0 引言

　　水泥搅拌桩技术从20世纪80年代引入我国，90年代在软土地基加固领域得到广泛应用^[1]。三轴水泥搅拌桩是软基处理、防渗止水及基坑围护中较常采取的工程措施之一，广泛适用于淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土、粉细砂、粉土、粗砂和砾砂、黄土等地层^[2]。它利用机械将水泥与软土搅拌混合，水泥与软土之间会发生一系列物理化学反应，从而可提高地基承载力^[3]。近年来，三轴水泥搅拌桩先后在杭州天际大厦基坑^[4]、莫桑比克马普托大桥地下连续墙^[5]、佛山地铁盾构隧道深厚软土地层预处理^[6]等工程中得到广泛应用并取得良好效果。

　　杭州富阳亚运场馆及北支江综合整治工程政治意义及社会影响力较大，考虑到工程安全性、经济适用性及子项目中的2个水闸和船闸工程均涉及基坑防渗施工，且两处工程施工场地均为软土地基，地质条件复杂多变。因此，结合该项目上游水闸和船闸工程，系统研究了三轴水泥搅拌桩在深层地基防渗中的施工工艺及其应用。

　　1 工程概况及地质条件

　　北支江位于富阳主城区下游3km，富春江东洲岛之北，西起东洲大岭山脚，东至江丰紫铜村，全长12.5km(其中富阳区境内约8km，西湖区境内约4.5cm)。随着2009年新一轮富阳城市总体规划的编制和2010年“三江两岸”生态景观廊道的提出，审议同意堵坝拆除及改建水闸工程。其中，北支江上游水闸是北支江综合整治工程的重要组成部分。

　　北支江上游水闸、船闸工程主要包括新建上游水闸、船闸、堤防、管理房配套设施及上下游围堰等临时工程。上游水闸、船闸工程等级为3级，主要水工建筑物为3级，次要建筑物为4～5级。水闸洪水标准为20年一遇设计，50年一遇校核。上、下闸之间正常蓄水位5.400m。闸室段为水闸工程的主体，闸室为平底开敞式结构，由闸底板、闸墩、工作闸门等组成。水闸共3孔，每孔净宽60.0m，闸底板顺水流方向长30.0m，闸室总宽225.0m(不含船闸)，闸墩顶高程为6.700m。采用底轴驱动式翻板闸门，闸门尺寸为60.0m×4.9m(宽×垂直高)，最大挡水高程6.000m。

　　根据勘探揭露的地层情况，上游闸线基岩为燕山期入侵的花岗闪长岩，埋深达30～46m，左侧埋深浅、右侧深。上部第四系地层以冲海积地层为主，呈上细下粗的二元结构。现按地质时代、成因类型及工程特性，自上而下划分为7个大层。水闸基础底板埋置高程约为-4.900m，基础底板位于(2)₂层粉细砂、(3)₂层黏质粉土夹粉砂、(4)₁层粉细砂、(5)₁层淤泥质粉质黏土。其中，(2)₂层粉细砂稍密，中等压缩性，实测标贯锤击数7～31击，平均值为13.2击，工程性能一般;(3)₂层黏质粉土夹粉砂呈稍密状，实测标贯锤击数4～17击，平均值为9.0击，工程性能一般;(4)₁层粉细砂呈稍密～中密，实测标贯锤击数13～27击，平均值为18.0击，工程性能一般～较好;(5)₁层淤泥质粉质黏土呈流塑状，工程性能极差。

　　水闸主体结构底板以下大部分以(2)₂层粉细砂为主，局部存在(5)₁层淤泥质粉质黏土，其工程性能极差，不宜直接作为水闸主体结构天然地基持力层。主体结构底板以下存在软弱下卧层，建议主体结构位置采用桩基础。结构底板以下有(6)₂层圆砾、(6)₃层中砂、(6)₄层卵石及(7)₃层中风化花岗闪长岩均可考虑作为桩基持力层。(6)₂层圆砾、(6)₃层中砂、(6)₄层卵石及(7)₃层中风化花岗闪长岩工程性能较好，可供桩基持力层选择。其中，(6)₂层圆砾局部分布，厚度2.30～7.50m，局部夹有黏性土、粉土含量较高孔段，其下夹有厚层的(6)层夹层粉质黏土，(6)₃层中砂厚度不大，以上(6)₂层圆砾、(6)₃层中砂均不宜作为桩基持力层，考虑水闸设计荷载不大，初步考虑(6)₄层卵石层作为桩基持力层，若上述土层不能满足承载力要求，可采用(7)₃层中风化花岗闪长岩作为桩基持力层，该层埋深较深，是桩基良好的持力层，但施工难度较大，需穿越上部厚度达15m以上的圆砾、卵石层。各土层的主要力学指标如表1所示。

