三轴水泥搅拌桩在深基坑围护结构工程中的应用

0 引 言

三轴水泥搅拌桩[1]具有施工便捷、挡土能力较强、扰动较小、施工时间短及造价低等优点，适用范围比较广，因此在各项基坑围护结构工程中得到广泛应用。其作为围护结构[2]时，应保证安全可靠、技术先进、经济合理、环保。三轴水泥搅拌桩施工之前，施工企业应熟读地质勘探资料、勘察现场施工条件、了解施工场地的地质情况[3]，组织经验丰富的技术人员编制切实可行的专项施工方案。

1 工程概况

杭州市某水务总部大楼工程（以下简称“本工程”）占地面积1.9万m2，建筑面积10.7万m2。其中：地上建筑（12层～16层主楼，6层～7层裙楼）面积6.4万m2，主体结构为现浇框剪结构＋钢结构组合；地下建筑（3层地下室）面积4.3万m2，基础为桩筏及筏板＋多桩承台基础。本工程基坑开挖深度约为16.5 m，属于一级基坑工程，基坑工程安全等级的重要性系数γ0＝1.1，支护结构设计使用期限为24个月。轨道交通控制保护区支护墙采用1 200 mm厚地下连续墙，槽壁加固为三轴水泥搅拌桩；其他临边侧支护桩（桩径为600 mm～1 200 mm）为三轴水泥搅拌桩结合钻孔灌注桩形成止水帷幕[4]。

2 场地地质条件

甲方委托勘察单位对拟建物场区进行了地质勘探，工勘报告显示，杭州地区属海积平原地貌，经现场勘探得知，该区域内的土层可分为6个工程地质层，包含13个工程地质亚层和2个工程地质夹层，为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、粉砂夹粉质黏土、砾砂、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。本场地地基土属于均匀地基，地基土分布基本较稳定，岩土种类较少，地下水对各岩土层的力学性质影响较小，因此本场地地基基本稳定。土层工程性质较一般，甚至极差，工程建设判定为适宜性差，可通过采用桩基础满足适宜性要求。

3 场地水文地质特征

拟建筑物场区地下水比较丰富，主要有三种类型，分别为承压水、孔隙潜水和基岩裂隙水[5]。其中，承压水主要存于④3层和⑤3层两个土层之中，由土层分布可知该含水层埋藏较深，该层水量大小受城市用水、人工开采地下水或机械抽水等的影响较大。由于其埋深较大，季节性降水只能影响较浅水层的水位，而无法影响承压水的水位，因此这类水的水位相对比较稳定。孔隙潜水主要存于①0层、①1层、①1’层和②1’层等岩层中。由此可见，孔隙潜水埋藏深度较浅，同时浅部水量较小，主要补给来源为雨水，水位变化明显受到不同季节的影响。该区域以往水文地质资料表明该地区压水水头较大，地质勘察结果表明该拟建物地区的压力水头高度约为10 m。基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙中，其埋深比承压水更深，因此水位基本不受其他外来因素影响；该类水导水性较差，同时水量比较贫乏。对这三类地下水进行相关检测，检测结果表明本场地的地下水对混凝土结构及钢筋的腐蚀较小，因此在工程设计或施工过程中可以不考虑地下水的腐蚀性。

4 三轴水泥搅拌桩施工

4.1 施工技术参数

三轴水泥搅拌桩为同时拥有三个螺旋钻杆与钻头[6]的长螺旋桩机，三根钻孔同时向下搅动，是软基处理的一种行之有效的处理形式。三轴水泥搅拌桩通过三轴钻头从上而下将施工现场的原位土体搅碎，同时将水泥浆从钻杆喷出，再利用钻杆将场地内软土与水泥浆充分搅拌，从而提高软土的承载能力，通过连续的重叠搭接施工，形成具有隔水效果的围护结构以方便工程基础施工。

根据设计计算，该搅拌桩桩径为850 mm，桩与桩中心距为600 mm，设计要求水泥掺量为20%（其他部分的水泥掺量为10%），水灰比为1.5。作地下连续墙槽壁加固及坑中坑重力式挡墙、封底加固时搭接250 mm，采用套接一孔方法[7]来施工止水帷幕；作被动区加固时搭接150 mm。

4.2 施工工艺流程

三轴水泥搅拌桩施工工艺流程，如图1所示。

4.2.1 三轴搅拌桩施工机械

根据施工现场施工条件、周边环境、地质情况、桩基直径及桩基深度等选择三轴搅拌机。三轴搅拌机由多轴装置和钻具组成[8]，主要机械参数包括钻头直径、钻杆根数、钻杆中心距、钻进速度、主功率、钻杆正反转速、单根钻杆额定扭矩、钻杆直径、钻动形式等，如表1所示。

