超深水泥土攪拌樁施工技術發(fā)展背景及應用案例

1、超深水泥土攪拌樁施工技術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，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體）強制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理、化學反應，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量。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（以下簡稱濕法）和粉體噴攪法（以下簡稱干法）。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、及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。當?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時不宜采用干法。水泥加固土的室內(nèi)試驗表明，有些軟土的加固效果較好，而有的不夠理想。一般認為含有高嶺石、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年日本清水建設株式會社從美國引入這種施工方法。1967年日本港灣技術研究所土工部參照MIP工法的特點，開始研制石灰攪拌施工機械。1974年由日本港灣技術研究所川琦鋼鐵廠和不動建設等廠家對石灰攪拌機械進行改造，合作開發(fā)研制成功水泥攪拌固化法(CMC)，使水泥土攪拌技術由實驗階段進入實用階段。近年來，這項技術發(fā)展較快，此法已在瑞典、俄羅斯、美國、日本和中國得到廣泛應用。在日本相繼開發(fā)了多種施工方法，如：竹中工務店的深層化學攪拌法(DCM法)、清水建設株式會社的深層水泥攪拌法(DEMIC法)、東亞建設工業(yè)株式會社的深層水泥固結(jié)法(DCCM法)等。

4、深層攪拌機械有單頭到多頭，一次加固最大面積達9.5平方米。1990年日本大阪防水建設社研制開發(fā)了一種新的攪拌施工工藝RR工法(Rotation & Revolution Mixing Treating System)。施工時，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2440萬m3，成為日本軟土地基加固方法中應用得最多的一種方法。1971年，日本成幸株式會社經(jīng)改進，研制出多軸攪拌機，基于深層攪拌樁施工方法發(fā)展出SMW(Soil-cement Mixed Wall)工法，并應用于基坑圍護工程，所謂SMW就是利用專門的多軸鉆孔

5、機(一般為三軸)就地鉆進切削土體，同時在鉆頭端部將水泥漿液注入土體，將土體(soil)和水泥(slarii)土體原位進行混合、攪拌(mixing)后在地下形成的連續(xù)墻體(wall)的簡稱，經(jīng)充分攪拌混合后，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，在日本實際施工中最大攪拌深度已經(jīng)達到過65m，視地質(zhì)條件尚可施工至更深。這一施工方法在80年代后期傳至臺灣地區(qū)，90年代在泰國、馬來西亞等東

6、南亞國家和美國、法國等國家及地區(qū)被廣泛應用。目前在日本SMW工法已成為基坑圍護的主要施工方法，約占地下圍護結(jié)構(gòu)的80%。其中日本東京都地下鐵12號線工程春日站長度160m，寬度17.2至19.5m，深度24.5至31.6m，基坑圍護結(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。我國在70年代末研制出第一臺深層攪拌機。1980年，冶金部第五冶金建設公司和上海冶金建筑設計院合作，在寶鋼金屬結(jié)構(gòu)車間設備基礎地基加固中采用了深層攪拌法。冶金科學研究院地基所與江陰振

7、沖機械廠共同開發(fā)了雙軸深層攪拌樁機械(施工深度1215m，以后各家生產(chǎn)發(fā)展到1820m來施工攪拌樁，作為地基加固及圍護結(jié)構(gòu)的重力式擋墻。80年代中期，在上海地區(qū)應用深層攪拌樁日趨廣泛，常用的SJBI型深層攪拌機，成樁最大長度可達15米。80年代后期以來，深層攪拌樁除用作軟基加固與承重樁外，已發(fā)展到用于基坑開挖的支護結(jié)構(gòu)。目前江陰市振沖機械制造有限公司生產(chǎn)的SJBF37型攪拌樁機攪拌頭直徑為2700mm最大攪拌深度為18m ，SJBF45型攪拌樁機攪拌頭直徑為2760 mm最大攪拌深度達25m。80年代第一冶金建設公司曾從日本引進一臺三軸的攪拌機進行SMW工法施工。我國對SMW 工法的研究和應用

