郭宏斌

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,上海 200002)

水泥土攪拌樁加固技術(shù)是目前行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的土體加固技術(shù),多年來(lái)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(gè)分類。近年來(lái)市場(chǎng)上新研發(fā)了數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)(簡(jiǎn)稱MFP工法),該技術(shù)設(shè)置四根中空的三通道鉆桿,實(shí)現(xiàn)了攪拌過(guò)程噴射水泥漿液和空氣,從而發(fā)揮了水泥土碳酸化作用的固化機(jī)理,加快深部水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行過(guò)研究,數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)采用的是一字形四軸攪拌樁。

同傳統(tǒng)攪拌樁施工技術(shù)相比,數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于它通過(guò)數(shù)字化施工控制系統(tǒng),根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)控制下沉與提升速度,并匹配對(duì)應(yīng)的漿液供應(yīng)量;實(shí)時(shí)監(jiān)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(shù),在施工情況發(fā)生異常后能及時(shí)發(fā)出預(yù)警;它的核心思想在于將原本過(guò)于依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)及責(zé)任心的人工因素改為機(jī)器控制,并將主要的施工參數(shù)自動(dòng)記錄以便追溯。

此外由于數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)在攪拌及噴漿工藝上均進(jìn)行了改進(jìn),因此它在施工期間對(duì)周邊環(huán)境的影響更小,同時(shí)只需要消耗更少的水泥就能夠達(dá)到常規(guī)的三軸攪拌樁的加固效果[3];下文將針對(duì)MFP工法的技術(shù)特點(diǎn)、同類加固技術(shù)間的對(duì)比及工法實(shí)施效果進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌設(shè)備如圖1所示。

1 MFP工法技術(shù)特點(diǎn)

1.1 微擾動(dòng)施工

考慮到攪拌樁技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用于臨近管線及周邊建筑物的狀況,施工期間減少對(duì)周邊環(huán)境的影響是攪拌樁技術(shù)的重要要求,數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)主要通過(guò)安裝壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)置異形鉆桿及新增差速葉片等三項(xiàng)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)微擾動(dòng)施工。

地內(nèi)壓力傳感器設(shè)置在攪拌鉆頭底部,當(dāng)壓力報(bào)警后,數(shù)字化施工控制系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整漿氣壓力,減小對(duì)地層擾動(dòng);異形鉆桿則使得攪拌過(guò)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(jiàn)圖2)。

1.2 噴漿攪拌工藝

MFP工法在4根鉆桿內(nèi)部均同時(shí)配置噴漿管和噴氣管,成樁過(guò)程中,鉆頭可同時(shí)噴射漿液和壓縮空氣,避免部分鉆桿噴漿、部分鉆桿噴氣,導(dǎo)致樁身強(qiáng)度平面分布不均的問(wèn)題。同時(shí),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?jǐn)嚢琛嚎s空氣可加速水泥土碳酸化過(guò)程,提高攪拌樁中水泥土的早期強(qiáng)度。四軸鉆桿剖面示意圖見(jiàn)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(guò)程中可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)土體50次以上的攪拌次數(shù),遠(yuǎn)超相關(guān)規(guī)范中的20次。通過(guò)配置成樁過(guò)程中不隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù),也保證土體與漿液攪拌均勻[4]。

1.3 數(shù)字化施工

MFP工法設(shè)備配置了全套數(shù)字化施工控制系統(tǒng),包含定位、控制和監(jiān)控子系統(tǒng)[5](見(jiàn)圖4),可控制成樁自動(dòng)化施工、實(shí)時(shí)記錄施工過(guò)程參數(shù),并對(duì)成樁過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警[6]。

在方案中確定施工參數(shù)后,將其輸入數(shù)字化綜合控制系統(tǒng),設(shè)備就能按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化攪拌樁施工。對(duì)于不同要求的施工范圍,系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)分段精確控制,如圖5所示,在多個(gè)獨(dú)立區(qū)段內(nèi)能夠分別控制攪拌裝置的下沉與提升速度,并根據(jù)速度匹配相應(yīng)的漿液流量。系統(tǒng)還能夠根據(jù)地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整噴氣壓力,控制上下轉(zhuǎn)換噴漿,檢測(cè)樁身垂直度等,通過(guò)不同參數(shù)設(shè)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(wèn)題,提高攪拌樁施工經(jīng)濟(jì)性。智能化的操作系統(tǒng)能夠保證在正常情況下,施工全過(guò)程不需人工操作,因此可以有效避免人為失誤對(duì)攪拌樁施工質(zhì)量的影響,提高攪拌樁成樁質(zhì)量可靠性、一致性[7]。

2 攪拌樁加固技術(shù)對(duì)比分析

2.1 最大施工深度

隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷加深,攪拌樁加固的設(shè)計(jì)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(duì)于設(shè)備的動(dòng)力、穩(wěn)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(jiàn)表1。

