微擾動(dòng)四軸攪拌樁工法及所用施工裝備

劉玉霞，吳 健，龔秀剛

（上海工程機(jī)械廠有限公司，上海 201901）

水泥土攪拌樁利用水泥等建筑材料作為固化劑，通過(guò)特制的深層攪拌樁機(jī)械的攪拌鉆頭，在地基土中將土和固化劑強(qiáng)制攪拌，固化劑和土之間產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成強(qiáng)度較高、整體性、水穩(wěn)定好的水泥土柱體。

目前，常用的水泥土攪拌樁包含二軸、三軸及五軸攪拌樁等。二軸、三軸攪拌樁為傳統(tǒng)攪拌樁。二軸攪拌樁施工時(shí)采用“兩噴三攪”工藝，制約了施工效率。三軸攪拌樁施工時(shí)兩側(cè)鉆桿噴漿、中間鉆桿噴壓縮空氣，致使中間樁的強(qiáng)度比兩側(cè)小。此外，所用漿液水膠比較大，一定程度上降低了樁身強(qiáng)度。近年來(lái)，在提高施工效率、樁身均勻性方面，趙春風(fēng)等［1］研究試驗(yàn)了五軸攪拌樁技術(shù)，與三軸攪拌樁相比，選用較小的水灰比設(shè)計(jì)及“一下一上”的施工流程，能夠提高攪拌均勻性與施工效率。徐超等［2］提出在處理深厚軟土地基時(shí)沿樁身變摻量施工工藝，可改善攪拌樁的整體成樁質(zhì)量。在水泥土攪拌樁智能化施工方面，萬(wàn)瑜等［3］通過(guò)控制漿量分布及用量分析了智能化施工控制系統(tǒng)對(duì)水泥土攪拌樁的應(yīng)用效果。朱志鐸等［4］對(duì)水泥土攪拌樁智能化施工開(kāi)展研究，研發(fā)了雙向水泥土攪拌樁設(shè)備智能化施工控制系統(tǒng)，可按照設(shè)定程序?qū)嵤?biāo)準(zhǔn)化施工，一定程度上降低了攪拌樁施工對(duì)人工的依賴。在水泥土攪拌法對(duì)土體的擾動(dòng)方面，葉觀寶等［5］研究得到，加入土層的固化劑導(dǎo)致周圍土層的孔隙水壓力升高，可通過(guò)打設(shè)釋放孔，使得壓力上升緩慢并釋放，實(shí)現(xiàn)控制土體擾動(dòng)；龔靈迪等［6］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比較不同水泥摻量的三軸攪拌樁施工對(duì)周邊土體變形的影響，結(jié)果表明攪拌樁周邊土體擾動(dòng)和水泥摻量存在正相關(guān)性，水泥摻量提高至20%時(shí)，距樁身2.75 m處的土體最大水平位移較水泥摻量13%時(shí)，從5 mm增大至22 mm。

在前人的研究與實(shí)踐推動(dòng)下，水泥土攪拌法在樁身均勻性、施工效率、智能控制、施工擾動(dòng)控制等方面取得了較大進(jìn)展，然而現(xiàn)有技術(shù)仍存在需要研究完善與提升之處：1）采用部分鉆桿噴漿、部分鉆桿噴氣設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致樁身強(qiáng)度平面分布不均；2）上下轉(zhuǎn)換噴漿換具有隨機(jī)性，未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換控制；3）缺少減少施工擾動(dòng)的措施；4）數(shù)字化施工控制不夠全面和精細(xì)，缺少對(duì)地內(nèi)壓力、鉆頭垂直度、葉片攪拌次數(shù)的檢測(cè)與調(diào)控，無(wú)法根據(jù)地層自動(dòng)分段調(diào)控漿液壓力與流量等；5）常規(guī)攪拌樁施工關(guān)鍵參數(shù)仍與操作人員經(jīng)驗(yàn)等人為因素密切相關(guān)，施工過(guò)程不透明、關(guān)鍵施工參數(shù)難以追溯，難以有效管控?cái)嚢栀|(zhì)量［7-9］。

