超深水泥土搅拌桩综合项目施工关键技术发展背景及应用案例.doc

超深水泥土搅拌桩施工技术
水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基一种办法。它是运用水泥(或石灰）等材料作为固化剂，通过特制搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生一系列物理、化学反映，使软土硬结成具备整体性、水稳定性和一定强度水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。依照施工办法不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。
水泥土搅拌法分为深层搅拌法（如下简称湿法）和粉体喷搅法（如下简称干法）。水泥土搅拌法合用于解决正常固结淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水饱和松散砂土等地基。本地基土天然含水量不大于30％(黄土含水量不大于25％)、不不大于70％或地下水pH值不大于4时不适当采用干法。
水泥加固土室内实验表白，有些软土加固效果较好，而有不够抱负。普通以为具有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物软土加固效果较好，而具有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物粘性土以及有机质含量高、酸碱度（pH值）较低粘性土加固效果较差。
二次世界大战后，美国一方面研制出水泥土搅拌桩施工办法，即MIP（Mixing in-Place Pile）工法，该工法从不断回转、中空轴端部向周边已被搅松土中喷出水泥浆，经翼片搅拌形成水泥土桩，桩径0.3~0.4m，长度10~12m。水泥土搅拌桩成桩速度不久，且噪音小。
1953年日本清水建设株式会社从美国引入这种施工办法。1967年日本港湾技术研究所土工部参照MIP工法特点，开始研制石灰搅拌施工机械。1974年由日本港湾技术研究所川琦钢铁厂和不动建设等厂家对石灰搅拌机械进行改造，合伙开发研制成功水泥搅拌固化法(CMC)，使水泥土搅拌技术由实验阶段进入实用阶段。近年来，这项技术发展较快，此法已在瑞典、俄罗斯、美国、日本和中华人民共和国得到广泛应用。在日本相继开发了各种施工办法，如：竹中工务店深层化学搅拌法(DCM法)、清水建设株式会社深层水泥搅拌法(DEMIC法)、东亚建设工业株式会社深层水泥固结法(DCCM法)等。深层搅拌机械有单头到多头，一次加固最大面积达9.5平方米。1990年日本大阪防水建设社研制开发了一种新搅拌施工工艺RR工法(Rotation & Revolution Mixing Treating System)。施工时，搅拌头上下、左右旋转翻滚成桩，一次成桩单元桩体直径达2米。到1995年为止，日本采用深层搅拌法加固软土工程量已达2440万m3，成为日本软土地基加固办法中应用得最多一种办法。
1971年，日本成幸株式会社经改进，研制出多轴搅拌机，基于深层搅拌桩施工办法发展出SMW(Soil-cement Mixed Wall)工法，并应用于基坑围护工程，所谓SMW就是运用专门多轴钻孔机(普通为三轴)就地钻进切削土体，同步在钻头端部将水泥浆液注入土体，将土体(soil)和水泥(slarii)土体原位进行混合、搅拌(mixing)后在地下形成持续墙体(wall)简称，经充分搅拌混合后，再将H型钢或其她型材插入搅拌桩体内，形成地下持续墙体，将其直接作为挡土或止水构造。它不但可以作为普通基坑止水墙壁，并且可以运用于地下水坝止水帷幕和土体加固改良，以及做为基桩。SMW施工办法种类可分为孔径为Ø650 mm、Ø850mm、Ø1000mm等，在日本实际施工中最大搅拌深度已经达到过65m，视地质条件尚可施工至更深。这一施工办法在80年代后期传至台湾地区，90年代在泰国、马来西亚等东南亚国家和美国、法国等国家及地区被广泛应用。
当前在日本SMW工法已成为基坑围护重要施工办法，约占地下围护构造80%。其中日本东京都地下铁12号线工程春日站长度160m，宽度17.2至19.5m，深度24.5至31.6m，基坑围护构造采用SMW工法，直径Ø600至Ø650mm，春日站地质为粘土表层，其下为砂质及砾石层，中间并夹有少数薄层粘土，SMW工法深度自35至65m，间隔每45cm插入H500×200×11×16型钢。
国内在70年代末研制出第一台深层搅拌机。1980年，冶金部第五冶金建设公司和上海冶金建筑设计院合伙，在宝钢金属构造车间设备基本地基加固中采用了深层搅拌法。冶金科学研究院地基所与江阴振冲机械厂共同开发了双轴深层搅拌桩机械(施工深度12～15m，后来各家生产发展到18～20m来施工搅拌桩，作为地基加固及围护构造重力式挡墙。80年代中期，在上海地区应用深层搅拌桩日趋广泛，惯用SJB－I型深层搅拌机，成桩最大长度可达15米。80年代后期以来，深层搅拌桩除用作软基加固与承重桩外，已发展到用于基坑开挖支护构造。当前江阴市振冲机械制造有限公司生产SJBF37型搅拌桩机搅拌头直径为2×Ø700mm最大搅拌深度为18m ，SJBF45型搅拌桩机搅拌头直径为2×Ø760 mm最大搅拌深度达25m。
