王義軍（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052）

三軸攪拌樁入巖施工技術(shù)

王義軍
（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052）

摘要：某地鐵深基坑工程，工程主體分布于富水上軟下硬的復(fù)雜地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)選用三軸攪拌樁作為止水帷幕并要求三軸攪拌樁進(jìn)入風(fēng)化巖層，隔斷基坑內(nèi)外的透水層，攪拌樁如何進(jìn)入風(fēng)化巖是一個(gè)值得研究的技術(shù)難題。通過(guò)對(duì)三軸攪拌樁的機(jī)械選型、設(shè)計(jì)三軸攪拌樁鉆頭的結(jié)構(gòu)形式、適用此地質(zhì)條件下的施工參數(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)研究，實(shí)現(xiàn)三軸攪拌樁止水帷幕在泥質(zhì)粉砂巖中的成功施工，達(dá)到徹底隔斷透水層的目的。主要研究結(jié)論如下：1）富水上軟下硬復(fù)雜地質(zhì)條件下可以選用三軸攪拌樁作為止水帷幕；2）三軸攪拌樁入巖后，在類似地質(zhì)條件下可選用鉆孔樁＋三軸攪拌樁代替地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，以節(jié)約投資。

關(guān)鍵詞：地鐵；深基坑；三軸攪拌樁；設(shè)備選型；鉆頭設(shè)計(jì)；風(fēng)化巖層；施工參數(shù)

0　引言

三軸攪拌樁施工工藝具有施工速度快、造價(jià)低的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)地下工程的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，多應(yīng)用于軟土地層條件的施工［1－2］。目前國(guó)內(nèi)外在富水上軟下硬的復(fù)合地質(zhì)條件下，大都采用了地下連續(xù)墻的圍護(hù)體系設(shè)計(jì)［3］。通過(guò)分析對(duì)比，地下連續(xù)墻的圍護(hù)體系比鉆孔樁＋三軸攪拌樁的圍護(hù)體系工程造價(jià)相對(duì)高出很多，對(duì)比情況見(jiàn)表1。

由于三軸攪拌樁在軟土地層中的加固及相對(duì)較淺基坑中的應(yīng)用工藝成熟，而近年對(duì)三軸攪拌樁工藝研究的相關(guān)文獻(xiàn)相對(duì)較少。目前研究方向大都在質(zhì)量控制、施工參數(shù)、復(fù)雜周邊環(huán)境的工藝優(yōu)化及在有一定強(qiáng)度的地層中單孔引孔后的施工技術(shù)等方面，而三軸攪拌樁在有一定強(qiáng)度的富水地質(zhì)條件下依靠自身設(shè)備的機(jī)能在深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的相關(guān)研究則較少。

本文在《三軸攪拌樁施工及質(zhì)量控制》［4］、《無(wú)錫蘇寧廣場(chǎng)三軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)》［5］、《緊鄰地鐵隧道的三軸攪拌樁施工參數(shù)選擇與應(yīng)用》［6］、《三軸攪拌樁在風(fēng)化巖層地區(qū)深基坑施工中的應(yīng)用》［7］的研究基礎(chǔ)上，主要研究在上軟（上部為超厚砂層）下硬（有

一定強(qiáng)度的風(fēng)化巖層，強(qiáng)度約在20 MPa以下）地層中依靠自身設(shè)備機(jī)能及優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)攪拌樁入巖施工技術(shù)，不需要借助任何引孔機(jī)械設(shè)備，使三軸攪拌樁在富水上軟下硬的復(fù)雜地質(zhì)條件的深基坑圍護(hù)體系中得以應(yīng)用，突破三軸攪拌樁機(jī)械自身只能在軟土地層中施工的局限性，拓寬三軸攪拌樁的適用性。

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)比表Table 1 Comparison and contrast among different retaining structures

三軸攪拌樁實(shí)現(xiàn)入巖后可以隔斷透水地層、封閉基坑，切斷外部水源對(duì)基坑內(nèi)的補(bǔ)給，為基坑開(kāi)挖施工及降水創(chuàng)造了非常好的施工條件，大大降低了基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。三軸攪拌樁實(shí)現(xiàn)入巖后與鉆孔樁形成完整的圍護(hù)體系可以應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的深基坑施工，與常規(guī)設(shè)計(jì)的地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，節(jié)約了大量的投資。

