超深水泥土攪拌樁施工技術(shù)發(fā)展背景及應(yīng)用案例

1、超深水泥土攪拌樁施工技術(shù)水泥土攪拌法是用于加固飽和粘性土地基的一種方法。它是利用水泥(或石灰）等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量。根據(jù)施工方法的不同，水泥土攪拌法分為水泥漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種。前者是用水泥漿和地基土攪拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土攪拌。水泥土攪拌法分為深層攪拌法（以下簡(jiǎn)稱濕法）和粉體噴攪法（以下簡(jiǎn)稱干法）。水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以

2、及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0(黃土含水量小于25)、大于70或地下水的pH值小于4時(shí)不宜采用干法。水泥加固土的室內(nèi)試驗(yàn)表明，有些軟土的加固效果較好，而有的不夠理想。一般認(rèn)為含有高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好，而含有伊里石、氯化物和水鋁英石等礦物的粘性土以及有機(jī)質(zhì)含量高、酸堿度（pH值）較低的粘性土的加固效果較差。二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)首先研制出水泥土攪拌樁施工方法，即MIP（Mixing in-Place Pile）工法，該工法從不斷回轉(zhuǎn)的、中空軸的端部向周圍已被攪松的土中噴出水泥漿，經(jīng)翼片的攪拌形成水泥土樁，樁徑0.30.4m，長(zhǎng)度1

3、012m。水泥土攪拌樁成樁速度很快，且噪音小。1953年日本清水建設(shè)株式會(huì)社從美國(guó)引入這種施工方法。1967年日本港灣技術(shù)研究所土工部參照MIP工法的特點(diǎn)，開(kāi)始研制石灰攪拌施工機(jī)械。1974年由日本港灣技術(shù)研究所川琦鋼鐵廠和不動(dòng)建設(shè)等廠家對(duì)石灰攪拌機(jī)械進(jìn)行改造，合作開(kāi)發(fā)研制成功水泥攪拌固化法(CMC)，使水泥土攪拌技術(shù)由實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)用階段。近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較快，此法已在瑞典、俄羅斯、美國(guó)、日本和中國(guó)得到廣泛應(yīng)用。在日本相繼開(kāi)發(fā)了多種施工方法，如：竹中工務(wù)店的深層化學(xué)攪拌法(DCM法)、清水建設(shè)株式會(huì)社的深層水泥攪拌法(DEMIC法)、東亞建設(shè)工業(yè)株式會(huì)社的深層水泥固結(jié)法(DCCM法)等。

4、深層攪拌機(jī)械有單頭到多頭，一次加固最大面積達(dá)9.5平方米。1990年日本大阪防水建設(shè)社研制開(kāi)發(fā)了一種新的攪拌施工工藝RR工法(Rotation & Revolution Mixing Treating System)。施工時(shí)，攪拌頭上下、左右旋轉(zhuǎn)翻滾成樁，一次成樁單元樁體直徑達(dá)2米。到1995年為止，日本采用深層攪拌法加固軟土的工程量已達(dá)2440萬(wàn)m3，成為日本軟土地基加固方法中應(yīng)用得最多的一種方法。1971年，日本成幸株式會(huì)社經(jīng)改進(jìn)，研制出多軸攪拌機(jī)，基于深層攪拌樁施工方法發(fā)展出SMW(Soil-cement Mixed Wall)工法，并應(yīng)用于基坑圍護(hù)工程，所謂SMW就是利用專門的多軸鉆孔