為解決上述問(wèn)題，本文基于微擾動(dòng)四軸攪拌樁工法技術(shù)，從工法原理、工法材料用量與水膠比、施工裝備的組成多方面闡述解決方案，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證工法技術(shù)與所用施工裝備的可行性，以期為水泥土攪拌樁的數(shù)字化施工、施工質(zhì)量有效管控與評(píng)價(jià)、微擾動(dòng)施工等提供參考。

1 工法原理

微擾動(dòng)四軸攪拌樁工法使用四軸鉆機(jī)上的切削葉片、噴漿口噴出的漿液及噴氣口噴出的氣體共同切割土體，再經(jīng)過(guò)攪拌葉片將水泥等固化劑與土體均勻攪拌，最終形成具有一定強(qiáng)度和抗?jié)B性樁體的攪拌樁新工法；四軸鉆機(jī)配置的三通道異形鉆桿具備排漿、排氣功能，可實(shí)現(xiàn)成樁全過(guò)程對(duì)樁周土體的微小擾動(dòng)，配套開(kāi)發(fā)的數(shù)字化施工控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控成樁參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化成樁［7］。

1.1 成樁類型

微擾動(dòng)四軸攪拌樁成樁類型有I型與II型兩類，樁型平面形式如圖1（a）、（b）所示。I型施工裝備的攪拌系統(tǒng)為單排四軸鉆機(jī)，鉆孔直徑為850 mm，鉆桿中心距為650 mm，葉片搭接長(zhǎng)度為200 mm；II型施工裝備的攪拌系統(tǒng)為雙排四軸鉆機(jī)，鉆孔直徑與中心距分為850 mm/650 mm、700 mm/500 mm兩種，搭接均為200 mm。I型樁宜用作勁芯水泥土墻、隔水帷幕、槽壁加固、土體加固、盾構(gòu)進(jìn)出洞加固、水利工程中的防滲墻和環(huán)境工程中的隔離墻；II型樁宜用作重力式圍護(hù)墻和大面積復(fù)合地基處理［7］。

圖1 樁型平面形式mm

1.2 樁身質(zhì)量控制技術(shù)

工法采用“兩噴兩攪”與樁內(nèi)通入適量壓縮空氣技術(shù)，工法施工曲線如圖2所示，施工參數(shù)如表1所示。工法樁身質(zhì)量控制技術(shù)介紹如下。

表1 工法施工參數(shù)

圖2 工法施工曲線

（1）漿液流量與成樁速度相互匹配。下沉和提升過(guò)程中均可分成多個(gè)階段獨(dú)立控制施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)漿液流量與成樁速度相互匹配，保證全長(zhǎng)范圍內(nèi)樁身的均勻性。

（2）上、下噴漿口轉(zhuǎn)換噴漿。攪拌鉆頭上設(shè)置上、下兩層噴漿口，上、下兩層噴漿口的開(kāi)啟和關(guān)閉由數(shù)字化施工控制系統(tǒng)控制，下沉攪拌過(guò)程中開(kāi)啟下噴漿口，減少下沉阻力；提升時(shí)關(guān)閉下噴漿口，開(kāi)啟上噴漿口，漿液和土體再次得到充分?jǐn)嚢瑁_保了攪拌體的均勻性。

（3）壓縮空氣介入。單根鉆桿體內(nèi)布置3個(gè)獨(dú)立通道，其中兩處通道通漿，一處通道通氣或引入控制線纜，攪拌鉆頭噴氣口位于各根鉆頭底部，攪拌下沉?xí)r，數(shù)字化施工控制系統(tǒng)控制噴氣口打開(kāi)，壓縮空氣通入土體，壓縮空氣除了能夠有效增大漿液噴射范圍，對(duì)土體有切削作用外，還可加速水泥土凝結(jié)、硬化和碳酸化，提高攪拌加固體的早期強(qiáng)度。

（4）樁身垂直度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。鉆頭下部配備傾斜儀，成樁過(guò)程中可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁身垂直度。樁身質(zhì)量控制邏輯如圖3所示。