　　表1 各土层主要力学指标 

　　表1 各土层主要力学指标

　　2 施工工艺流程

　　三轴搅拌钻机以水泥为固化剂，通过三轴螺旋钻头对地基土进行原位上下、左右旋转翻滚式强制搅拌，其主要为切削土体，剪切力为主，在下沉搅拌、提升搅拌过程中喷浆，同时加入高压空气，使水泥土充分、均匀搅拌。该工艺对周围环境影响小，同时高压空气不断释放压力，也在一定程度上减少了对周围土体的侧向压力。详细的施工工艺流程如图1所示。

　　图1 三轴水泥土搅拌桩施工工艺流程  

　　本工程三轴搅拌桩采用“二喷二搅”施工工艺，止水帷幕采用套接一孔法施工，坑内加固相邻桩搭接250mm。搅拌桩采用P·O42.5水泥，水泥掺量为20%，水灰比1.5∶1。因进入梅汛期基坑水位上涨，原有左岸基坑围护5.000m高程施工平台被淹没，无法满足施工需求，施工前对左岸基坑围护施工平台吹填加高至7.000m高程。左岸基坑围护设计桩长15.00m，靠近箱涵南侧为止水桩，靠近基坑内侧为加固桩，施工时先施工止水桩后施工加固桩。加固桩施工采用搅拌连接工艺，止水桩施工同右岸;左岸基坑围护三轴水泥搅拌桩布置如图2所示。

　　图2 左岸基坑围护三轴水泥搅拌桩布置  

　　止水桩和坑内加固桩按图3所示顺序进行施工，其中阴影部分为重复套钻，可保证墙体的连续性和接头的施工质量，水泥搅拌桩的搭接及施工设备的垂直度补正依靠重复套钻来保证，以达到良好止水作用。

　　图3 止水桩连接及坑内加固桩连接示意(单位:m) 

　　3 三轴水泥搅拌桩试验

　　分别对右岸防渗轴线3处及下游围堰裹头处进行试桩并钻孔取芯，此次施工自检共取得4根芯样，取芯平面布置如图4所示。

　　图4 取芯平面布置  

　　施工桩号为:右岸NA195,NA215,NA111，下游围堰裹头处X52;均采用相同施工参数:850@600，设计桩长16.5m，采用标准连续方式施工，搭接形式为全断面套打，浆液水灰比1.5∶1，水泥掺量20%，钻机钻进搅拌速度0.5～1.0m/min，提升搅拌速度1.0～1.5m/min。取芯情况:(1)芯样1(NA195)满足28d龄期要求，取芯长度16.5m，从现场钻孔取芯芯样来看，桩身连续性、均匀性较好，无颈缩，施工桩长满足设计要求;(2)芯样2(NA215)现场从取出芯样来看，桩身连续性、均匀性较好，桩间搭接完整，施工桩长满足设计要求;(3)芯样3(NA111)现场从取出芯样来看，桩身连续性、均匀性较好，施工桩长满足设计要求;(4)芯样4 (X52)设计桩长16.0m，因施工龄期不足28d，桩身连续性、均匀性一般，但施工桩长满足设计要求。

　　从取芯情况可看出，4种芯样施工桩长均满足设计要求。总体而言，将三轴水泥搅拌桩用于此工程满足要求。其中，芯样1～3的桩身连续性、均匀性都较好，芯样4由于施工龄期不足导致桩身连续性、均匀性一般。这说明龄期对桩身连续性、均匀性存在一定影响。

　　4 施工经验

　　4.1 地层适应性

　　三轴水泥搅拌桩施工主要考虑工程地质条件、设计桩长、施工设备型号等，其中工程地质条件对工效影响最大，施工前需对场地的工程地质、水文地质条件进行研究，以确保地层适应三轴水泥搅拌桩施工，这对工程造价、社会经济效益等具有重大意义。下面结合本工程的实际施工经验和以往类似工程的施工情况，进行三轴水泥搅拌桩地层适应性总结。

　　上游水闸、船闸工程场址地层情况描述如表2所示，根据以往施工经验地层情况可知，完全适用于三轴水泥搅拌桩止水帷幕和基坑围护加固桩的施工，取芯质检结果也和理论相一致。

　　根据本工程地层的实践和类似工程的成功施工案例，对三轴水泥搅拌桩适用地层和不适用地层做总结，如表3,4所示。其中，土的分类标准按GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》进行划分。

