南水北调兴隆水利枢纽泄水闸地基处理水泥土搅拌桩施工

张 杰 艾立伟

(中国水电基础局有限公司 郑州 450000)

1 工程简述

南水北调汉江兴隆水利枢纽工程位于湖北汉江中下游潜江市高石碑镇，枢纽由拦河水闸、船闸、电站厂房、鱼道、两岸滩地过流段及其上空的连接交通桥等建筑物组成。枢纽正常蓄水位36.2m，相应库容2.73亿m3，规划灌溉面积21.84万hm2，规划航道等级为Ⅲ级，电站装机容量40MW。

兴隆泄水闸地基处理项目主要工作内容包括:水泥土深层搅拌桩、塑性混凝土防渗墙、灌注桩施工。其中最主要的施工项目为水泥土搅拌桩，设计分为三种形式:格栅桩、相切桩及单桩，设计工程量35万延米。

覆盖层以粉细砂层为主。闸室持力层主要为粉细砂层，建基面位于该层的顶部，局部为填方地基。粉细砂承载力特征值为110～120kPa，作为天然地基不满足闸基基底应力要求。砂砾(卵)石层强度较高，但埋深大，不宜直接作为闸基持力层。

泄水闸的抗滑稳定性受闸基土层控制，泄水闸基础底面与地基土之间的摩擦系数:f粉细砂=0.40，f黏性土=0.35。

闸基下部分布的粉质壤土、粉质黏土透镜体承载力低，且具中等-高压缩性，存在不均匀变形及沉降问题。

水泥土搅拌桩施工是在基坑内覆盖层粉细砂地质条件下进行的，枢纽建筑物底部粉细砂层呈中密状态，作为天然地基不能满足泄水闸闸基底应力要求，承载力偏低，且在枢纽投入使用后存在基础液化可能，须对地基采取加固处理，设计方案中在过流段采取水泥土搅拌桩形式处理。搅拌桩直径600mm，均采用纯水泥浆液搅拌，桩间搭接15cm，呈田字布置相互联接。

为保证泄水闸基础塑性混凝土与覆盖层具有相近的物理弹性模量，在外力作用下发生相同的形变，避免较大的相对位移、沉降，及防止液化造成闸结构的破坏，该工程对水泥掺入量、各种设计指标有很高的要求。

设计指标为:ⓐ水泥桩桩径600mm;ⓑ渗透系数K≤i×10-6cm/s;ⓒ水泥搅拌桩单轴28天抗压强度不小于2.5MPa;ⓓ渗透破坏比降［J］≥50

2 水泥土水泥掺入量配比确定

水泥土搅拌桩水泥采用强度等级为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥，根据设计要求，在进行生产性试验施工前，委托具备相应资质的试验机构进行室内配合比试验。配比试验主要以现场原状土按不同浆液比级、不同水泥掺入量进行配比试验。第一次试验掺灰量不小于15%的设计要求，选定15%、18%、20%三种掺灰量进行试验配比，试验结果见表1。

表1 水泥土28天试验结果

室内进行原状土湿密度为1.54g/cm3(取样部位为地下水位上部)，1∶1水灰比下的三种水泥掺入量的配比试验(见表1)。试验成果表明:掺灰量为20%时各项指标满足设计要求，并经监理部门批准后在生产性试验施工中使用。

在正式施工后，由于施工区桩顶高程处地下水(见水高程)降低，排水较慢，地下水位较高(水位26.8m，桩底高程14.6m)，取其地下水位原状土，湿密度相对增大(1.85g/cm3)并改变了水灰比，故联合监理部门现场重新取样进行室内配合比试验，此次进行了16%、18%、20%三种掺灰量试验，试验结果见表2。

