型钢水泥土搅拌墙在郑州砂性土中的施工应用

摘　要：型钢水泥土搅拌墙技术在我国中原地区应用较少，结合郑州下穿中州大道隧道工作井基坑围护结构施工，分析了型钢水泥土搅拌墙技术的施工难点，详细介绍了设备改进、施工参数优化等技术，成功实现了在超深砂性土地层大直径三轴搅拌桩插入H型钢的先例，为今后型钢水泥土搅拌墙技术的广泛应用积累了经验。
关键词：大直径；型钢水泥土搅拌墙 ；砂性土 ；基坑围护； 施工技术
　　型钢水泥土搅拌墙(亦称“SMW工法桩”)已在上海、南京轨交等工程的基坑围护中得到广泛应用，但在粉细砂地层中施工的案例较少。如果在砂土层中采用该工法施工，容易出现成桩不到位、埋钻、拉断钻杆、水泥土搅拌不均匀、H型钢插不到位、桩的垂直度难以控制等问题。另外，还需要有大扭矩的搅拌桩施工设备以及相应的施工工艺和技术措施。
1　工程概况
　　郑州市纬四路—商务西三街中州大道下穿隧道工程位于郑州中心城区中东部。工程起于纬四路金水河桥，终点为黑庄路商务西五街交叉口，全长909m。其中隧道段全长775m，采用顶管机掘进，顶管机始发井和接收井的围护结构均采用型钢水泥土搅拌墙。
　　商务西三街工作井为顶管始发井，基坑平面外包尺寸为50.05m×16m(长×宽)，开挖深度为14.853m;纬四路工作井为顶管接收井，基坑平面外包尺寸为50.5m×14m(长×宽)，开挖深度为14.443m。围护结构均采用型钢水泥土搅拌墙，水泥土搅拌桩为!1000@750，桩长28.5m，搅拌桩内密插800×300H型钢，桩底进入⑨细砂层(见图1、图2)。
　　根据钻探、标准贯入试验结果，结合室内土工试验资料，对地基土按岩性及力学特征分层后，从上到下分层依次为:①杂填土、②粉土、③粉土、④粉土、⑤粉质黏土、⑤1粉土、⑥粉土、⑦粉质黏土、⑦1层:粉土、⑧粉砂、⑨细砂、⑩粉质黏土(见表1)。
　　根据详勘报告所揭示的地质情况，纬四路工作井坑底位于⑤层粉土，商务西三街坑底位于⑥层粉土。砂层微承压水主要埋藏于第⑧、⑨层细砂层中，平均水位埋深15.0m，水位标高约75.0m。

2　工程施工难点
　　1)型钢水泥土搅拌墙的施工深度进入⑧粉砂层和⑨细砂层，其地基承载力标准值均接近200kPa，砂层含水时凝聚力大，具有很大的吸附作用，而失水时的土质坚如磐石，硬度高。
　　2)在这种高承载力值的砂性土中施工大直径(Φ1000)三轴搅拌桩并插入H型钢，在国内还尚未见报道，没有经验可借鉴。
　　3)现场电力供应不稳定，搅拌桩机钻进时容易因电流突增而造成施工中断，存在卡钻隐患。
3　主要施工技术措施
3.1　施工工艺流程(见图3)
3.2　施工设备改进
　　1)原有施工机械设备见表2。
　　2)为使搅拌钻头容易切入砂土层，改造了搅拌钻头，并在改造后的搅拌钻头最下端叶片上加焊了合金刀具，增加了搅拌翼和先行搅拌翼，成为耙式钻头，并且使两侧的钻头长于中间的钻头，以便于3个钻头的定位(见图4)。

　　3)将原2组90kW的动力头更换为3组75kW的，大大提高了搅拌机的扭矩，可以更加充分搅拌⑧粉砂层和⑨细砂层的土体。
3.3　施工参数控制和优化
　　1)为了使砂性土具有可塑性与流动性，防止出现三轴搅拌机下沉搅拌后水泥土中的砂沉积，发生钻杆埋钻现象，施工分两步进行。
　　(1)先行搅拌土体，搭接625px，减少第一次喷浆浆液中的水泥掺量(将所减少的水泥量加在第二次喷浆的浆液中)，加入一定比例(由试验确定)的膨润土，并适当加大水灰比。
　　(2)在水泥浆初凝前，套打搅拌，增加水泥用量，使⑧号粉砂层和⑨号细砂层的砂粒与水泥充分混合，反浆到地表并减少土体对钻杆与H型钢的贯入阻力，便于水泥搅拌桩施工翻砂和H型钢插入。
　　2)控制水泥土深层搅拌桩下沉和提升速度，如喷浆搅拌下沉钻进速度过快，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。因此，在地面下0～20m段，下沉钻进速度为0.5m/min，提升速度为1m/min;地面20m以下，下沉钻进速度为0.2m/min，提升速度为0.5m/min。在⑧粉砂层和⑨细砂层中，要进行复搅，以保证H型钢能够顺利插入。
　　3)其它技术措施。
　　(1)因施工场地不做硬地坪，施工设备的自重又大于40t，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，并定出桩位与H型钢插入的位置记号。
　　(2)为防止电网不稳定和钻进时保险丝熔断，造成钻杆埋钻，特配置专用发电机。
4　施工效果
　　1)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，避免了在⑧粉砂层和⑨细砂层中进行型钢水泥土搅拌墙施工时易于埋钻、钻杆下沉速度慢和H型钢难以插入等困难;使每组搅拌桩的施工时间控制在3h左右;型钢插入可以靠自重到达设计标高。
　　2)由于三轴搅拌机施工时噪声低、震动小，无“扰民”现象，尤其适合在市区施工。对周边高层住宅楼和军队光缆没有造成影响，距离军缆3m以外，省去了止水帷幕施工。
　　3)型钢水泥土搅拌墙施工时需置换出一部分泥浆，由于施工前开挖了沟槽，可以避免泥浆溢出，经过处理后的固结土可外运。
　　4)型钢水泥土搅拌墙具有承载力和防渗双重功能，施工工序较钻孔灌注桩和地下连续墙等简单，施工工期缩短，不需要钢筋加工场地。
　　5)在工程主体结构施工完毕后，型钢可以回收重复利用，减少了工程造价，与钻孔灌注桩和钢筋混凝土地下连续墙施工方法相比，可降低造价约30%。本工程型钢的回收，对于顶管机始发和接收也相当有利，间接节省了相关费用。
5　结语
　　1)对于在承载力高的砂性土特殊地层中进行型钢水泥土搅拌墙施工，需配备大扭矩、自重大和稳定性好的三轴深层搅拌桩机。
　　2)根据地质资料，研究土层特性，对承载力高的砂性土特殊地层进行土体改良，主要通过提前搅拌土体，同时加入膨润土，是型钢水泥土搅拌墙在该地层得以正常实施的关键性技术之一。
　　3)合理安排搅拌桩施工顺序，制定相关施工操作规程和技术交底，是该工况条件下提高施工效率、保证施工质量的关键。
　　4)在本工程中所采取的技术措施，可为以后在类似的地层中进行型钢水泥土搅拌墙围护施工作参考。