備先進性、可靠性及經濟性,具有廣闊的推廣前景。