表2 水泥土28d试验结果一览表

根据试验结果，在掺入量为16%时，其指标不满足设计要求。将试验结果报监理部门后，选定为1∶1水灰比掺灰量18%为高地下水位施工参数。

3 该工程水泥土搅拌桩布置型式

该工程水泥土搅拌桩布置型式见图1、图2。

图1 单排联体桩布置图

图2 单排相切桩布置图

4 工艺试验

在室内配比试验完成的前提下进行水泥土搅拌桩工艺试验，工艺试验的目的是验证并确定设计提出的施工技术参数和要求，验证所选用的施工设备和施工工艺对该工程地质条件的可行性和施工质量的可靠性，根据实际工效调整、优化资源配置。通过试验确定了以下满足设计要求的各种施工参数:

a.灰浆水灰比1∶1、水泥掺入比20%(重量比)。

b.防渗形式、桩抗渗性、桩体强度、渗透系数等指标均满足设计要求。

c.搅拌桩机搅喷次数和提升速度。采用四搅四喷、三轴喷浆，下沉提升速度不大于67cm/min(试验表明:下沉提升速度对浆液注入量有直接关系，应根据每个注浆泵输浆量确定下沉提升速度)。

d.灰浆泵输浆量。完全满足在下沉提升时水泥掺入比的要求。

e.灰浆经浆管到达喷浆口的时间。经测量，浆液到底喷浆口时间不大于45s。

f.桩间切割最大允许间隔时间。试验表明:最大切割时间为22h。

g.桩头开挖方法及时间。28天龄期后，采用挖掘机结合人工方式进行开挖，在检查桩体边侧位置开挖时，其外观检查符合设计要求;桩头部分强度值较高，根据试验结果，7天后进行开挖。

h.机械选型。由于该项目最大有效桩长12.0m，考虑空桩预搅部分，最大桩长不超过15.0m，试验选用SPM-5III型多头深搅桩机，其轴动力、提升下沉、轴距、钻头直径、转速、浆液输送等各项性能完全满足最大桩长下施工要求。工艺试验主要选择三轴喷浆、两轴喷浆及单轴喷浆施工格栅三种形式进行。经各项检查后，以上几种试验桩均满足设计及规程规范要求。

5 水泥土搅拌桩施工

5.1 场地平整与布置

机械设备进场前的场地平整，主要包括平整场地(高挖、低填、软垫)、清除障碍(地上、地下)、布置排水沟和集水井以及修建供水供电设施、施工道路等(见图3)。

当场地表层较硬需注水预搅施工时，应在四周开挖排水沟，并设集水井，其位置以不影响深层搅拌桩机施工为原则。排水沟和集水井应经常清除沉淀杂物，保持流水畅通。主排水沟设在闸室上游侧，其他区域设辅助排水沟将水集中排至主排水沟，由主排水沟汇流至集水井后统一外排，集水井设在闸室、上游围堰之间。

当场地过软不利于深层搅拌桩机行走或移动时，应铺设粗砂或碎石垫层，也可铺设钢板。施工平台高程误差控制在±15cm之内。

在主场地之外设置后台(用作灰浆台)，用于临时存放水泥及制浆设备，灰浆的水平输送距离控制在50m以内。

5.2 测量放线

按每根桩位置进行现场测量放线，定出每一个桩位，均要作出明显标志，加以妥善保护。具体方法如:

a.按设计蓝图给出的坐标控制点采用全站仪引至施工现场控制点，由现场控制点放线确定出每个施工部位轮廓，轮廓点采用木桩定位，沿定位桩拉线后采用长度不小于50m钢卷尺量测出每一根搅拌桩桩位中心，再打木桩作出标记。放线完成后，由现场监理工程师按设计图纸进行检查验收。