8、始于20 世紀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 年通過建設部技術鑒定。其所用的加勁材料(或稱芯材)，除國外常用的H 型鋼外，還根據(jù)國情研制了鋼筋籠和輕型角鋼組合骨架等，適用于地下開挖深度為610 m 的基坑。與此同時，上海市開始研究SMW工法，并于1993年在上海靜安寺“環(huán)球世界”商廈基坑在圍護工程首次采用了用普通雙軸攪拌樁機械，進行水泥土攪拌施工，再用振動錘將用鋼板焊成的H型材打入剛施工完的攪拌樁內(nèi)， 這是我國采用SMW 工法的第一項工程。1994 年對H 型鋼水泥土復合結(jié)構(gòu)進行了較系統(tǒng)的試驗研究，并于1997年初將其研究成果應用于上海申海大廈，并對H

9、 型鋼的回收起拔技術(包括其減摩隔離材料及起拔機械) 進行了重點攻關，獲得成功，從而為降低SMW 工法地下墻的造價開辟了途徑。另一方面，為適應工程需要，19961997 年，武漢、上海二地先后引進了日本的三軸專用攪拌機數(shù)臺。1998年研制SJB242/ 30 4 型四軸攪拌機，獲得成功。目前SMW工法主要應用于我國東南沿海地區(qū)的軟土深基坑圍護及地基加固中，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SMW工法施工用多軸攪拌樁機初期全部從日本進口，制造商有日本三和機材、三和機工，主要以二手機為主，價格昂貴，設備的短缺嚴重制約了SMW工法在我國的推廣應用。國產(chǎn)第一臺同類鉆機由北

10、京建筑機械化研究院于1998年開發(fā)成功，經(jīng)過近幾年的發(fā)展國內(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。國內(nèi)采用三軸攪拌樁機施工的攪拌樁最大深度約33m，已不能適應現(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。隨著我國基礎建設和城市建設的深入發(fā)展，超深地下工程越來越多，基坑開挖深度已達到40米，地下連續(xù)墻深度已施工到65米，為了進行基坑底地基加固、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帶來了超深土體加固的施工和應用?，F(xiàn)在全國各大、中城市都在開展地鐵建設工程，不僅是地鐵工程，包括房建、水利等建

11、設工程，今后超深地下工程會越來越多，從而帶來的超深地基加固也將越來越多，以往地基加固深度一般只到30米左右的施工技術已不能滿足目前和今后的需求。近年已出現(xiàn)了達50米深的高壓旋噴樁施工技術，但其施工工藝復雜、成本高、對環(huán)境影響大，其垂直度和樁徑等重要技術指標也較難保證。而水泥土攪拌法加固地基具有如下的特點： 擋水性強、隔水性確切，同地下連續(xù)墻比較，沒有接縫滲漏的問題。 施工對周圍地基的環(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，可以作為圍護結(jié)構(gòu)、隔水帷

12、幕、地基加固等用途。 低振動和噪音低。 出土較槽壁法少。 施工成本較低。由于這些特點，水泥土攪拌樁能夠適應城市大規(guī)模建設中，建筑密度高，周邊條件復雜、環(huán)境保護要求高，施工工期短等工況條件，水泥土三軸攪拌樁技術已經(jīng)成為越來越多的設計和承建商首選的施工工藝。為了滿足不斷增長的深大工程基礎施工的迫切需求，研究和開發(fā)加固質(zhì)量可靠、深度達到4060的水泥土攪拌樁施工技術，不僅為深層地基加固提供的切實可行的技術手段，也具有非常廣泛的應用前景。SMW工法的主要設備工藝技術原產(chǎn)于日本，設備需要使用自動化程度較高的樁機和體積重量都相對龐大的攪拌動力驅(qū)動裝置和攪拌鉆桿，這不同對于80年代開始在國內(nèi)廣泛施工的雙軸攪