4.2.2 截水帷幕施工要点

三轴水泥搅拌桩施工前，施工单位应针对专项施工方案核对现场施工条件、场地运输配备情况及作业空间等，如果专项方案与现场条件不符或现场条件改变，应及时对专项施工方案进行必要修改。首先应考虑场地平整、铺设道路、测量放线及开挖导向沟等准备工作。三轴水泥搅拌桩施工过程中，需要控制的要点比较多，每一个要点都会影响最后成桩的质量。主要施工要点有试成桩、钻杆下沉（提升）及注浆控制、工艺参数的控制、型钢的插入与固定等四个方面。下面，笔者将对这四个方面分别进行阐述。

（1）试成桩。施工搅拌桩前，必须进行试桩，使用的桩机应与专项施工方案中的相同。试成桩的位置应当远离邻近地铁且选在影响最小的部位。根据设计要求确保相关施工技术参数并详细记录归档，同时，试成桩的中心轴线定位、试成桩桩径大小及其垂直度必须满足设计要求。当试成桩的强度满足设计要求后，应对其性能进行检测，若检测结果符合设计要求，后期桩基施工应严格参照这些参数；若试成桩检测结果不符合设计要求，应对试成桩施工技术参数的影响程度进行详细分析，有针对性地调整技术参数，再次施工试成桩，直至满足设计要求为止。

通过拟建物场区试成桩的试验数据可以确定三轴搅拌机的工艺参数（转轴的下沉与提升速度、水泥浆水灰比等）以及成桩施工工艺流程。为后期三轴水泥搅拌桩的设计与正式施工提供数据支撑，也为后期桩基施工提供施工经验。

（2）钻杆下沉（提升）及注浆控制。根据三轴水泥搅拌桩中心轴线先将桩机定位，操控主轴正向搅拌并喷浆下沉（注浆量一般为额定浆量的70%～80%），然后将主轴反向复搅并喷浆提升。同时，施工搅拌桩过程中应当连续注浆搅拌，转轴下沉与提升速度尽量保持均匀，这样可以使天然地基土和水泥浆充分接触并搅拌均匀，施工技术参数应根据试成桩试验结果确定。施工过程中，遇到匀速钻进困难的复杂地层时，应根据专项方案或有关规范规定增加搅拌与复搅的次数。桩基桩轴搅拌喷浆下沉速度宜为0.5 m/min～1.0 m/min，复搅喷浆提升速度宜为0.5 m/min～1.0 m/min。施工止水帷幕时，距离桩顶2.0 m区域部分应该采用复搅措施。

根据以往施工经验或专项施工方案或相关规范要求，三轴水泥搅拌过程中，因特殊原因停止注浆后，在准备恢复注浆前，应先将桩机转轴提升0.5 m或下沉0.5 m，然后进行注浆搅拌。如水泥浆停止超过2 h，则该水泥浆不得使用，应作废浆处理。水泥搅拌桩应连续施工，如有超过1 d的施工冷缝，应按照相关要求进行必要的补强，冷缝超过2 d后，则应在该接桩旁边进行加桩以达到补强效果。

（3）工艺参数的控制。三轴水泥搅拌桩施工过程中，其置换涌土量[9]是判断现场各个岩土层性状的重要依据，也是调整桩基施工技术参数的重要标志。如黏性土，置换涌土量多、易遇水膨胀、螺旋钻头易形成泥塞，不易匀速钻进下沉；透水性强的素填土和砂质粉土层，置换涌土量较少、遇水膨胀性很小且螺旋钻头不易形成泥塞，水灰比宜控制在1.2～1.5之间，同时，应控制钻轴搅拌下沉和复搅提升的速度以及送气量的大小。根据专项施工方案，可掺5%的膨润土到水泥浆液中，填堵钻孔中可能存在的漏失通道或孔洞，确保钻孔内壁的稳定性。这种做法不仅利用膨润土增加搅拌中水泥土的变形能力，还可以提高止水帷幕的抗渗性。

（4）型钢的插入与固定。插入型钢后，应考虑后续施工，后续施工必须利于H型钢循环利用。首先，插入H型钢前应提前热涂减摩剂以减少型钢与土层之间的摩擦力，然后用电热丝将固体状减摩剂加热熔化后均匀涂抹在H型钢表面达到最佳效果。三轴水泥搅拌桩施工完成后，性能良好的吊机应在现场管理人员指挥下立即就位，准备吊放H型钢。装好吊具和固定钩，采用50 t履带吊机起吊H型钢，利用有关测量仪器监测型钢的垂直度，必须保持垂直状态，如有偏差应及时调整。搅拌桩施工完毕3 h内，应完成H型钢的插入。将槽钢穿过吊筋搁置在定位型钢上，待水泥土搅拌桩达到一定硬化时间后，将吊筋与沟槽定位型钢撤除。定位卡必须保持牢固、水平，然后将H型钢底部中心对正桩位中心，沿定位卡慢慢、垂直插入水泥搅拌桩体内，用线锤控制垂直度。当H型钢插入至设计标高时，用吊筋将H型钢进行固定。同时应及时对溢出的水泥进行处理，控制到要求的标高处，以便进行下一道工序施工。待水泥搅拌桩硬化到规定强度以后，将吊筋与槽沟定位型钢撤除。如果H型钢插放位置无法达到设计标高，应将H型钢重新提升，重复下插使其插至设计标高；下插过程中应始终用线锤跟踪控制H型钢垂直度。