　　4.2 材料耗用量

　　三轴搅拌桩施工材料主要包括水泥、水、木质素磺酸钙、固化剂SN201和生石膏粉等。经查阅岩土工程勘察资料可知，场地加固地基土的平均重度按18.00k N/m³计算可得850@600三轴水泥搅拌桩一次加固面积为1.5m²。因此，要求水泥土搅拌桩采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1.5∶1，水泥质量掺入比20%，外掺剂木质素磺酸钙、固化剂SN201和生石膏粉掺量分别为水泥质量的0.2%,0.5%,2%。

　　表2 本工程地层分布情况 

　　表2 本工程地层分布情况

　　表3 三轴水泥搅拌桩适用地层 

　　表3 三轴水泥搅拌桩适用地层

　　表4 三轴水泥搅拌桩不适用地层 

　　注:存在地下水渗流影响成桩质量的地层也不适用

　　表4 三轴水泥搅拌桩不适用地层

　　一般施工强度为:右岸止水桩施工，桩长16.5m，平均每天完成15副桩施工;高峰施工强度为:右岸基坑围护加固桩，桩长15.0m，当天完成38副桩施工。施工用料:水泥用量38.24t/100m³，水用量96.00m³/100m³，木质素磺酸钙0.076t/100m³，固化剂SN201 0.19t/100m³，生石膏粉0.76t/100m³，水泥用量141.90t/d(一般强度)和326.95t/d(高峰强度)，水用量356.40m³/d (一般强度)和820.80m³/d(高峰强度)，根据定额要求，水泥搅拌桩以m³计量，施工时未掺入木质素磺酸钙和生石膏粉等外掺剂，以上所列用量为理论用量。三轴设备整台套总功率362k W，右岸配备1台400k V·A变压器可满足用电需求。

　　4.3 施工用地要求

　　三轴水泥搅拌桩设备施工用地可分为2个部分，即设备进出场吊装场地、设备处于工作状态时的施工场地。一般的设备运输情况下长、宽、高分别为13.5,3.4,3.5m，设备拼接吊装需长45m、宽30m的场地，满足组装作业的各项需求。

　　三轴水泥搅拌桩设备工作状态时一般的长、宽、高分别为15,9.5,21m，立柱高度根据设计桩长加减。本工程使用设备尺寸15m×9.5m×21m(长×宽×高)，图5中纵向步履长6.9m，纵向步履两侧距离3.0m，沟槽开挖宽度约1.0m，两侧分别为配重、沟槽安全距离各约1.0m;工作场地长约16.0m。如果场地周围有高压线网，还需控制打桩架和高压线网的安全距离。

　　图5 三轴水泥搅拌桩设备占地示意  

　　4.4 施工工效

　　地质条件、设计桩长、设备型号、天气等外界条件会对工效造成不同程度的影响，前两项对施工工效影响最大。本工程施工时段正好处于台风、暴雨等恶劣天气盛行的夏季，天气状况无法避免地会降低施工的有效工作时间，天、周、月工效也随之降低。施工组织设计时需考虑到极端天气对工效及施工进度的影响，并提出赶工应对措施。

　　根据以往施工经验可知，设计桩长越长，机具钻进阻力越大，成桩时间会越长，工效也会越低。

　　表5 不同地质条件下的施工工效 

　　注:表中的天、周、月工效为考虑台风、雷电恶劣天气等外界影响的综合工效，每天工作时间为14h，每月工作时间按22d计，其中左岸加固桩高峰施工强度为38副/d

　　表5 不同地质条件下的施工工效

　　本工程设计桩长为右岸16.5m、左岸15m，桩长相差不大，本施工过程中未得到设计桩长对施工工效影响的相关经验。由于本工程地质条件复杂多变，给施工带来一定难度，同时也带来宝贵的施工经验。本工程左、右岸不同地质条件下施工工效对比如表5所示。由表5可知，加固桩施工工效明显高于止水桩，说明不良地质条件对施工工效影响很大。

　　5 结语

　　1)采用标准连续方式施工，全断面套打的搭接形式，对三轴水泥搅拌桩进行试桩及取芯检测，结果表明，芯样的表观质量均较好，且施工桩长满足设计要求。由此可知，将三轴水泥搅拌桩技术应用于此围堰工程合理、可行。

　　2)本工程中三轴水泥搅拌桩的施工分为止水桩和坑内加固桩，经左、右岸不同地质条件下施工工效的对比可知，加固桩施工工效明显高于止水桩，不良地质条件对施工工效影响很大。

　　3)三轴水泥搅拌桩设计采用“二喷二搅”施工工艺，止水帷幕采用套接一孔法施工，在本工程中应用效果良好。通过对施工过程进行总结，得到完善的三轴水泥搅拌桩施工经验。