13、拌，三軸攪拌樁設備價格昂貴，僅施工直接配置的設備購置費用就達到三百萬以上，而設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備的基礎上，不增加設備投入，僅通過技術開發(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)實和實際應用的考慮，將具有更高社會效益和經(jīng)濟效益，得到的性價比較高。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口三軸攪拌機、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。加固強度分為強加固

14、與弱加固, 強加固深度為14.9米，弱加固深度為22.05米。地基加固利用拆接鉆桿技術共計完成深度為36.95米的850三軸水泥土攪拌樁134幅。1用攪拌樁機施工預埋孔，放入預埋鉆桿。2進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，移動樁機到預埋鉆桿位置。鉆桿加接流程示意圖134連接預埋鉆桿，提升預埋鉆桿，移動樁機回到原樁位。5將預埋鉆桿和第一組鉆桿連接起來，繼續(xù)攪拌下沉。6重復步驟35直至到達設計樁深。提升攪拌時，拆卸鉆桿放回預埋孔中。 鉆桿加接流程示意圖46盾構(gòu)井現(xiàn)場地質(zhì)情況表層號土層名稱一般層底埋深(M)樁深靜探比貫入阻力Ps（MPa）標準貫入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)井進洞口加固平面圖盾構(gòu)井進洞口加固剖面圖主要施工技術參數(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米強加固攪拌土體重量的25 ；外摻劑：摻入水泥重量5的膨潤土；水灰比： 1.8；鉆進、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制 鉆桿連接在項目實施

16、過程中使用三軸攪拌機具預攪成孔, 采用現(xiàn)場連接鉆桿工藝，最大攪拌深度37.5米。加接鉆桿組合表鉆桿長度加接鉆桿鉆進深度鉆桿組數(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)井進洞口加固檢測分析表單軸抗壓強度MPa單軸抗壓強度MPa垂直滲透系數(shù)cm/s垂直滲透系數(shù)cm/s樁號26282628平均值1.62 1.27 1.12E-089.53E-09標準偏差0.43 0.22 2.88E-092.79E-09離散率27%18%26%29%質(zhì)量評估結(jié)論：無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果表明，本次抽樣樣品組單軸無側(cè)限抗壓強度平均值均大于1.2Mpa。通過抽樣樣品的垂直滲透實驗表明，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這個工程實例的實際應用和操作，證明使用從日本進口的樁機和攪拌動力設備以及鉆具，結(jié)合鉆桿加接技術進行超深攪拌樁施工，是完全可行的?，F(xiàn)有的MAC-240-3B動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到60米，進入硬土層7號土將近30米。結(jié)合DH608-120M樁機的自身攜帶的樁架垂直度監(jiān)控系統(tǒng)，通過正常的樁架調(diào)節(jié)操作，可以使樁架和鉆進的垂直達到1/200的精度要求。滿足了鉆進加接技術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用的驗證，并在應用過程中得到改進，提高了工效。超深攪

18、拌樁的研究和應用，使攪拌樁的深度突破樁架的限制，超過30米，達到60米，并且加固范圍明確，加固體的防滲隔水性能可靠，對周圍環(huán)境的影響比較小?？梢詮V泛的應用于，深度較大的地下隔水帷幕工程、深基坑圍護結(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工法樁圍護結(jié)構(gòu)和超深抗拔樁、超深承載樁等?？梢宰鳛閲o結(jié)構(gòu)、隔水帷幕、地基加固等用途。由于三軸攪拌機施工具有：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、擠土效應小、對環(huán)境影響小、無污染等優(yōu)點，其主要優(yōu)點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用會越來越多，其應用的市場前景非常廣闊，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)濟上有一定的可比性，以下是目前市場上幾種地基加固的大致報價情況。三軸攪拌樁、旋噴樁市場報價情況表 序號工藝名稱單價（元/m3）備注1超深三軸攪拌樁（本項目）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