綜上所述，對(duì)三軸攪拌樁的入巖施工技術(shù)、在此復(fù)雜地質(zhì)條件下的適應(yīng)性參數(shù)等研究有著重要的價(jià)值和意義。

1　工程水文及地質(zhì)條件

某地鐵工程的深基坑工程，根據(jù)地下水含水空間介質(zhì)和水理、水動(dòng)力特征及賦存條件，擬建工程場(chǎng)地按地下水類型可分為上層滯水、松散巖類孔隙水和紅色碎屑巖類裂隙孔隙水3種類型。場(chǎng)地地層由人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層和第三系新余群基巖組成。按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為①2素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉砂、②2－1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②4中砂、②5粗砂、②6礫砂及⑤泥質(zhì)粉砂巖。地層特性及特征見(jiàn)表2，地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

表2　地層特性及特征表Table 2 Features and characteristics of different strata

基坑上部處在富水砂層中，下部為具有一定強(qiáng)度的泥質(zhì)粉砂巖，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求三軸攪拌樁要進(jìn)入泥質(zhì)粉砂巖層，完全隔斷上部滲透性很強(qiáng)的砂層，從而確?；娱_(kāi)挖過(guò)程中的施工安全。

本文重點(diǎn)對(duì)三軸攪拌樁的入巖技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)三軸攪拌樁在風(fēng)化巖層中的施工，將內(nèi)外聯(lián)通的水系隔斷，僅實(shí)行基坑內(nèi)降水即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。本工程通過(guò)專家論證和各種檢測(cè)、試驗(yàn)及分析，采取一系列的措施解決了三軸攪拌樁入巖的問(wèn)題。

2　施工技術(shù)

2.1機(jī)械選型

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及地質(zhì)條件綜合對(duì)比分析，共計(jì)進(jìn)場(chǎng)2臺(tái)三軸攪拌樁機(jī)，一臺(tái)鉆機(jī)選用國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)PAS－120VAR，另一臺(tái)鉆機(jī)選用日本進(jìn)口的DH－608型三軸攪拌樁機(jī)。2種設(shè)備施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比見(jiàn)表3。

2臺(tái)設(shè)備在同時(shí)鉆進(jìn)前，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告選用

同一個(gè)地質(zhì)勘查孔處的相同地質(zhì)條件，鉆進(jìn)過(guò)程中分別記錄了在砂層及巖層中的鉆進(jìn)速度、水泥摻量、水灰比、設(shè)備分別進(jìn)入不同地質(zhì)條件時(shí)的機(jī)況及動(dòng)力情況等。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析國(guó)產(chǎn)設(shè)備由于動(dòng)力頭功率相對(duì)偏低，在進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層后就已無(wú)法掘進(jìn)，且對(duì)比鉆進(jìn)速度及水泥摻量等情況，均比進(jìn)口設(shè)備性能差。綜合對(duì)比分析，選定采用可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)巖層的日本進(jìn)口DH－608型三軸攪拌樁機(jī)。

圖1　地質(zhì)縱剖面圖Fig.1 Geological profile

表3　2種設(shè)備施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比表Table 3 Working parameters of two types of machines

2.2鉆頭改進(jìn)及增加措施

本工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，超厚砂層，且攪拌樁需要插入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層20～50 cm，以達(dá)到徹底隔斷透水層的目的。通過(guò)設(shè)備比選，雖然選用了性能更優(yōu)的DH－608型樁機(jī)，但在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及專題方案討論，需要采取其他措施。

