大截面攪拌樁在港珠澳大橋香港口岸人工島施工中的應(yīng)用

上海市住宅建設(shè)機(jī)施有限公司 上海 200232

1 項(xiàng)目概況

港珠澳大橋香港口岸人工島攪拌樁地基處理項(xiàng)目位于香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)東側(cè)航空通道下方區(qū)域，在人工島堆載區(qū)域內(nèi)部設(shè)置塑料排水板，采用分層堆載壓實(shí)，對(duì)原軟弱土體進(jìn)行固結(jié)，共分4 層堆填至+11.5 m，每層的堆載固結(jié)時(shí)間一般為6 個(gè)月。香港路政署為加快人工島的建設(shè)，計(jì)劃在+2.5 m標(biāo)高處直接吹砂至+11.5 m，但是這樣的吹砂速度將對(duì)鋼護(hù)桶產(chǎn)生很大的側(cè)向推力，會(huì)加大鋼護(hù)桶圍堰的位移，影響整個(gè)圍堰的固結(jié)穩(wěn)定，為了解決以上問(wèn)題，對(duì)在鋼護(hù)桶SOL線內(nèi)側(cè)30～57 m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，采用攪拌樁進(jìn)行場(chǎng)地加固。場(chǎng)地現(xiàn)已回填黃砂至標(biāo)高+2.50 m，海床面平均標(biāo)高為-8.00 m，黃砂厚度在10.5 m。海床面存在有工程性質(zhì)較差的軟弱土層，厚度在20 m左右。

本項(xiàng)目攪拌樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)25.0～35.0 m，總工程量約750 000 m3，工期6 個(gè)月，非常緊迫。普通深層攪拌樁受樁架高度和鉆機(jī)功率影響，施工樁長(zhǎng)最大成樁深度在20.0 m以內(nèi)；由于鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，24 h不間斷施工理論產(chǎn)量?jī)H為112.3 m3。三軸攪拌樁水灰比為1.5～2.0，水泥摻量的30%隨棄土被置換出，造成材料浪費(fèi)，由于水泥漿置換的存在，容易對(duì)海水造成污染，難以符合環(huán)保要求。

我們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，取三軸攪拌樁設(shè)備和雙軸攪拌樁設(shè)備之優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，研制出大截面積攪拌樁，樁型采用2φ1 300 mm@1 200 mm（圖1），樁體截面積達(dá)到2.621 m2。本系列設(shè)備集成國(guó)內(nèi)外高性能器件于一體，施工攪拌樁最大長(zhǎng)度達(dá)到54.0 m，完全滿足施工樁長(zhǎng)35.0 m的要求；與機(jī)架匹配的鉆機(jī)功率增大到220 kW，可輕松穿透較硬的黏性土，本設(shè)備最大鉆孔深度為55.0 m；鉆桿上的攪拌葉片增至6 組，共12 片，葉片寬達(dá)27 cm，鉆桿的鉆速14.2 r/min，下沉速度控制在0.5 m/min以內(nèi)，提升速度控制在0.8 m/min以內(nèi)，保證每米樁體攪拌次數(shù)在540 次以上[1]。

2 大截面攪拌樁施工

2.1 施工控制參數(shù)

我公司共進(jìn)場(chǎng)4 臺(tái)JB180系列設(shè)備，每套設(shè)備的總功率為400 kW；施工用固化劑采用廣東省生產(chǎn)的P.O 52.5水泥；每立方加固土體水泥摻量平均值為300 kg；水灰比為0.7，施工用水采用海水；采用下沉攪拌噴漿、提升攪拌噴漿的“兩攪兩噴”工藝施工，鉆頭下沉速度0.5 m/min，提升速度0.7 m/min，24 h的理論產(chǎn)量可達(dá)1 000 m3。

2.2 過(guò)程難點(diǎn)與解決措施

2.2.1 穿越砂層

人工島表層存在10.5 m砂層，鉆頭在穿越砂層時(shí)，不管是下鉆還是提升速度都非常慢，每分鐘的進(jìn)尺只有0.2 m，是計(jì)劃施工速度的1/3，嚴(yán)重降低了施工效率，如何提高10.5 m砂層中的施工速度，成了擺在面前的難題。我們采取3 種方式進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

1）改善水泥漿液。鑒于膨潤(rùn)土具有增稠性、潤(rùn)滑性、吸附性等特點(diǎn)，在施工砂層土?xí)r加入水泥質(zhì)量10%的膨潤(rùn)土，拌和成混合漿液，改善漿液的和易性、保水性。經(jīng)過(guò)拌和后的砂土顆粒之間被混合漿液包圍，砂在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)密實(shí)，處于松散狀態(tài)，鉆頭葉片在砂層中旋轉(zhuǎn)、上下活動(dòng)過(guò)程中所受到的阻力將會(huì)減小，下沉速度可以提高0.2 m/min，提升速度可以提高0.3 m/min。施工中，改善水泥漿液的配比，提高了砂層中的施工速度，效果明顯。