80年代第一冶金建设公司曾从日本引进一台三轴搅拌机进行SMW工法施工。国内对SMW 工法研究和应用始于20 世纪80 年代后期。1988 年冶金工业部建筑研究总院立题研究，并于1994 年通过建设部技术鉴定。其所用加劲材料(或称芯材)，除国外惯用H 型钢外，还依照国情研制了钢筋笼和轻型角钢组合骨架等，合用于地下开挖深度为6～10 m 基坑。与此同步，上海市开始研究SMW工法，并于1993年在上海静安寺“环球世界”商厦基坑在围护工程初次采用了用普通双轴搅拌桩机械，进行水泥土搅拌施工，再用振动锤将用钢板焊成H型材打入刚施工完搅拌桩内， 这是国内采用SMW 工法第一项工程。
1994 年对H 型钢水泥土复合构造进行了较系统实验研究，并于1997年初将其研究成果应用于上海申海大厦，并对H 型钢回收起拔技术(涉及其减摩隔离材料及起拔机械) 进行了重点攻关，获得成功，从而为减少SMW 工法地下墙造价开辟了途径。
另一方面，为适应工程需要，1996～1997 年，武汉、上海二地先后引进了日本三轴专用搅拌机数台。1998年研制SJB242/ 30 ×4 型四轴搅拌机，获得成功。
当前SMW工法重要应用于国内东南沿海地区软土深基坑围护及地基加固中，在上海、天津、南京、杭州等地已经推广使用，并逐渐向内地推广。国内SMW工法施工用多轴搅拌桩机初期所有从日本进口，制造商有日本三和机材、三和机工，重要以二手机为主，价格昂贵，设备短缺严重制约了SMW工法在国内推广应用。国产第一台同类钻机由北京建筑机械化研究院于1998年开发成功，通过近几年发展国内现已有北京建研、北京三一、北京首钢泰晟、上海金泰、上海工程、浙江振中档公司生产各种规格SMW工法用多轴搅拌桩机。
国内采用三轴搅拌桩机施工搅拌桩最大深度约33m，已不能适应现状需求，直径更大、深度更深搅拌桩是此后发展趋势。
随着国内基本建设和都市建设进一步发展，超深地下工程越来越多，基坑开挖深度已达到40米，地下持续墙深度已施工到65米，为了进行基坑底地基加固、盾构法隧道施工洞口土体加固以及地下持续墙接缝止水加固等也就相应带来了超深土体加固施工和应用。当前全国各大、中都市都在开展地铁建设工程，不但是地铁工程，涉及房建、水利等建设工程，此后超深地下工程会越来越多，从而带来超深地基加固也将越来越多，以往地基加固深度普通只到30米左右施工技术已不能满足当前和此后需求。
近年已浮现了达50米深高压旋喷桩施工技术，但其施工工艺复杂、成本高、对环境影响大，其垂直度和桩径等重要技术指标也较难保证。而水泥土搅拌法加固地基具备如下特点：
▲ 挡水性强、隔水性确切，同地下持续墙比较，没有接缝渗漏问题。
▲ 施工对周边地基环境影响小，使用原位水泥土搅拌形成持续墙，孔壁失稳坍塌很少，可减少周边地基下沉。
▲ 工期短，由于在原位置进行水泥土混合搅拌，可一次性完毕搅拌桩施工，工期较其她工法短。
▲工艺灵活合用范畴广，可以作为围护构造、隔水帷幕、地基加固等用途。
▲ 低振动和噪音低。
▲ 出土较槽壁法少。
▲ 施工成本较低。
由于这些特点，水泥土搅拌桩可以适应都市大规模建设中，建筑密度高，周边条件复杂、环保规定高，施工工期短等工况条件，水泥土三轴搅拌桩技术已经成为越来越多设计和承建商首选施工工艺。为了满足不断增长深大工程基本施工迫切需求，研究和开发加固质量可靠、深度达到40～60水泥土搅拌桩施工技术，不但为深层地基加固提供切实可行技术手段，也具备非常广泛应用前景。
SMW工法重要设备工艺技术原产于日本，设备需要使用自动化限度较高桩机和体积重量都相对庞大搅拌动力驱动装置和搅拌钻杆，这不同对于80年代开始在国内广泛施工双轴搅拌，三轴搅拌桩设备价格昂贵，仅施工直接配备设备购买费用就达到三百万以上，而设备租金决定了加固成本。如果在原有三轴水泥土搅拌桩施工设备基本上，不增长设备投入，仅通过技术开发和工艺创新，将加固深度做到40～60米，也就是普通搅拌桩加固深度1～2倍，并且质量稳定、可靠，工艺规范成熟，将更具现实和实际应用考虑，将具备更高社会效益和经济效益，得到性价比较高。
上海某工程盾构工作井盾构洞口土体加固施工采用日本进口三轴搅拌机、接钻杆方式完毕超深Ø850三轴水泥土搅拌桩。加固范畴为：盾构底部5米、盾构顶部3米，加固土体长度28.3米、加固土体宽度5.2米土体。加固深度为36.95米。加固强度分为强加固与弱加固，强加固深度为14.9米，弱加固深度为22.05米。
地基加固运用拆接钻杆技术共计完毕深度为36.95米Ø850三轴水泥土搅拌桩134幅。
1用搅拌桩机施工预埋孔，放入预埋钻杆。