在鉆進(jìn)成孔時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁統(tǒng)計(jì)，在砂層中鉆進(jìn)速度約為0.6 m／min，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進(jìn)速度約為0.025 m／min，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層幾乎難以鉆進(jìn)，提升速度為1.5 m／min，其中在鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層時(shí)（大約19.3 m），鉆機(jī)鉆桿已調(diào)至最大扭矩。遇強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層受阻力較大，有時(shí)會(huì)發(fā)生卡住鉆頭，中間氣壓管堵塞，鉆機(jī)電流瞬間增大的情況，超出了變壓器的額定電流的設(shè)置參數(shù)，發(fā)生過(guò)跳閘斷電的情況。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的觀察及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，三軸攪拌樁機(jī)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層基本無(wú)法鉆進(jìn)。為了改善鉆頭在泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進(jìn)效果，通過(guò)專家分析論證與不斷試驗(yàn)，比較經(jīng)濟(jì)可行的方案是對(duì)三軸攪拌樁機(jī)的鉆頭形式進(jìn)行改進(jìn)，將原來(lái)葉片咬合式的鉆頭設(shè)計(jì)成螺旋式的鋸齒鉆頭，配置3套鉆頭，并在鉆頭側(cè)翼加焊合金鋼。更換鉆頭后提高了在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進(jìn)速度，在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖實(shí)現(xiàn)了一定的進(jìn)尺。鉆頭前后形式對(duì)比情況見(jiàn)圖2和圖3。

圖2中包括鉆桿，至少3個(gè)等長(zhǎng)的斜臂均勻分布圍繞并垂直固定在鉆桿上，每個(gè)斜臂至少固定3個(gè)鑲嵌合金刀片的刀架，均勻分布的斜臂形成傘骨狀倒錐體，錐體頂部設(shè)有鑲嵌合金刀片的定心刀架。

2.3鉆進(jìn)工藝

主體基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用850＠600三軸攪拌樁止水帷幕［8］。三軸攪拌樁試樁分別采用跳打（套打1根攪拌樁）和順序連接2種連接方式施工，根據(jù)取芯進(jìn)行效果對(duì)比，分析墻體的連續(xù)性和接頭的施工質(zhì)量，從而達(dá)到止水的效果。施工工藝見(jiàn)圖4和圖5。

根據(jù)開(kāi)挖后2種連接方式的實(shí)際效果，總體對(duì)比采用跳打方式連接的止水性和連接性相對(duì)較好。

圖2　三軸鉆頭改進(jìn)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Optimized design of triaxial bit

圖3　三軸鉆頭改進(jìn)前后對(duì)比Fig.3 Triaxial bit before and after optimization

圖4　三軸攪拌樁跳打施工工藝圖Fig.4 Alternative installation of threeaxis mixing piles

圖5　三軸攪拌樁順序施工工藝圖Fig.5 Installation sequence of threeaxis mixing piles

2.4施工技術(shù)及參數(shù)

采用更改后的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，根據(jù)取出的芯段（見(jiàn)圖6）可以觀察到，在進(jìn)入強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層時(shí)不能完全將泥質(zhì)粉砂巖石破碎（經(jīng)過(guò)分析主要原因是鉆頭相互之間不形成咬合，鉆頭重心向下，不能一次性或短時(shí)間內(nèi)完全攪碎泥巖），所以在鉆機(jī)進(jìn)入泥質(zhì)粉砂巖層后要不斷上下重復(fù)攪拌，將碎塊充分磨碎，使夾裹的泥塊與水泥漿液充分溶合，從而解決此問(wèn)題。

圖6　取芯芯樣圖Fig.6 Picture of cores

鉆頭改進(jìn)后，對(duì)具有不同地質(zhì)情況的攪拌樁（W－223、W－184）及1幅套打樁（W－202）進(jìn)行了試驗(yàn)與分析。圖7和圖8分別為W－223號(hào)攪拌樁鉆進(jìn)曲線圖和提升曲線圖，該根樁的水泥用量為16 000 kg，平均水泥摻量為29%，水灰質(zhì)量比為1.5∶1，砂層鉆進(jìn)速度為0.483 m／min（用時(shí)40 min，鉆進(jìn)19.3 m），強(qiáng)風(fēng)化鉆進(jìn)速度為0.041 4 m／min（用時(shí)29 min，鉆進(jìn)