b.单排联体、单桩桩位偏差控制在±5cm之内。

5.3 水泥浆液制备

深层搅拌机具备开始施工条件时，后台按要求拌制水泥浆液。

5.4 预搅下沉

启动深层搅拌机电机、放松钢丝绳，使搅拌机沿导向架搅拌下沉，下沉速度由电器控制装置的电流监测表控制，工作电流不应大于额定值。

5.5 喷浆搅拌

在下沉时，开启灰浆泵输送水泥浆液，开始喷浆(或喷水)，待搅拌、喷浆至孔底30s后，再按试验确定的提升速度边喷浆边提升搅拌机。重复以上工序完成四次喷浆四次搅拌。

6 水泥土搅拌桩施工专项技术措施

a.深层搅拌机下沉时，开启灰浆泵输送水泥浆液，待搅拌、喷浆至孔底30s后，再按设计确定的提升速度边喷浆、边提升搅拌机。第一次下沉和提升搅拌机时均匀喷浆，两次喷浆量为60%;重复搅拌机下沉、提升并喷浆，喷浆量为40%，提升完成后该桩搅拌方告结束(多排联体桩浆液溢出孔口方可结束)。每次下沉和提升喷浆时均距地面以下40cm。结合工艺试验及水泥掺入量情况，搅拌机下沉提升最大速度定为0.67m/min。

b.搅拌中遇有硬土层，搅拌钻进困难时，应启动加压装置加压钻进或采用冲水下沉搅拌。采用后者钻进时，喷浆前应将输浆管内的水排尽。

c.搅拌桩机喷浆时应连续供浆，上提喷浆时因故停浆，须立即通知操作者。此时为防止断桩，应将搅拌桩机下沉至停浆位置以下0.5m(若下沉时则应提升0.5m)，待恢复供浆时再喷浆施工。因故停机超过3h，应拆卸输浆管，彻底清洗管路。发生提升困难时，中间轴喷风、两侧轴喷水，以达到减小土体密度、摩擦力等作用，待处理完毕后，喷头重新下沉至事故点以下0.5m重新喷浆。

d.当喷浆口被提升到桩顶设计标高时，停止提升，搅拌数秒，以保证桩头均匀密实。

e.施工时，停浆面应高出桩顶设计标高0.3m，开挖时再将超出桩顶标高部分凿除。

f.桩间接头处理:

ⓐ根据施工图所示的搅拌桩布置特点，合理确定施工程序、施工顺序、机械配置，避免桩间形成冷接缝;

ⓑ对于要求搭接的桩孔，根据工艺试验，桩与桩的搭接时间不大于22h，如因特殊原因超过上述时间，对最后一根桩先进行空钻留出榫头以待下一批桩搭接;如间歇时间过长(如停电等)，与后续桩无法搭接时，采取局部补桩或注浆措施;

ⓒ针对格栅桩、单排联体桩由于特殊原因超过22h，无法在规定时间内搭接的情况，根据施工计划，采取两种处理方法:ⓐ在喷浆后的桩体达到初凝状态后，于相邻两侧需要搭接的桩位以单头设备喷水搅拌至原浆液松散留出榫头，待继续施工时自榫头处桩位继续喷浆搅拌施工(见图4);ⓑ已经确定在允许时间内不能完成搭接的桩体采用不喷浆方式预留出此桩位，待相邻桩体达到初凝状态后喷水搅拌未喷浆桩体，即对需搭接的15cm进行搅拌留出榫头，待继续施工时自榫头处搭接施工(见图5)。如未达到初凝状态时便进行喷水搅拌，将对已经搅拌完成的浆液产生破坏，使原桩体浆液流失。

图4 搭接时间超时处理方式(一)

图5 搭接时间超时处理方式(二)

g.桩位控制。按单元划分表(图)进行指导施工，并下发至现场值班员、每个施工班组，通过单元划分表控制每根桩的桩顶、桩底高程，每完成一根桩或一组桩后即在单元划分图上标注，工程部现场值班员按图跟踪检查，并做到每完成一根桩或一组桩后即在施工进度图上标注，通过以上控制，有效杜绝了漏桩现象。

h.水泥控制。搅拌桩的主要原材料为水泥，控制好水泥用量即基本控制住了质量及成本。

该项目按设计要求，桩顶0.8m需要凿除，也就造成了此部分水泥浪费，质检员严格控制水泥浆液密度，防止因密度过大造成水泥浪费;严格物资采购制度，进场水泥必须通过验收点数后方开具收货单;对施工机组操作人员移机不停浆现象，发现后根据项目管理条例进行处理;施工中遇见硬层进尺慢或不进尺时，先采用喷水搅拌，通过硬层后重新喷浆施工。通过以上措施，有效地解决了水泥浪费现象，保证了施工质量及成本在可控范围内。