圖3 樁身質(zhì)量控制邏輯

1.3 攪拌樁施工對(duì)地層微擾動(dòng)技術(shù)

工法減小攪拌樁施工對(duì)地層的擾動(dòng)的技術(shù)：

（1）建立漿、氣排出通道。常規(guī)攪拌樁工法的鉆桿截面為圓形，該工法設(shè)備的4根鉆桿采用外表面為類橢圓的異形鉆桿，在鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)下沉或提升過(guò)程中，當(dāng)攪拌土體內(nèi)部壓力超過(guò)原位土壓力時(shí)，漿、氣會(huì)沿著鉆桿周邊的排漿通道自然排出，避免攪拌鉆頭附近因漿、氣壓力不斷累積對(duì)周邊地層產(chǎn)生較大側(cè)壓力。以I型樁型為例，鉆桿排漿、排氣通道示意如圖4所示。

圖4 鉆桿排漿、排氣通道示意

（2）防止黏土黏附鉆桿和泥球的形成。在攪拌鉆頭上設(shè)置差速葉片，在攪拌過(guò)程中差速葉片不跟隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，能有效防止黏土黏附鉆桿和泥球的形成（圖3）。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)整地內(nèi)壓力。攪拌鉆頭下部配置地內(nèi)壓力傳感器（圖3），成樁全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地內(nèi)壓力變化，通過(guò)數(shù)字化控制系統(tǒng)調(diào)整噴氣壓力，確保地內(nèi)壓力控制在合理范圍以內(nèi)［7］。

2 工法材料用量與水膠比

基于微擾動(dòng)四軸攪拌樁工法的原理，該工法具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，成樁效率高，自動(dòng)化水平高的優(yōu)點(diǎn)，適用于淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、砂性土、素填土等地層。工法應(yīng)用于淤泥質(zhì)土、黏性土、砂性土地層時(shí)，與常規(guī)三軸攪拌樁相比，材料用量與水膠比如表2所示。工法在素填土中施工時(shí)，材料用量與水膠比宜參照淤泥質(zhì)土，且水泥摻量宜取大值；用于粉土地層時(shí)，材料用量與水膠比宜參照砂性土。

表2 微擾動(dòng)四軸攪拌樁與常規(guī)三軸攪拌樁的材料用量與水膠比［7，10］

3 施工裝備

微擾動(dòng)四軸攪拌樁施工裝備如圖5所示，主要包括攪拌系統(tǒng)、樁架、數(shù)字化施工控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、自動(dòng)制漿與供漿系統(tǒng)等，其中攪拌系統(tǒng)又稱為四軸鉆機(jī)，分為I型單排四軸鉆機(jī)與II型雙排四軸鉆機(jī)，四軸鉆機(jī)主要由動(dòng)力頭、三通道異形鉆桿、移動(dòng)式導(dǎo)向定位裝置、攪拌鉆頭、下鉆導(dǎo)向裝置、固定抱箍等組成；自動(dòng)制漿與供漿系統(tǒng)的關(guān)鍵部件泥漿泵通過(guò)變頻技術(shù)控制其流量。

圖5 微擾動(dòng)四軸攪拌樁施工裝備

微擾動(dòng)四軸攪拌樁施工裝備為國(guó)內(nèi)自主研制，根據(jù)各種地質(zhì)工藝試樁情況，鉆機(jī)功率確定為264 kW，處理深度最大為45 m，配套樁架型號(hào)為JB170、JB180，根據(jù)處理深度不同或凈空要求選用。主要施工裝備選型參數(shù)如表3～5所示。數(shù)字化施工系統(tǒng)具備成樁施工的自動(dòng)化控制、施工數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和顯示、監(jiān)控及預(yù)警功能?？諌簷C(jī)的最大供氣壓力為0.8 MPa。

表3 四軸鉆機(jī)選型參數(shù)

表4 樁架選型參數(shù)

表5 泥漿泵選型參數(shù)

3.1 四軸鉆機(jī)

