广西文化艺术中心配套工程位于南宁市五象新区核心区内, 南宁大桥以南, 西邻邕江, 基坑面积达4.7万m²。工程建设用地面积约47 000m², 地下建筑为3层。基坑的±0.000标高相当于绝对标高82.000m, 基坑底高程62.000m。基坑顶周长962.3m, 开挖深度16.4~19.0m。配套工程的止水帷幕长约980m, 由633幅三轴搅拌桩相互咬合形成基坑的挡土和止水结构。三轴搅拌桩适用于复杂地质条件 (包括阻力大的圆砾层和坚硬岩层等, 其中圆砾层厚度为1.20~6.10m, 岩层考虑钻入厚度为1m) 下。

三轴搅拌桩机采用改进后的适用于圆砾层、泥岩的三轴搅拌机钻头和花瓣式叶片钻杆, 运用四喷四搅工艺, 在复杂的地质条件下进行施工, 应对圆砾层的松散性和大阻力及岩层的坚硬, 使三轴搅拌桩机在复杂地质中下钻快、搅拌均匀, 满足缩短工期和保证质量的要求。

对三轴搅拌桩施工展开分析, 存在以下施工难点: (1) 地层中存在圆砾层和风化泥岩层, 圆砾层松散阻力大, 泥岩层坚硬光滑, 使钻机钻孔难度大。 (2) 基坑范围广、深度大, 上层滞水和基岩缝隙水位置不确定性使隔断基坑外水层渗透难度大, 对基坑止水要求高。

应对措施: (1) 将螺旋叶片钻杆改为花瓣式叶片钻杆, 花瓣式叶片钻杆在圆砾层中减少了阻力, 提升了下钻速度。将螺旋刀片钻头改为适用于圆砾层、泥岩的三轴搅拌机钻头, 钻机在坚硬地层的入岩速度明显提升, 保证钻机钻孔速度及成孔质量。 (2) 提高孔位放样精度, 确保三轴搅拌桩位置准确、桩与桩之间咬合足够, 增强基坑闭水效果。采用四喷四搅工艺, 使圆砾层和风化泥岩层搅拌更加均匀, 提高成桩质量, 避免基坑外水层渗透。

三轴搅拌桩施工工艺流程如图1所示。

因后台不能移动, 故水泥仓应尽量设在场地中心。即以水泥仓为圆心、送浆管长度为半径所形成的圆必须能够覆盖全场。场地内采用2台可制作200t水泥浆的水泥仓, 以满足三轴搅拌桩连续作业要求。

建议水泥仓混凝土强度等级为C40, 底部配筋22@150×150。

水泥储存过程中, 不能保证每个仓存量一致;以水泥仓最不利布置考虑:地填土密实度不均匀, 尚未完成自重固结, 压缩性强, 层厚不均匀。这些特性容易造成在上覆较大荷载的情况下填土层形成不均匀沉降, 造成水泥仓基础开裂、倾斜, 将水泥仓基础位置设置在原地面向下500mm。

综合考虑, 基础开挖深度1.5m, 回填碎石垫层厚度1m (碎石垫层顶面即地下水位顶面) , 然后在碎石垫层上绑扎钢筋网片、浇筑基础混凝土。水泥仓基础大样如图2所示。

先根据设计图纸和业主提供的坐标基准点, 换算出三轴搅拌桩桩中心线角点坐标 (或转角点坐标) , 再用全站仪精确放样出桩中心线, 并复核坐标数据。然后根据三轴搅拌桩机的定位线 (定位线与桩中心线间距为1.2m) , 在桩中心线上向外1.2m处放样出钻机的行进控制线, 同时做好保护。

开挖导沟前, 先清除桩中心线附近地面的障碍物及地下杂物, 然后回填整平地面并压实。若工作面地表存在积水或淤泥, 应抽水或清淤, 及时回填黏性土, 然后压实整平。

地面平整后, 沿着桩中心线开挖导沟, 导沟采用挖掘机开挖工作沟槽, 沟槽宽1m、深0.5~1m, 长5~6m。导沟的作用不仅在于引导钻机, 还能在钻机吹气将土置换上来时, 配备1台挖掘机挖掉置换土, 避免污染工作面。