7 桩头开挖

根据设计技术要求及现场搅拌桩施工实际情况，考虑到桩体强度较高、搅拌桩施工机械工作面问题等因素，桩头清除部分待单元搅拌桩工程施工完毕28天所有检测项目合格后，进行桩头凿除。

在桩间粉细砂开挖完成后，根据施工区测量控制点，利用水准仪对每根桩凿除底部高程部位进行测量放线，并做好明显的标识。分两次凿除桩头:第一次凿除40cm，采用轻型挖掘机进行;第二次凿除至设计桩顶高程，采用风压不超过4.0MPa空压机风镐及电动风镐人工凿除桩头。分层凿除，每次不超过10cm依次进行，严格控制设计桩头高程，不得因此造成减少有效桩长。如造成有效桩头减少而达不到设计要求时，采取与设计要求指标相同的砂浆填充。

8 搅拌桩施工的难点及解决方法

由于各种因素，搅拌桩现场控制非常困难，如果失控极易成为“水货桩”，造成工程质量低下甚至工程失败，故水泥土搅拌桩也有人称之为“臭名昭著”的施工工艺，国内多个地区已经明令禁止采用此工艺。该工程的解决方法如下。

8.1 设备选型方面

兴隆泄水闸地层为密实细颗粒状粉细砂，含泥量较少，局部夹板结状泥质透镜体。由于粉细砂地层遇浆、水自密性较强，产生胶结板结状况，搅拌桩机在提升过程中遇到了较大的阻力，致使提升困难、频繁铸钻、发生掉钻头事故(试验施工中，由于以上原因，致使提升链条拉断、桅杆顶部折弯、传送力能轴及连接八爪断裂)，相应施工功效低下。针对此因素，项目部对国内深搅设备进行了系统全面的考察。考察发现，目前国内链条式深搅机的功率普遍达不到在该项目施工的要求，具体表现为:主动功率均偏小、传送力能的传动轴及连接八爪材质较差、提升能力不能满足在粉细砂中施工。

为此，项目部根据考察、现场试验结果，选用了钢丝绳式两轴深搅机、单轴链条式桩机施工格栅桩，单桩、相切桩采用单轴链条式桩机，较好地解决了地质施工难点。另外，通过考察发现，国内生产的SWM工法桩机也适应该项目砂层中施工，但由于施工单价偏高，考虑成本压力未予选用。因此，在以后类似项目中，建议根据地质条件选择施工设备。

8.2 施工措施方面

一般深层搅桩机适应松散的土层，在砂层中施工本身就存在一定的难度。该项目为粉细砂地层，施工中受粉细砂遇浆水板结、胶结，摩擦力、附着力、阻力增大等影响，在深搅桩机提升过程中电流经常超过额定电流，粉细砂层成桩后变为了“水泥砂浆”桩体。

项目部经积极探求，采取了以下解决方案:

a.对深搅设备钻头进行了改进，由以前平面搅拌叶片改进成30°左右倾斜角度，以减少钻头在粉细砂中自身的阻力，并在两轴夹板上部加焊搅拌叶，通过切削砂体来减少两轴轴夹板上提时带来的阻力。

b.对设备桅杆进行加固，以防止提升力过大造成桅杆折弯。

c.对搅拌桩机易损部件多加备库，防止因设备损坏造成停等时间过长。

d.对于硬质土层难以钻进时，在喷水泥浆以前先喷水将原始地层搅拌松散后再进行喷浆作业。

e.施工前有针对性地进行工艺性试验，摸索适应粉细砂中深搅施工的工艺及设备适应能力。

受高温影响，桩体初凝较快，设备故障后不能连续施工时，格栅桩搭接将不能实现(设计要求桩体搭接15cm)，为此，经过与设计、监理部门沟通，对于个别不能实现搭接的桩体采用相切形式连接，并在相切桩体一侧进行补桩。