2）改善工藝。鑒于三軸攪拌樁和高壓旋噴樁施工中均有氣體輔助成樁，我們?cè)诔蓸豆に囍幸苍囍尤?.6 MPa的高壓氣體輔助成樁，采用雙層鉆桿，在攪拌噴漿的同時(shí)氣體在鉆頭底部噴出，使上部攪拌土體處于半懸浮狀態(tài)，氣流在上升過(guò)程中將砂層以下淤泥樁體20%的淤泥帶到砂層中，淤泥和黃砂摻合后，土體的摩擦力減小，利于提高穿越砂層的速度。另外，攪拌后的土體在氣流的擊打下均勻性更好，間接地提高了施工質(zhì)量。

3）設(shè)備改進(jìn)。針對(duì)鉆頭在砂層下沉和提成過(guò)程中，掘進(jìn)速度慢，我們效仿“木螺絲”對(duì)鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，將葉片加工成螺旋形，在下沉?xí)r，鉆機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片借助上層土質(zhì)量，鉆頭主動(dòng)切入土體；提升時(shí)，鉆機(jī)反向鉆動(dòng)，下層土給葉片施加頂力，對(duì)鉆頭起到托舉的作用，加快了提升速度，如圖2所示。

圖1 大截面積攪拌樁

圖2 改進(jìn)的設(shè)備

通過(guò)以上3 點(diǎn)的改進(jìn)，在穿越上部砂層時(shí)，達(dá)到了理想的下沉速度1.0 m/min，提升速度達(dá)到1.5 m/min，每立方米加固土體水泥摻量降低到200 kg，經(jīng)28 d后鉆孔取芯，芯樣無(wú)側(cè)限強(qiáng)度可以達(dá)到1.8 MPa，在保證質(zhì)量的情況下，提高了施工效率。

2.2.2 海底淤泥特殊加強(qiáng)處理

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員和施工人員最關(guān)心的就是如何保證原海底近20 m厚淤泥土的強(qiáng)度，在攪拌樁施工前，該土層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度只有0.18 MPa，沒(méi)有找到相關(guān)或者類(lèi)似資料，只有摸索著施工，開(kāi)工前做了3 根試驗(yàn)樁，以提供一些參考依據(jù)。通過(guò)資料了解到，降低土樣的含水量10%，水泥土的強(qiáng)度可以提高30%，我們通過(guò)減小水灰比間接降低土樣的天然含水量，在淤泥層施工時(shí)，水灰比調(diào)整到0.6。為了改善樁體在淤泥土層中的強(qiáng)度，決定在淤泥層施工時(shí)增加一次“兩攪兩噴”，將每立方米加固土體水泥摻量提高到375 kg，3 根試驗(yàn)樁施工結(jié)束7 d后鉆孔取芯，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到0.6 MPa。通過(guò)試驗(yàn)樁，將淤泥土層的施工參數(shù)調(diào)整如下[2,3]：

1）淤泥層施工進(jìn)行復(fù)攪，第1次下沉速度1.0 m/min，提升速度達(dá)到1.5 m/min，第2次下沉速度1.0 m/min，提升速度達(dá)到2.0 m/min；

2）淤泥層施工時(shí)，第1次“兩攪兩噴”每立方米加固土體水泥摻量為300 kg，第2次“兩攪兩噴”每立方米加固土體水泥摻量為75 kg。

對(duì)以上2 項(xiàng)進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，根據(jù)不同土層情況，合理調(diào)整樁體在不同土層中水泥摻入量，在保證整根樁水泥摻入量不變的情況下，保證了樁身整體強(qiáng)度的均勻性。

2.2.3 應(yīng)對(duì)起伏較大的黏土層標(biāo)高

為了保證攪拌樁加固的整體效果，設(shè)計(jì)要求樁底需要進(jìn)入黏土層1.0 m，但相關(guān)資料顯示，該區(qū)域內(nèi)黏土層標(biāo)高起伏較大，雖通過(guò)CPT試驗(yàn)可測(cè)得準(zhǔn)確標(biāo)高，但若每根樁施工前都進(jìn)行CPT試驗(yàn)，成本較高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

通過(guò)鉆機(jī)在不同土層的動(dòng)力輸出情況上著手，觀察電流的變化。我們先在樁位上進(jìn)行CPT試驗(yàn)，確定黏土層標(biāo)高，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，在淤泥土層中，下沉速度在1.0 m/min時(shí)，鉆機(jī)電機(jī)的電流一般在90 A左右，鉆機(jī)以同樣的下沉速度進(jìn)入黏土層的深度達(dá)到1.0 m時(shí)，電流達(dá)到110 A。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)電流反映黏土層標(biāo)高的正確率在95%以上，設(shè)計(jì)、咨詢公司商定，電機(jī)電流達(dá)到110 A為進(jìn)入黏土層的終孔電流，有了該結(jié)論，我們?cè)趧?dòng)力鉆機(jī)上安裝電流監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)電子屏幕，將實(shí)時(shí)電流情況反映在操作者面前，對(duì)掌握黏土層標(biāo)高起伏狀況事半功倍[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目大截面積攪拌樁在香港口岸人工島養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)7 d、28 d、90 d、150 d后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總樁數(shù)的0.5%進(jìn)行取芯檢驗(yàn)，送試驗(yàn)室進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在土層最薄弱的Marine Deposits層，最終平均強(qiáng)度值均大于1.2 MPa。