四軸鉆機(jī)動(dòng)力頭由兩臺(tái)立式變頻電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與行星減速機(jī)聯(lián)接，再通過(guò)齒輪箱體內(nèi)的降速增扭齒輪將動(dòng)力傳遞給法蘭接頭、三通道異形鉆桿及攪拌鉆頭進(jìn)行鉆孔攪拌作業(yè)。根據(jù)不同地質(zhì)情況，為提高施工效率，可采用高速或低速作業(yè)，下沉?xí)r采用低速大扭矩，提升時(shí)采用高速小扭矩。以I型四軸鉆機(jī)為例，其動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)如圖6所示，四軸鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 四軸鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖6 I型四軸鉆機(jī)動(dòng)力頭示意

動(dòng)力頭廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，以最高轉(zhuǎn)速46 r/min空轉(zhuǎn)運(yùn)行2 h，環(huán)境溫度為37℃時(shí)，實(shí)測(cè)電機(jī)的最高溫度為87℃，減速機(jī)的最高溫度為63℃，回轉(zhuǎn)注漿接頭的最高溫度為46℃。

3.2 數(shù)字化施工控制系統(tǒng)

數(shù)字化施工控制系統(tǒng)是微擾動(dòng)四軸攪拌樁施工的核心，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)打樁施工的全自動(dòng)化、施工參數(shù)可視化監(jiān)控、施工參數(shù)記錄存儲(chǔ)以及發(fā)生參數(shù)異?；蚬收蠒r(shí)的報(bào)警等功能，從而有效提高施工效率，并確保施工過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)的精準(zhǔn)控制。數(shù)字化施工控制系統(tǒng)控制框圖如圖7所示，系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)容及相應(yīng)檢測(cè)元器件檢測(cè)精度范圍如表7所示。

表7 數(shù)字化施工控制系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)容及相應(yīng)檢測(cè)元器件檢測(cè)精度范圍

圖7 數(shù)字化施工控制系統(tǒng)

4 工程實(shí)例

以上海寶山某小區(qū)項(xiàng)目微擾動(dòng)四軸攪拌樁施工為例，該項(xiàng)目為型鋼水泥土攪拌墻，采用振動(dòng)錘輔助內(nèi)插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，型鋼采用插二跳一方式。工程地質(zhì)為粉質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)18 m，水泥摻量為15%，下沉水灰比為1.5，提升水灰比為1.0，下沉噴漿占比30%，提升噴漿占比70%。該項(xiàng)目成樁過(guò)程為全自動(dòng)成樁，某樁位施工記錄、地內(nèi)壓力記錄及鉆桿垂直度均由數(shù)字化施工控制系統(tǒng)記錄、存儲(chǔ)與導(dǎo)出。施工記錄圖反映了成樁施工時(shí)間段內(nèi)的成樁深度、鉆桿轉(zhuǎn)速、總電流及總漿液流量的具體數(shù)值，如圖8所示。位于鉆頭底部的壓力傳感器在成樁過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的地內(nèi)壓力圖如圖9所示，鉆桿垂直度通過(guò)停機(jī)30 s由安裝于鉆頭下部的傾斜儀測(cè)出，監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄表如表8所示。

表8 鉆桿垂直度監(jiān)測(cè)記錄

圖8 MFP施工記錄圖

圖9 地內(nèi)壓力記錄

5 結(jié) 語(yǔ)

微擾動(dòng)四軸攪拌樁具備了較完備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與施工裝備，已在江蘇、浙江、上海等地的基坑被動(dòng)區(qū)土體加固、勁芯水泥土墻及河道駁岸地基加固工程得到了成功應(yīng)用。目前微擾動(dòng)四軸攪拌樁施工數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)已搭建，可通過(guò)手機(jī)端和網(wǎng)絡(luò)端實(shí)時(shí)查看采集傳感器獲取的施工參數(shù)。隨著該工法在更多工程上的使用與推廣，其將對(duì)我國(guó)水泥土攪拌樁技術(shù)在施工自動(dòng)化、施工效率的提升及施工質(zhì)量的有效控制方面發(fā)揮重要作用。