5、機(jī)(一般為三軸)就地鉆進(jìn)切削土體，同時(shí)在鉆頭端部將水泥漿液注入土體，將土體(soil)和水泥(slarii)土體原位進(jìn)行混合、攪拌(mixing)后在地下形成的連續(xù)墻體(wall)的簡(jiǎn)稱，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌虾?，再將H型鋼或其他型材插入攪拌樁體內(nèi)，形成地下連續(xù)墻體，將其直接作為擋土或止水結(jié)構(gòu)。它不僅可以作為一般基坑的止水墻壁，而且可以利用于地下水壩的止水帷幕和土體的加固改良，以及做為基樁。SMW施工方法的種類可分為孔徑為650 mm、850mm、1000mm等，在日本實(shí)際施工中最大攪拌深度已經(jīng)達(dá)到過(guò)65m，視地質(zhì)條件尚可施工至更深。這一施工方法在80年代后期傳至臺(tái)灣地區(qū)，90年代在泰國(guó)、馬來(lái)西亞等東

6、南亞國(guó)家和美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家及地區(qū)被廣泛應(yīng)用。目前在日本SMW工法已成為基坑圍護(hù)的主要施工方法，約占地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的80%。其中日本東京都地下鐵12號(hào)線工程春日站長(zhǎng)度160m，寬度17.2至19.5m，深度24.5至31.6m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法，直徑600至650mm，春日站地質(zhì)為粘土表層，其下為砂質(zhì)及礫石層，中間并夾有少數(shù)薄層粘土，SMW工法深度自35至65m，間隔每45cm插入H5002001116型鋼。我國(guó)在70年代末研制出第一臺(tái)深層攪拌機(jī)。1980年，冶金部第五冶金建設(shè)公司和上海冶金建筑設(shè)計(jì)院合作，在寶鋼金屬結(jié)構(gòu)車間設(shè)備基礎(chǔ)地基加固中采用了深層攪拌法。冶金科學(xué)研究院地基所與江陰振

7、沖機(jī)械廠共同開(kāi)發(fā)了雙軸深層攪拌樁機(jī)械(施工深度1215m，以后各家生產(chǎn)發(fā)展到1820m來(lái)施工攪拌樁，作為地基加固及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重力式擋墻。80年代中期，在上海地區(qū)應(yīng)用深層攪拌樁日趨廣泛，常用的SJBI型深層攪拌機(jī)，成樁最大長(zhǎng)度可達(dá)15米。80年代后期以來(lái)，深層攪拌樁除用作軟基加固與承重樁外，已發(fā)展到用于基坑開(kāi)挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)。目前江陰市振沖機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的SJBF37型攪拌樁機(jī)攪拌頭直徑為2700mm最大攪拌深度為18m ，SJBF45型攪拌樁機(jī)攪拌頭直徑為2760 mm最大攪拌深度達(dá)25m。80年代第一冶金建設(shè)公司曾從日本引進(jìn)一臺(tái)三軸的攪拌機(jī)進(jìn)行SMW工法施工。我國(guó)對(duì)SMW 工法的研究和應(yīng)用

8、始于20 世紀(jì)80 年代后期。1988 年冶金工業(yè)部建筑研究總院立題研究，并于1994 年通過(guò)建設(shè)部技術(shù)鑒定。其所用的加勁材料(或稱芯材)，除國(guó)外常用的H 型鋼外，還根據(jù)國(guó)情研制了鋼筋籠和輕型角鋼組合骨架等，適用于地下開(kāi)挖深度為610 m 的基坑。與此同時(shí)，上海市開(kāi)始研究SMW工法，并于1993年在上海靜安寺“環(huán)球世界”商廈基坑在圍護(hù)工程首次采用了用普通雙軸攪拌樁機(jī)械，進(jìn)行水泥土攪拌施工，再用振動(dòng)錘將用鋼板焊成的H型材打入剛施工完的攪拌樁內(nèi)， 這是我國(guó)采用SMW 工法的第一項(xiàng)工程。1994 年對(duì)H 型鋼水泥土復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并于1997年初將其研究成果應(yīng)用于上海申海大廈，并對(duì)H