采用适用于复杂地质情况下的三轴搅拌机钻头, 以解决钻头在复杂地质 (圆砾层、风化岩层) 情况下磨损严重、钻进困难的问题。

钻头端部对称设置锥形刀片, 直径为250mm, 高度为150mm, 组成锥式前进头, 如图3所示。3片刀片围绕钻杆轴线径向均匀分布, 即中心线间隔120°布置, 组成叶式钻头刀排, 规格为200mm×300mm×6.5mm (厚) , 三片刀片与水平面成30°的夹角, 如图4所示, 每片刀片上焊接2个“子弹头”钻头, “子弹头”为耐磨损合金材质, 规格尺寸如图5所示。

针对圆砾层松散性和泥岩阻力大特性, 将螺旋叶片钻杆改为花瓣式叶片钻杆。花瓣式叶片钻杆在圆砾层中减少了阻力, 提升了下钻速度。同时更加充分地搅拌圆砾层中的水泥浆和土, 提高桩身匀质性。

花瓣式叶片钻杆的杆径为250mm, 3个花瓣式叶片以杆中心线120°布置, 每个花瓣式叶片厚度为30mm, 倾斜角度15°, 每层花瓣式叶片之间的间距为800mm, 3根转杆间的叶片相互错开400mm (见图6) 。

钻机可根据放出来的定位线移动, 确保位置准确性。钻机就位后, 钻机的三轴位置应满足设计要求, 必须在设计位置50mm范围内。钻机钻杆垂直度偏差≤0.5%, 可采用垂球法检测垂直度。

钻机在下钻与提钻时边喷浆边搅拌。为确保三轴搅拌桩有足够强度和隔水性, 水泥掺入比为20%, 水泥强度等级P·C32.5, 黏性土层水灰比为1.5, 圆砾层水灰比为1.2。

水泥浆的制备须有充分时间, 要求>3 min, 以保证搅拌均匀性。水泥浆从灰浆拌合机导入储浆罐时, 必须通过过滤网, 将水泥硬块剔除。浆液进入储浆罐中必须不停搅拌, 以保证浆液不离析。拌制浆液时间>2h的应作为废浆处理, 施工时泵送水泥浆必须连续, 水泥浆用量及泵送水泥浆的时间应有专人纪录。

考虑圆砾层的松散性, 采用四喷四搅工艺。钻机在下钻时, 在黏土层的转速为1.2～2.0m/min, 水灰比为1.5;在圆砾层的转速为0.8～1.0m/min, 水灰比为1.2;在泥岩的转速<0.8m/min, 水灰比为1.2。当钻机下钻喷浆搅拌至泥岩以下1m后, 在桩底搅拌喷浆1～2min, 确保底部有足够灰量。提钻喷浆搅拌至圆砾层顶以上1m, 然后钻机下钻喷浆搅拌至泥岩以下1m后, 提钻喷浆搅拌至设计桩顶标高, 在此过程中, 钻机在圆砾层和泥岩层的转速≤1m/min, 其他地层的转速≤2m/min, 而水灰比和首次下钻时在每层保持一致。

整个过程中, 喷浆量应由电子显示器和提升速度进行控制, 水泥浆用量误差≤±5%。施工时应严格控制喷浆时间、停浆时间和水泥浆喷入量, 确保水泥搅拌桩质量。

三轴搅拌桩的整体施工顺序是从1点钟方向开始, 采用2台三轴搅拌桩机分别从顺时针和逆时针前进, 最后2台钻机会合, 形成闭合止水帷幕。

施工完1幅三轴搅拌桩后, 要隔1幅打下1幅, 施工顺序如图7所示。为保证止水帷幕的密闭性, 要确保三轴位置准确, 同时每幅3根桩间搭接250mm, 每幅间咬合500mm, 并在转角处加打1幅三轴搅拌桩。

三轴搅拌桩止水帷幕技术、四喷四搅工艺, 在改进钻杆和钻头前提下, 使三轴搅拌桩机在地质复杂情况下搅拌更均匀, 大大提高施工质量, 同时加快钻进速度, 缩短工期。该技术保证施工质量、施工进度, 降低施工成本, 经济效益显著。