5 质量控制措施

三轴水泥搅拌桩的质量控制措施主要有以下五点。

（1）根据核准后的搅拌桩中心轴线位置，将桩机定位，桩机定位前或进场后应对桩机进行必要的维护或校准，确保桩机各项性能良好，以避免影响以后的施工进程。应成立专业测量小组及时监测各项施工参数，如桩机垂直度、桩位偏差等，发现问题应及时纠正，确保施工测量的准确性。

（2）项目部应按照相关制度针对三轴水泥搅拌桩技术进行技术交底，严格实行“三交底”制度，确保现场操作人员能够准确控制转轴速度、水泥浆浓度、喷浆量等技术参数。

（3）组织施工经验丰富的技术人员编制应急预案，保证遇到突发情况能够有章可循，现场工作能够有条不紊地进行。

（4）项目部让质检员牵头，对现场施工质量进行事前控制与事中控制，应用PDCA原理消除潜在的质量隐患，杜绝质量事故，减少不必要的损失。

（5）基坑分区开挖前，对浆液试块进行试验，检测其强度以评判桩身强度。施工过程中，试块抽检、取样与检测应满足相关规范与设计要求。

6 地铁保护措施

由于本工程邻近地铁，地铁有关部门要求施工过程中必须保证地铁的正常运行，经多方调研与研究后，采取以下五方面措施。

（1）邻近地铁范围分区分块施工，分区分坑面积须满足《城市轨道交通结构安全保护技术规程》的要求，且应保证前一区底板施工完成后再施工后一区。

（2）轨道交通控制保护区地下3层范围内采用1 200 mm地下连续墙作为地铁侧围护结构，地下1层范围内使用直径为800 mm的钻孔灌注桩作为围护结构。

（3）轨道交通控制保护区地下3层范围及地下1层范围内采用单侧支模，以此增大基坑边与地铁设施的水平距离，减少拆撑工况变形。

（4）轨道交通控制保护区内的基坑支撑与隔离桩等，采用静力切割进行拆除，减小拆撑变形的影响。

（5）对基坑和地铁设施进行全方位和全周期的监测，根据设计要求制定监测内容和监测要求，根据监测数据科学动态施工。

7 结 语

通过本工程应用三轴水泥搅拌桩取得成功的经验可知，三轴水泥搅拌桩桩结构整体性好，挡土能力强、止水效果好，是一种集挡土与防渗功能为一体的基坑围护结构，而且施工方法简便，施工进度快，工程造价低，施工噪声和震动小，对环境污染小，符合环保要求，应用范围广。因此，该工法具有较高的经济效益和社会效益，在各类深基坑支护工程以及地下结构工程施工中具有良好的发展前景。

参考文献：

[1]黄吉祥．三轴水泥搅拌桩在教学实验楼施工中的应用[J]．福建建材，2018（6）：62-64．

[2]施庆熙，张健儿，吕艳斌．SMW工法在某工程基坑支护中的应用[J]．施工技术，2012（13）：28-31，35．

[3]牛溪竹，史建伟．三轴水泥搅拌桩止水帷幕的施工及监理控制要点[J]．铁路技术创新，2012（3）：67-69．

[4]耿强生．三轴水泥搅拌桩止水帷幕技术在施工中的应用探讨[J]．建材与装饰，2016（2）：25-26．

[5]叶团进．三轴水泥搅拌桩组合高压旋喷桩形成止水帷幕的应用[J]．福建建筑，2013（9）：67-69．

[6]刘刚，党光献，庞拓，等．单轴水泥搅拌桩加H型钢垂直支护施工技术[J]．建筑技术开发，2021（2）：58-59．

[7]曾闯．地铁车站三轴水泥搅拌桩止水帷幕技术施工技术探析[J]．设备管理与维修，2021（22）：146-147．

[8]骆廷松．三轴水泥搅拌桩在软土地基中的应用[J]．珠江水运，2021（17）：27-28．

[9]刘先斌．双向双轴水泥搅拌桩加固软土地基施工技术研究[J]．中国住宅设施，2021（11）：142-143．