9、 型鋼的回收起拔技術(shù)(包括其減摩隔離材料及起拔機(jī)械) 進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)，獲得成功，從而為降低SMW 工法地下墻的造價(jià)開(kāi)辟了途徑。另一方面，為適應(yīng)工程需要，19961997 年，武漢、上海二地先后引進(jìn)了日本的三軸專用攪拌機(jī)數(shù)臺(tái)。1998年研制SJB242/ 30 4 型四軸攪拌機(jī)，獲得成功。目前SMW工法主要應(yīng)用于我國(guó)東南沿海地區(qū)的軟土深基坑圍護(hù)及地基加固中，在上海、天津、南京、杭州等地已經(jīng)推廣使用，并逐步向內(nèi)地推廣。我國(guó)SMW工法施工用多軸攪拌樁機(jī)初期全部從日本進(jìn)口，制造商有日本三和機(jī)材、三和機(jī)工，主要以二手機(jī)為主，價(jià)格昂貴，設(shè)備的短缺嚴(yán)重制約了SMW工法在我國(guó)的推廣應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)同類鉆機(jī)由北

10、京建筑機(jī)械化研究院于1998年開(kāi)發(fā)成功，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有北京建研、北京三一、北京首鋼泰晟、上海金泰、上海工程、浙江振中等公司生產(chǎn)多種規(guī)格的SMW工法用多軸攪拌樁機(jī)。國(guó)內(nèi)采用三軸攪拌樁機(jī)施工的攪拌樁最大深度約33m，已不能適應(yīng)現(xiàn)狀的需求，直徑更大、深度更深的攪拌樁是今后發(fā)展的趨勢(shì)。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)和城市建設(shè)的深入發(fā)展，超深地下工程越來(lái)越多，基坑開(kāi)挖深度已達(dá)到40米，地下連續(xù)墻深度已施工到65米，為了進(jìn)行基坑底地基加固、盾構(gòu)法隧道施工洞口土體加固以及地下連續(xù)墻接縫止水加固等也就相應(yīng)帶來(lái)了超深土體加固的施工和應(yīng)用?，F(xiàn)在全國(guó)各大、中城市都在開(kāi)展地鐵建設(shè)工程，不僅是地鐵工程，包括房建、水利等建

11、設(shè)工程，今后超深地下工程會(huì)越來(lái)越多，從而帶來(lái)的超深地基加固也將越來(lái)越多，以往地基加固深度一般只到30米左右的施工技術(shù)已不能滿足目前和今后的需求。近年已出現(xiàn)了達(dá)50米深的高壓旋噴樁施工技術(shù)，但其施工工藝復(fù)雜、成本高、對(duì)環(huán)境影響大，其垂直度和樁徑等重要技術(shù)指標(biāo)也較難保證。而水泥土攪拌法加固地基具有如下的特點(diǎn)： 擋水性強(qiáng)、隔水性確切，同地下連續(xù)墻比較，沒(méi)有接縫滲漏的問(wèn)題。 施工對(duì)周圍地基的環(huán)境影響小，使用原位水泥土攪拌形成連續(xù)墻，孔壁失穩(wěn)坍塌很少，可減少周圍地基下沉。 工期短，由于在原位置進(jìn)行水泥土的混合攪拌，可一次性完成攪拌樁的施工，工期較其他工法短。 工藝靈活適用范圍廣，可以作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔水帷

12、幕、地基加固等用途。 低振動(dòng)和噪音低。 出土較槽壁法少。 施工成本較低。由于這些特點(diǎn)，水泥土攪拌樁能夠適應(yīng)城市大規(guī)模建設(shè)中，建筑密度高，周邊條件復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求高，施工工期短等工況條件，水泥土三軸攪拌樁技術(shù)已經(jīng)成為越來(lái)越多的設(shè)計(jì)和承建商首選的施工工藝。為了滿足不斷增長(zhǎng)的深大工程基礎(chǔ)施工的迫切需求，研究和開(kāi)發(fā)加固質(zhì)量可靠、深度達(dá)到4060的水泥土攪拌樁施工技術(shù)，不僅為深層地基加固提供的切實(shí)可行的技術(shù)手段，也具有非常廣泛的應(yīng)用前景。SMW工法的主要設(shè)備工藝技術(shù)原產(chǎn)于日本，設(shè)備需要使用自動(dòng)化程度較高的樁機(jī)和體積重量都相對(duì)龐大的攪拌動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和攪拌鉆桿，這不同對(duì)于80年代開(kāi)始在國(guó)內(nèi)廣泛施工的雙軸攪