2进行水泥土搅拌桩施工。搅拌下沉钻杆，到第一组钻杆结束。

3拆下钻杆接头，移动桩机到预埋钻杆位置。

钻杆加接流程示意图1～3

4连接预埋钻杆，提高预埋钻杆，移动桩机回到原桩位。

5将预埋钻杆和第一组钻杆连接起来，继续搅拌下沉。

6重复环节3～5直至到达设计桩深。
提高搅拌时，拆卸钻杆放回预埋孔中。

钻杆加接流程示意图4～6
盾构井现场地质状况表
层号
土层名称
普通层底埋深(M)
桩深
静探比贯入阻力Ps（MPa）
原则贯入N值
②3
砂质粉土
浦东7.5
36.95米
3.79
9.8
③1
淤泥质粉质粘土
11.5
0.67
-
③2
粉砂
13.0
3.26
12.7
④
淤泥质粘土
24.0
0.84
-
⑤1
粘质粉土
31.0
1.11
-
⑤2
粉质粘土（浦东）
47.0
3.07
21

⑤3
粉质粘土
58.0

2.04
-
⑦1-2
砂质粉土
56.0

7.76
33
⑦2
粉砂
72.0

15.37
45

盾构井进洞口加固平面图
盾构井进洞口加固剖面图

★重要施工技术参数
水泥用量：上部22.05米弱加固搅拌土体重量8％，
下部14.9米强加固搅拌土体重量25 ％；
外掺剂：掺入水泥重量5％膨润土；
水灰比： 1.8；
钻进、提高速度：1.0～2.0米/分钟；
三轴搅拌桩径：3×Φ850。

