在高承载力砂性土中进行SMW工法围护的施工设备与技术.doc

在高承载力砂性土层中进行SMW工法围护的施工设备与技术黄均龙 张冠军 上海隧道股份技术中心摘 要 文章介绍了在承载力高的砂性土层中进行SMW工法围护施工所采用的施工设备及设备性能特点、技术参数，还介绍了在施工中所采用的技术措施与注意事项，可为今后在类似地层中进行SMW工法围护施工提供有益的参考。 关键词 SMW工法 组合式三轴深层搅机 砂性土 埋住钻杆 改良土体 技术措施、概述国内有关水泥土深层搅拌法规范表明：水泥土深层搅拌桩施工一般适合于承载力标准值小于200 KPa的地层，但在基坑围护SMW工法施工中，有时会遇到承载力高的硬粘土、砂性土或砂砾土等特殊的地质状况而给工法的实施带来困难。现有的国产双轴深层搅拌桩机设备因在成桩深度、动力头功效、钻头扭矩、刀具布置形式、喷浆量与钻杆提升速度的参数匹配、搅拌均匀程度和垂直度控制等方面的原因，不能正常的在这种地质条件下进行SMW工法施工。如在这种地质条件下应用现有国产双轴深层搅拌桩机进行施工，会出现成桩不到位、埋钻、拉断钻杆、水泥土搅拌桩搅拌不均匀和H型钢插不到位、桩的垂直度难以控制、桩与桩之间没有良好的搭接和搅拌桩进入内衬结构浇筑范围内等质量事故。如果不采取相应的施工工艺，甚至连进口设备在这种地质条件下进行SMW工法施工也会发生上述质量事故。在该种地质条件下实施SMW工法，不仅要具有大扭矩的SMW工法搅拌桩施工设备，还必须有相应的施工工艺和采取一定的技术措施。下面就某电厂二期2135mW发电机组循环水供水顶管工作井与接收井的SMW工法围护工程实例，介绍在施工中所应用的施工设备与采取的技术措施。二、工程概况临近长江边的某电厂二期2135MW发电机组循环水供水工程，是由两根DN2400地下压力钢管和泵房井组成，其中有段钢管线路必须斜穿一期工程煤堆场，该段钢管采用顶管法施工，顶管工作井与接收井的围护结构采用SMW工法施工，其中始发井内净尺寸为11 m12 m，深12.7 m；接收井内净尺寸为8 m11.2 m，深12.7 m。两个基坑的SMW工法围护结构均采用两排700水泥土深层搅拌桩作为防渗墙体，墙体深22 m、厚1.2m，水泥土搅拌桩中水泥掺入量为20%，浆液水灰比为1.52，在防渗墙体的内排搅拌桩中水平间隔1m插入规格为H5003001118的H型钢，H型钢长度为20 m，总数量为102根。三、地质概况与施工难度SMW工法施工区域的地基土层主要岩土指标见表1。 SMW工法施工区域的地基土层主要岩土指标 表1层序号土层名称重度KN/m3凝聚力KPa内摩擦角压缩模量Es1-2标贯试验N静力触探试验qc fc承载力标准值fkrcqqMPaMPaMPaKPa充填土17.420.680.01560-1粘土19.755128102.220.072220粉质粘土18.620226.8103.130.096170粉土18.11626775.790.072160粉砂18.383110.2169.360.087210粉、细砂18.7636134220.320.201320粉砂与粉质粘土互层18.62021.56234.930.137180本次SMW工法的施工深度进入粉、细砂土层，而国内有关水泥土深层搅拌法规范表明：水泥土深层搅拌桩施工一般适合于承载力标准值小于200 KPa的地层。从地质资料上表明， -1粘土层、粉砂层和粉、细砂层的地基承载力标准值均超过200KPa，给水泥土深层搅拌桩施工与H型钢的插入带来了困难。本案-1粘土层是我国江南地区特有的老黄土，含水时凝聚力大，具有很大的吸附作用，而失水时的土质坚如磐石，硬度高。由于土中含有氧化铁和氧化铝，以硬塑为主，在水泥土深层搅拌桩施工时，所用搅拌桩机须具备较大的动力、扭矩和自重方可施工；本案粉砂层和粉、细砂层是标准的铁板砂，是以往槽壁法地下连续墙较难施工的地层，也是水泥土深层搅拌桩机最难施工的地层。由于施工场地临近长江边，地下水按含水层性质和埋藏条件划分为两种类型，以层-1和层作为隔水层，其上部含水层的地下水类型为孔隙潜水；其下部含水层的地下水类型为弱承压水。