表1 不同加固技術(shù)最大深度一覽表

目前數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)的最大施工深度為45 m,同市場(chǎng)上部分超深三軸施工能力相同[8],能夠滿足目前市場(chǎng)上的施工需求,但它具備施工期間全自動(dòng)垂直度檢測(cè)能力是后者所沒(méi)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(shù)不同工程區(qū)別較大,易受水泥摻量、周邊環(huán)境等多個(gè)因素影響,但規(guī)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(jìn)行比較[9-10],選用直徑850 mm鉆頭,據(jù)圖數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同加固技術(shù)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(zhǎng)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(shí)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(jiàn)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(nèi)部均同時(shí)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?jǐn)嚢?壓縮空氣可加速水泥土碳酸化過(guò)程,提高攪拌樁中水泥土的早期強(qiáng)度。因此其水泥使用量較最常見(jiàn)的三軸攪拌樁節(jié)省25%,能夠有效減少水泥消耗,同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)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(shí)際施工過(guò)程中產(chǎn)生的搭接面積更少,這也意味著在搭接或套打范圍內(nèi)重復(fù)施工消耗的水泥量減少,故四軸攪拌樁的最終水泥節(jié)省量會(huì)有進(jìn)一步提升。

3 施工效果分析

3.1 背景介紹

浦東機(jī)場(chǎng)南區(qū)地下交通樞紐及配套工程位于上海市浦東新區(qū),機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)區(qū)以西、飛翱路以東、機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳以南和圍場(chǎng)河路以北。本工程A組團(tuán)坑內(nèi)被動(dòng)土加固主要采用超深三軸攪拌樁工藝,為提高被動(dòng)加固區(qū)施工質(zhì)量,將局部較深位置的三軸攪拌樁工藝調(diào)整為微擾動(dòng)四軸攪拌樁。

調(diào)整被動(dòng)加固區(qū)采用φ850@650微擾動(dòng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。施工垂直度應(yīng)滿足1/250要求,下沉水灰質(zhì)量比1.5,提升水灰質(zhì)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(shù)

本次攪拌樁采用搭接施工,設(shè)備布置2套JB180MFP設(shè)備由東西兩側(cè)相向而行,逐排施工,具體技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表4。

表4 四軸攪拌樁施工參數(shù)表

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

以①-2基坑為例,該基坑累計(jì)施工四軸攪拌樁659幅,根據(jù)設(shè)計(jì)不小于1%取芯比例的要求,施工完成28 d后共進(jìn)行7次取芯檢驗(yàn),檢測(cè)報(bào)告顯示樁身芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.82 MPa～0.85 MPa,均滿足設(shè)計(jì)不小于0.8 MPa的要求,且芯樣完整均勻,施工質(zhì)量較好(見(jiàn)圖7)。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

①-2基坑普遍開(kāi)挖深度29.7 m,采用1 000 mm厚,55 m左右地下連續(xù)墻做圍護(hù),設(shè)置6道混凝土支撐,其中北側(cè)設(shè)置四軸加固作為被動(dòng)土加固,對(duì)應(yīng)的深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為P33,P34,P35,P36四處,整個(gè)基坑開(kāi)挖節(jié)點(diǎn)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(yǎng)護(hù)。整個(gè)基坑開(kāi)挖期間P33點(diǎn)累計(jì)變形最大值為78.8 mm,深度為21 m;P34點(diǎn)累計(jì)變形最大值為82.5 mm,深度為25 m;P35點(diǎn)累計(jì)變形最大值為82.5 mm,深度為25 m;P36點(diǎn)累計(jì)變形最大值為86.5 mm,深度為26 m;各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均小于設(shè)計(jì)要求的10 mm報(bào)警值,由此證明微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)在本工程用于進(jìn)行坑內(nèi)被動(dòng)土體加固的效果是顯著的。P33孔深層圍護(hù)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)作為水泥土攪拌樁領(lǐng)域的新工藝,它在減少環(huán)境擾動(dòng)、降低水泥用量及提高數(shù)字化程度三方面對(duì)三軸攪拌樁工藝進(jìn)行改進(jìn),并取得了相應(yīng)的成效。目前該工藝的最大施工深度達(dá)45 m,且具備施工期間全自動(dòng)垂直度檢測(cè)能力;其施工效率能達(dá)到兩軸攪拌樁的2.47倍,三軸攪拌樁的1.37倍;同時(shí)該工藝可加速水泥土碳酸化過(guò)程,提高攪拌樁中水泥土的早期強(qiáng)度,因此其水泥使用量較最常見(jiàn)的三軸攪拌樁節(jié)省25%;在浦東機(jī)場(chǎng)南區(qū)地下交通樞紐及配套工程中的應(yīng)用過(guò)程中,加固體的取芯檢測(cè)情況及最終的變形數(shù)據(jù)也顯示該工藝的施工質(zhì)量能夠得到保證。因此數(shù)字化微擾動(dòng)四軸攪拌樁技術(shù)作為新工藝具備先進(jìn)性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性,具有廣闊的推廣前景。