13、拌，三軸攪拌樁設(shè)備價(jià)格昂貴，僅施工直接配置的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用就達(dá)到三百萬(wàn)以上，而設(shè)備的租金決定了加固成本。如果在原有三軸水泥土攪拌樁施工設(shè)備的基礎(chǔ)上，不增加設(shè)備投入，僅通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝創(chuàng)新，將加固深度做到4060米，也就是通常攪拌樁加固深度的12倍，而且質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，工藝規(guī)范成熟，將更具現(xiàn)實(shí)和實(shí)際應(yīng)用的考慮，將具有更高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，得到的性價(jià)比較高。上海某工程盾構(gòu)工作井盾構(gòu)洞口土體加固施工采用日本進(jìn)口三軸攪拌機(jī)、接鉆桿方式的完成超深850三軸水泥土攪拌樁。加固范圍為：盾構(gòu)底部5米、盾構(gòu)頂部3米，加固土體長(zhǎng)度28.3米、加固土體寬度5.2米的土體。加固深度為36.95米。加固強(qiáng)度分為強(qiáng)加固

14、與弱加固, 強(qiáng)加固深度為14.9米，弱加固深度為22.05米。地基加固利用拆接鉆桿技術(shù)共計(jì)完成深度為36.95米的850三軸水泥土攪拌樁134幅。1用攪拌樁機(jī)施工預(yù)埋孔，放入預(yù)埋鉆桿。2進(jìn)行水泥土攪拌樁施工。攪拌下沉鉆桿，到第一組鉆桿結(jié)束。3拆下鉆桿接頭，移動(dòng)樁機(jī)到預(yù)埋鉆桿位置。鉆桿加接流程示意圖134連接預(yù)埋鉆桿，提升預(yù)埋鉆桿，移動(dòng)樁機(jī)回到原樁位。5將預(yù)埋鉆桿和第一組鉆桿連接起來(lái)，繼續(xù)攪拌下沉。6重復(fù)步驟35直至到達(dá)設(shè)計(jì)樁深。提升攪拌時(shí)，拆卸鉆桿放回預(yù)埋孔中。 鉆桿加接流程示意圖46盾構(gòu)井現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況表層號(hào)土層名稱一般層底埋深(M)樁深靜探比貫入阻力Ps（MPa）標(biāo)準(zhǔn)貫入N值3砂質(zhì)粉土浦東7

15、.536.95米3.799.81淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土11.50.67 -2粉砂13.03.2612.7淤泥質(zhì)粘土24.00.84-1粘質(zhì)粉土31.01.11-2粉質(zhì)粘土（浦東）47.03.07 213粉質(zhì)粘土58.02.04-1-2砂質(zhì)粉土56.07.76332粉砂72.015.3745盾構(gòu)井進(jìn)洞口加固平面圖盾構(gòu)井進(jìn)洞口加固剖面圖主要施工技術(shù)參數(shù)水泥用量：上部22.05米弱加固攪拌土體重量的8，下部14.9米強(qiáng)加固攪拌土體重量的25 ；外摻劑：摻入水泥重量5的膨潤(rùn)土；水灰比： 1.8；鉆進(jìn)、提升速度：1.02.0米/分鐘；三軸攪拌樁徑：3850。攪拌樁成樁施工加接鉆桿組合鉆桿預(yù)制 鉆桿連接在項(xiàng)目實(shí)施