根据地基土组成和埋藏条件，弱承压水对于本工程影响不大，主要起影响作用的是孔隙潜水，而且，此处孔隙潜水的水位变化与长江水体存在着密切的水力关系，呈季节性变化，要求SMW工法围护水泥土防渗墙体有良好、可靠的抗渗性能。顶管工作井、接收井附近有一期工程的煤场，距一期输煤栈桥和空压机房基础较近，要求SMW工法围护施工时采取定措施，防止施工附近的土层有明显的隆起与沉降，确保输煤栈桥和空压机房基础建筑物安全。接收井施工场地较狭窄，一面紧靠电厂柴油库，三面相邻电厂厂内道路，水泥土深层搅拌桩机设备只能停在接收井范围内施工，而且施工场地没做硬地坪，为原来的厂区绿化地带，所以要求设备不仅能够灵活转动和移动，并且要在泥泞的场地内桩机能准确就位，完成搅拌桩及H型钢插入施工和排出废浆弃土。在这种高承载力值的砂土中进行深层搅拌桩并插入H型钢的施工国内还没见报道。所以，本次SMW工法围护施工难度大、风险大。 现场曾采用原国产的双轴深层搅拌桩机与液压振动锤进行SMW工法围护施工，在施工的8组桩中，搅拌桩施工时间长且深度不到位，而且，从第2根开始，H型钢插不到位，上部割掉24m，且施工效率非常低，质量不能保证，使施工难以继续而退出施工。四、 施工设备与技术措施1施工设备施工设备采用了隧道研究所研制的SJ42/303型SMW工法组合式三轴深层搅拌机、JSZ12033型滚管式打桩架与SYB2100/30型大流量双缸液压变量注浆泵。SJ42/303型SMW工法三轴深层搅拌机采用钻杆注浆，实施贯入输浆成桩先进工艺，搅拌机一上一下或二上二下即完成成桩作业；钻杆具有双速功能，可根据不同地质、工况选择转速改变扭矩；搅拌头具有四层搅拌叶片，确保水泥土搅拌充分均匀；SYB2100/30型大流量双缸液压变量注浆泵可根据水泥土搅拌桩不同水泥掺量与水灰比及三轴深层搅拌机升降速度，调整泵的注浆量，做到水泥土深层搅拌桩沿深度方向水泥浆液分布均匀，两个缸可分别吸浆与输浆提供两路浆液，泵的密封性能好、使用寿命长、操作与维护简单；JSZ12033型滚管式打桩架的底盘设有4个液压油缸支腿，便于悬挂的三轴深层搅拌机钻杆垂直度调整，底盘前端还设置了H型钢定位装置，可配合吊车使H型钢正确定位与插入，最大成桩深度可达28米。设备的技术参数见表2、表3与表4。 SJ42/303型SMW工法组合式三轴深层搅机技术参数 表2序号项目名称技术参数1搅拌直径（mm）3-7002钻杆间距（mm）5603钻杆转速（r/min）40/204输出转矩（kN.m）10/145电机功率（kW）342（30）=126（90）6加固面积（m2）1.077最大拔桩力（kN）4008提升速度（m/min）0.21.4 JSZ12033型滚管式打桩架技术参数 表3序号项目名称技术参数1立柱高度（m）332最大拔桩力（kN）4003提升速度（m/min）0.21.44斜撑电机功率（kW）22.25液压支腿支撑力（kN）43006外形尺寸（m）长宽高10.510357总质量（t）30 SYB2100/30型 大流量双缸液压变量注浆泵技术参数 表3序号项目名称技术参数1理论输浆量（L/min）021002额定注浆压力（MPa）033液压系统油压（MPa）214电机功率（kW）115油泵型号25SCY141B（手动变量）6注浆泵外形尺寸(mm)长宽高220033010007液压动力站外形尺寸(mm)长宽它施工设备为：15吨履带吊车、0.6m3履带式挖掘机、40吨带液压钳的振动锤、3m3空压机、H型钢起拨装置各1台，600升强制式拌浆桶与电焊机各2台。