9 施工现场的控制

该工程由于深搅工程量较大，共由3.5万根桩组成，施工高峰时，现场布置了30余台深搅桩机，这就对现场施工安排、质量控制提出了较高的要求，稍有疏忽即可能发生漏桩、问题桩，且如果安排不当，将出现设备停工等窝工现象。项目部首先对每台桩机进行编号，按每台桩机排定进度计划，并建立项目经理、副经理值夜班制度，每天早晚由一位经理在现场召开由工长、机班长、施工员、质检员参加的班前会，对当班出现的突发情况重新进行安排部署，由于措施得当、安排合理，施工中基本未出现窝工现象。

为保证不出现漏桩、问题桩，对每一根桩均设立了“身份证”台账，每完成一根桩均要记录在案、有据可查;绘制每一个单元部位的详图，做到完成一根桩涂黑一根，对质检员、监理认定的问题桩作出涂红记录，处理完成后在台账中记录。施工中杜绝了漏桩情况，问题桩均得到了妥善处理。

针对机组搅拌桩施工人员质量意识淡薄的情况，一名值班工程师安排了两台机组，责任到人，从搅拌桩深度、直径、搅拌次数、浆液密度等方面全方位监控;值班工程师不定时测量浆液密度及抽查桩深等;给予值班工程师一定奖惩权力，发现弄虚作假现象即进行处罚。

10 桩体质量检测、检查结果

施工过程中必须随时检查施工记录，并对照预定的施工工艺对每根工程桩进行质量评定，对于不合格的工程桩根据其位置、数量等具体情况，分别采取补桩或加强附近工程桩等措施。施工过程中，必须随时检查施工记录和计量记录，并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定。搅拌桩体的施工作业过程质量检验包括桩位、桩顶、桩底高程、桩身垂直度、浆液水灰比、桩身水泥掺入比、水泥用量、搅拌头上提喷浆的速度、复搅次数和复搅深度、停浆处理方法等每桩施工作业全过程的检验。

检测方法如下:

a.动力触探法。该工程共完成3.5万根桩，按照总桩数的1%检查，经检查，所有桩体均符合设计要求。

b.钻孔取芯检查。按照检验数量为总桩数的0.5%总计钻孔取芯197根。抽样强度:最大值9.7MPa，最小值4.2MPa;检测渗透系数范围在1.5×10-7～9.4×10-7cm/s;允许比降［J］均大于50;所有检查项目均符合设计及规程规范要求。

c.开挖检查。按照总桩数的5%进行检查，所有开挖检查桩体均外观质量好，无蜂窝、孔洞;桩与桩间切割搭接满足设计要求;量测成桩直径满足要求;搅拌的均匀性、桩整体性强。

d.承载力检验。承载力检验采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。检验数量为桩总数的0.5%;经逐级加载试验最终沉降值在6.54～25.22mm之间，满足设计及质量要求。

11 结语

在粉细砂中施工水泥土搅拌桩在国内水利行业中为数不多。项目部在实施过程中，遇到了种种困难，但通过一系列措施得以解决，并从中得到了一定的施工经验:粉细砂中进行深搅施工需选择合适的设备方能有效实施;当深搅机组为外协单位时，对外协的管理不能只是单一的“以包代管”，应从多方面入手，方能保证施工质量、进度;由于该项目深搅桩数量极多，对施工现场设备及人员的统筹安排、施工进度编排都增加了难度。

该工程的水泥掺入量配比试验研究、工艺试验数据具一定代表性。特别是针对深层搅拌桩专项施工措施、工艺流程、质量控制环节及桩间接头处理的研究，对以后类似工程具有一定的参考借鉴作用。❀