16、過(guò)程中使用三軸攪拌機(jī)具預(yù)攪成孔, 采用現(xiàn)場(chǎng)連接鉆桿工藝，最大攪拌深度37.5米。加接鉆桿組合表鉆桿長(zhǎng)度加接鉆桿鉆進(jìn)深度鉆桿組數(shù)起鉆23.7米-20.7米1第一次拆接41.7米18米37.5米2盾構(gòu)井進(jìn)洞口加固檢測(cè)分析表單軸抗壓強(qiáng)度MPa單軸抗壓強(qiáng)度MPa垂直滲透系數(shù)cm/s垂直滲透系數(shù)cm/s樁號(hào)26282628平均值1.62 1.27 1.12E-089.53E-09標(biāo)準(zhǔn)偏差0.43 0.22 2.88E-092.79E-09離散率27%18%26%29%質(zhì)量評(píng)估結(jié)論：無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，本次抽樣樣品組單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值均大于1.2Mpa。通過(guò)抽樣樣品的垂直滲透實(shí)驗(yàn)表明，本次抽

17、樣樣品的滲透系數(shù)均小于10-7cm/s。 攪拌樁樁體鉆芯取樣通過(guò)這個(gè)工程實(shí)例的實(shí)際應(yīng)用和操作，證明使用從日本進(jìn)口的樁機(jī)和攪拌動(dòng)力設(shè)備以及鉆具，結(jié)合鉆桿加接技術(shù)進(jìn)行超深攪拌樁施工，是完全可行的?，F(xiàn)有的MAC-240-3B動(dòng)力裝置在水灰比不小于2.0和下沉速度不大于0.30.5的控制條件下，攪拌施工深度可以達(dá)到60米，進(jìn)入硬土層7號(hào)土將近30米。結(jié)合DH608-120M樁機(jī)的自身攜帶的樁架垂直度監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)正常的樁架調(diào)節(jié)操作，可以使樁架和鉆進(jìn)的垂直達(dá)到1/200的精度要求。滿足了鉆進(jìn)加接技術(shù)所要求的垂直精度要求。鉆桿加接工藝的可行性得到了工程應(yīng)用的驗(yàn)證，并在應(yīng)用過(guò)程中得到改進(jìn)，提高了工效。超深攪

18、拌樁的研究和應(yīng)用，使攪拌樁的深度突破樁架的限制，超過(guò)30米，達(dá)到60米，并且加固范圍明確，加固體的防滲隔水性能可靠，對(duì)周圍環(huán)境的影響比較小?？梢詮V泛的應(yīng)用于，深度較大的地下隔水帷幕工程、深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防水、深層大體積地基加固，以及插入H型鋼后的SMW工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)和超深抗拔樁、超深承載樁等?？梢宰鳛閲o(hù)結(jié)構(gòu)、隔水帷幕、地基加固等用途。由于三軸攪拌機(jī)施工具有：施工速度快、加固質(zhì)量穩(wěn)定、垂直度好、加固土均勻、止水效果好、擠土效應(yīng)小、對(duì)環(huán)境影響小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是其它加固工藝所難于替代的。施工深度加深后，其在地基加固工程中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，其應(yīng)用的市場(chǎng)前景非常廣闊，是一種很有推廣前途的施工工藝。目前超深地基加固施工工藝主要有三重管雙高壓旋噴樁、超深三軸攪拌樁，在經(jīng)濟(jì)上有一定的可比性，以下是目前市場(chǎng)上幾種地基加固的大致報(bào)價(jià)情況。三軸攪拌樁、旋噴樁市場(chǎng)報(bào)價(jià)情況表 序號(hào)工藝名稱單價(jià)（元/m3）備注1超深三軸攪拌樁（本項(xiàng)目）500深度50米，水泥摻量25%（450公斤/ m3）3普通三軸攪拌樁220深度約30米，水泥摻量20%（360公斤/ m3）4普通三重管旋噴樁320深度約30米，水泥摻量450公斤/ m35三重管雙高壓旋噴樁450深度約50米，水泥摻量380公斤/ m3從上表可以看出，超深三軸攪拌樁比普通三軸