2技术措施(1)三轴深层搅拌机的搅拌钻头改进原搅拌钻头只适合软粘土层，为使搅拌钻头容易切入砂土层，所以在搅拌钻头最下面一层的叶片上加焊了三角形齿板，成为耙式钻头，并且使两侧的钻头长于中间的钻头，以便于三个钻头的定位（见图1）；(2)调整水泥浆液的配比，对砂性土进行改良图1 三轴深层搅拌机的耙式搅拌钻头为使砂性土具有可塑性与流动性，防止出现三轴深层搅拌机下沉搅拌后水泥土中的砂沉积，发生钻杆埋钻现象，在外排水泥土深层搅拌桩施工时，采取第一次喷浆的浆液中减少水泥掺量（所减少的水泥量加在第二次喷浆的浆液中）、加放一定比例（由试验确定）的膨润土、并适当加大水灰比；而在需插入H型钢的内排搅拌桩施工时，首先采用适当浓度（由试验确定）的膨润土泥浆上下搅拌一次，目的是提高-1粘土层的润滑分散性、增加粉砂层和粉、细砂层的粘粒，减少土体对钻杆与H型钢的贯入阻力，便于水泥土深层搅拌桩施工与H型钢的插入(3)中间钻头喷浆改为喷压缩空气为松动土层，减小三轴深层搅拌机钻头的切削阻力，并使水泥土具有很好的流动性，防止砂的沉积，参照日本SMW工法三轴深层搅拌机施工工艺，采用左右两侧钻头喷水泥浆液，中间钻头喷压缩空气。(4)三轴深层搅拌桩施工顺序采用跳打法改以往水泥土深层搅拌桩顺打法施工为跳打法施工，使钻头切土搅拌在均质土层中，以避免顺打法施工时，钻杆易往已施工桩位方向偏斜的现象发生。(5)控制水泥土深层搅拌桩施工速度、防止施工附近的土体隆起与沉降水泥土深层搅拌桩施工时，如喷浆搅拌钻进速度过快，会对周围的土体产生挤压作用，造成周围土体隆起；如钻杆提升速度过快，会使钻头周围的土体压力减小，使桩周围的土体向成桩区域挤压移动，造成桩周围土体的沉降。所以，为防止水泥土深层搅拌桩施工对输煤栈桥和空压机房的基础影响，在接收井基坑围护施工时，在两个基础附近设立沉降观测标杆，以控制水泥土深层搅拌桩施工速度，保证输煤栈桥和空压机房的基础安全。(6)用H型钢作为桩架移动基础与施工桩位的定位标准 因施工场地不做硬地坪，施工设备的自重又大于40吨，为了三轴深层搅拌桩机能够方便移动与准确就位，在搅拌桩墙体施工两侧各放置1根H型钢，并在其上作出桩位与H型钢插入的位置记号。（7）及时清除涌出的水泥土弃浆SMW工法水泥土深层搅拌桩施工，会有大量的废弃水泥土浆涌出槽外，及时清除废弃水泥土浆是提高施工效率的保证，也有利于桩机移位和定位，以及H型钢的定位与插入。3其它施工注意事项（1）拌制水泥浆液时应严格按设计配比进行，并搅拌充分、均匀，贮浆池中的浆液应经常搅动以防离析；（2）三轴深层搅拌机第一次喷浆搅拌的下沉速度控制在1 m / min以下；（3）三轴深层搅拌机第二次喷浆搅拌的提升速度，根据注浆量控制在0.5m/min1.2m/min之间；（4）三轴深层搅拌机的工作电流控制在电机额定值内，否则，应降低三轴深搅机下沉或提升的速度；（5）打桩架的提升卷扬机电机工作电流值控制在额定值内，即提升三轴深搅机的力小于桩架额定拨桩力，防止桩架立柱、提升钢丝绳超载造成的设备安全事故；（6）当三轴深搅机下沉或提升施工时 ，如遇送浆中断，须及时通知前台停机，并在恢复送浆前使深搅机提升或下降1米，保证停浆处的桩连续；（7）每次下沉钻进时，须待钻头喷浆口出浆、喷气口出气后放可钻进工作；(8) 在水泥土搅拌桩施工前，应先确认钻头的桩位偏差不大于50mm与钻杆的垂直度偏差不超过0.5。(9) 在H型钢插入前，应先确认H型钢的桩位偏差不大于50mm与H型钢的垂直度偏差不超过0.5，并在插入过程中控制好H型钢的垂直度。(10) 打桩架移位调整作业应有机长统一指挥，前后台人员一起参加枕木的搬移，使打桩架正确移位并停稳，滚管下的枕木须垫实，使深搅机的水平与垂直位置误差都符合施工要求； (11) 在成桩施工作业时，机长应合理安排人员搬移枕木到下一桩位处，做好移机准备，以减少移机作业辅助工作时间，提高全班成桩施工数量。六实施效果在整个施工过程中，克服了土层硬、地质复杂、缺少在“铁板砂”土层中进行SMW工法的施工经验与在砂层中易于埋钻等困难。虽然在施工初期试桩时曾发生了钻杆埋住的现象，但通过调整施工工艺、搅拌钻头的进一步改进与制定严格的设备操作规程，使施工进入正常状况，最终还比原计划提前5天完成了SMW工法围护施工，并在内衬结构完成后，起拔回收了全部H型钢。七结论1、对于在承载力高的砂性土特殊地层中进行SMW工法施工，除了配备大扭矩、自重大和稳定性好的三轴深层搅拌桩机，还须有与之匹配的大流量注