搅拌桩成桩施工
★加接钻杆组合

钻杆预制 钻杆连接
在项目实行过程中使用三轴搅拌机具预搅成孔，采用现场连接钻杆工艺，最大搅拌深度37.5米。
加接钻杆组合表

钻杆长度
加接钻杆
钻进深度
钻杆组数
起钻
23.7米
-
20.7米
1
第一次拆接
41.7米
18米
37.5米
2

盾构井进洞口加固检测分析表

单轴抗压强度MPa
单轴抗压强度MPa
垂直渗入系数cm/s
垂直渗入系数cm/s
桩号
2－6
2－8
2－6
2－8
平均值
1.62
1.27
1.12E-08
9.53E-09
原则偏差
0.43
0.22
2.88E-09
2.79E-09
离散率
27%
18%
26%
29%

★质量评估结论：
无侧限抗压强度实验成果表白，本次抽样样品组单轴无侧限抗压强度平均值均不不大于1.2Mpa。通过抽样样品垂直渗入实验表白，本次抽样样品渗入系数均不大于10-7cm/s。

搅拌桩桩体钻芯取样
通过这个工程实例实际应用和操作，证明使用从日本进口桩机和搅拌动力设备以及钻具，结合钻杆加接技术进行超深搅拌桩施工，是完全可行。既有MAC-240-3B动力装置在水灰比不不大于2.0和下沉速度不不不大于0.3～0.5控制条件下，搅拌施工深度可以达到60米，进入硬土层7号土将近30米。结合DH608-120M桩机自身携带桩架垂直度监控系统，通过正常桩架调节操作，可以使桩架和钻进垂直达到1/200精度规定。满足了钻进加接技术所规定垂直精度规定。钻杆加接工艺可行性得到了工程应用验证，并在应用过程中得到改进，提高了工效。
超深搅拌桩研究和应用，使搅拌桩深度突破桩架限制，超过30米，达到60米，并且加固范畴明确，加固体防渗隔水性能可靠，对周边环境影响比较小。可以广泛应用于，深度较大地下隔水帷幕工程、深基坑围护构造防水、深层大体积地基加固，以及插入H型钢后SMW工法桩围护构造和超深抗拔桩、超深承载桩等。可以作为围护构造、隔水帷幕、地基加固等用途。由于三轴搅拌机施工具备：施工速度快、加固质量稳定、垂直度好、加固土均匀、止水效果好、挤土效应小、对环境影响小、无污染等长处，其重要长处是其他加固工艺所难于代替。施工深度加深后，其在地基加固工程中应用会越来越多，其应用市场前景非常辽阔，是一种很有推广前程施工工艺。
当前超深地基加固施工工艺重要有三重管双高压旋喷桩、超深三轴搅拌桩，在经济上有一定可比性，如下是当前市场上几种地基加固大体报价状况。
三轴搅拌桩、旋喷桩市场报价状况表
序号
工艺名称
单价（元/m3）
备注
1
超深三轴搅拌桩
（本项目）
500
深度50米，水泥掺量25%（450公斤/ m3）
3
普通三轴搅拌桩
220
深度约30米，水泥掺量20%（360公斤/ m3）
4
普通三重管旋喷桩
320
深度约30米，
水泥掺量450公斤/ m3
5
三重管双高压旋喷桩
450
深度约50米，
水泥掺量380公斤/ m3
从上表可以看出，超深三轴搅拌桩比普通三轴搅拌桩单价要高出约一倍，其重要是应用工程量小摊消费大、钻杆增长、水泥掺量增长、施工时间增长等因素导致。和同深度三重管双高压旋喷桩比较，当前市场价相差不大，三重管双高压旋喷桩在国内推出已有较长时间，当前市场价已有一定幅度下降（并且表中水泥掺量较低），虽然超深搅拌桩当前由于各种因素，单价较高，但随着超深搅拌桩逐渐推广应用，日趋成熟后，其价格也会逐渐下降，并且三轴搅拌桩有着加固范畴（桩径）明确可靠、垂直度好、加固土均匀、止水效果好、挤土效应小、对环境影响小等其他地基加固工艺难于代替长处，随着地下工程深度越来越深、环保规定越来越高，超深搅拌桩也会带来难以预计经济和社会效益。