1.2 m）。改進(jìn)鉆頭后攪拌樁在巖層中提升速度為1.7 m／min，總的成樁時(shí)間為81 min。

圖7　W－223號(hào)攪拌樁鉆進(jìn)曲線圖Fig.7 Curve of drilling depth：W223 mixing pile

圖8　W－223號(hào)攪拌樁提升曲線圖Fig.8 Curves of hoisting height：W223 mixing pile

圖9和圖10分別為W－184號(hào)攪拌樁鉆進(jìn)曲線圖和提升曲線圖。在該樁的施工過(guò)程中水泥用量為15 200 kg，平均水泥摻量為27.5%，水灰質(zhì)量比為1.5∶1。由圖9可知，砂層鉆進(jìn)速度為0.625 m／min（用時(shí)32 min，鉆進(jìn)20 m），強(qiáng)風(fēng)化鉆進(jìn)速度為0.020 5 m／min（用時(shí)22 min，鉆進(jìn)0.45 m），中風(fēng)化鉆進(jìn)速度為0.005 m／min（用時(shí)10 min，鉆進(jìn)0.05 m）。由圖10可知，該樁提升速度為1.46 m／min，總的成樁時(shí)間為78 min。

圖9　W－184號(hào)攪拌樁鉆進(jìn)曲線圖Fig.9 Curve of drilling depth：W184 mixing pile

W－202號(hào)攪拌樁為套打樁，圖11和圖12分別為W－202號(hào)攪拌樁鉆進(jìn)曲線圖和提升曲線圖。由此可以發(fā)現(xiàn)，與前面2根試樁的試驗(yàn)結(jié)果有所區(qū)別。在該樁的施工過(guò)程中水泥用量為11 600 kg，水泥摻量為21%，水灰質(zhì)量比為1.5∶1。由圖11可知，砂層鉆進(jìn)速度為1.98 m／min（用時(shí)10 min，鉆進(jìn)19.8 m），強(qiáng)風(fēng)化鉆進(jìn)速度為0.05 m／min（用時(shí)14 min，鉆進(jìn)0.7 m）。由圖12可知，該樁提升速度為2.05 m／min，總的成樁時(shí)間僅為40 min，套打樁的成樁時(shí)間大大縮短。

圖10　W－184號(hào)攪拌樁提升曲線圖Fig.10 Curve of drilling depth：W184 mixing pile

圖11　W－202號(hào)攪拌樁鉆進(jìn)曲線圖Fig.11 Curve of drilling depth：W202 mixing pile

圖12　W－202號(hào)攪拌樁提升曲線圖Fig.12 Curve of hoisting height：W202 mixing pile

通過(guò)分析攪拌樁（W－223，W－184）及1幅套打樁（W－202）的現(xiàn)場(chǎng)試樁統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在砂層中鉆進(jìn)速度約為0.7 m／min，在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進(jìn)速度約為0.036 m／min，在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層的鉆進(jìn)速度約為0.005 m／min，提升速度為1.65 m／min，鉆進(jìn)效率有所提高，而且鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)鉆頭的損壞程度也有所減小。

綜合以上數(shù)據(jù)及相關(guān)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基本確定在此地質(zhì)條件下的一般適應(yīng)施工參數(shù)，具體見(jiàn)表4。

注漿壓力控制在1.0～2.5 MPa，注漿壓力要保證水泥和砂能夠充分?jǐn)嚢?。根?jù)設(shè)計(jì)深度，鉆機(jī)在鉆孔和提升全過(guò)程中，保持螺桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，勻速下鉆，勻速提升，同時(shí)根據(jù)下鉆和提升2種不同的速

度，并采取高壓噴氣在孔內(nèi)使水泥、砂和泥巖等翻攪拌和，在樁底入巖部分應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌注漿時(shí)間，巖層中需重復(fù)攪拌注漿，保證整樁攪拌充分、均勻，確保成樁質(zhì)量。

表4　攪拌樁施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 4 Construction parameters of mixing piles

2.5施工效果

根據(jù)開(kāi)挖情況觀察，基坑內(nèi)側(cè)樁間止水效果非常好，部分樁間有少量濕漬，無(wú)明水流?；觾?nèi)降水效果明顯，基坑外側(cè)水系向基坑內(nèi)補(bǔ)給量很少，基坑內(nèi)降排水量約為理論計(jì)算抽排量的1.3倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的取芯試驗(yàn)檢測(cè)，攪拌樁28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到近6～8 MPa，抗?jié)B效果達(dá)到10－6cm／s，芯樣密實(shí)、完整（芯樣照片如圖6所示）。

3　結(jié)論與建議

1）本文研究的重點(diǎn)是三軸攪拌樁依靠自身的機(jī)械性能需要鉆進(jìn)有一定強(qiáng)度（強(qiáng)度約在20 MPa以下）的巖層，這在三軸攪拌樁的施工中是極其少見(jiàn)的。首先需根據(jù)實(shí)際情況選用大功率鉆機(jī)施工；其次通過(guò)改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)（采用螺旋式的合金鉆頭）實(shí)現(xiàn)了三軸攪拌樁入風(fēng)化巖層的目標(biāo)，當(dāng)攪拌樁從礫砂層中攪拌鉆進(jìn)至泥質(zhì)粉砂巖層中時(shí)，要反復(fù)上下重復(fù)攪拌4～5次，使碎塊被充分磨碎，解決鉆頭改進(jìn)后樁中夾泥的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一系列的試驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整，解決了三軸攪拌樁入巖的技術(shù)問(wèn)題，為以后類似情況的施工提供了一定的借鑒與參考。

2）針對(duì)三軸攪拌樁入巖的工藝，文獻(xiàn)［7］主要敘述了三軸攪拌樁通過(guò)單孔引孔等措施實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度地層的入巖，本文則詳細(xì)介紹了三軸攪拌樁實(shí)現(xiàn)入巖是依靠自身設(shè)備的性能及鉆頭的優(yōu)化等技術(shù)研究，不需要單孔引孔等措施，節(jié)約了引孔費(fèi)用。

3）本文的相關(guān)技術(shù)已在后續(xù)的地鐵工程中實(shí)施，采用此入巖技術(shù)與鉆孔樁相結(jié)合的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，而未采用造價(jià)相對(duì)較高的地下連續(xù)墻的圍護(hù)體系，節(jié)約投資近600萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4）本文的研究?jī)H解決了攪拌樁在風(fēng)化巖層（巖石強(qiáng)度在20 MPa以下）入巖的技術(shù)問(wèn)題，若要實(shí)現(xiàn)硬巖段入巖施工則需要進(jìn)行更深入的研究。同時(shí)，如果能采取措施在基坑開(kāi)挖前檢測(cè)到攪拌樁的止水效果，對(duì)深基坑的施工將會(huì)具有更大的參考價(jià)值。

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Construction Technology for Threeaxis Mixing Piles

WANG Yijun
（The Third Engineering Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Shenzhen 518052，Guangdong，China）

Abstract：The deep foundation pit under study is located in waterrich composite ground consisting soft strata at the upper part and hard strata at the lower part.Threeaxis mixing piles are designed as the waterstopping curtain of the foundation pit.The threeaxis mixing piles are required to extend into the weathered rock so as to isolate the impermeable strata.Therefore，extending the threeaxis mixing piles into the weathered rock is a technical challenge to be studied.In the paper，analysis is made on the type selection of machines for the threeaxis mixing piles，a new type of drill bit is designed for the drilling machine，and construction parameters suitable for the geological conditions are studied.Conclusions drawn are as follows：1）Threeaxis mixing piles can be used as the waterstopping curtain for foundation pits located in waterrich composite ground consisting soft strata at the upper part and hard strata at the lower part；2）Because threeaxis mixing piles can be extended into weathered rock，“bored piles＋threeaxis mixing piles”may be used as retaining structures in geological conditions similar to those mentioned above to replace the diaphragm walls so as to reduce the investment.

Key words：Metro；deep foundation pit；threeaxis mixing pile；machine type selection；drill bit design；weathered rock；construction parameter

作者簡(jiǎn)介：王義軍（1982—），男，遼寧丹東人，2005年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事市政地下工程施工工作。

收稿日期：2014－10－28；修回日期：2015－02－10

中圖分類號(hào)：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672－741X（2015）05－0478－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.015