河道基础淤泥固化

马良

摘要：本文结合华佗大道跨宋汤河箱涵工程的现场实际状况，通过理论研究、现场试验，总结形成了河道基础淤泥固化施工方法，解决了淤泥弃置对环境的污染问题，保证了施工过程中的安全和质量，节约了成本，保护了环境，确保了工期，取得了显著社会效益和经济效益。

关键词：淤泥；固化剂；深层搅拌机

1、序言

淤泥换填为施工中较为常见的施工方法，但换填存在很多问题，首先淤泥成分复杂，含许多重金属，有机污染物，病源微生物等有害物质，不容易利用，弃置对生态环境破坏巨大，易腐败发臭，易污染土壤、水体，特别是目前正处于环保大检查及环保技术改革阶段，淤泥的运输及弃置就更是一件难事。其次，随着我国环境保护法的严格管控，使得部分地区地材（换填片石、碎石等）短缺，价格较高。再则，换填施工开挖基坑较深，对周边土体扰动较大，易造成安全隐患，特别是河道两侧充满流砂体系的环境土质。故常规的淤泥换填已不能满足环保、经济、安全等方面要求。

2、固化法特点

2.1淤泥固化过程中无振动，无噪音，对环境无污染。

2.2对周边无侧向挤压，对邻近建筑物影响很小，相对于换填施工安全隐患大大减小。

2.3根据设计荷载和地基承载力要求，以现场实验的方式确定淤泥固化剂掺量。

3、适用范围

3.1淤泥质土地基（河道、湖泊、软基路床等）处理，工作面宽度≥10米，深度2-25米。

3.2建、构筑物、桥、箱涵等淤泥、杂土地基的固化处理。

3.3淤泥换填难度较大或者换填材料成本较高。

4、工艺原理

该工法针对淤泥加固的重难点，对传统施工工艺进行了改进和优化，主要工艺原理如下：

利用降水措施将地下水水位降至淤泥底50cm，通过深层搅拌机对基础进行搅拌同时喷入固化剂，原地将淤泥固化，利用固化剂与淤泥强制拌合，使固化剂和淤泥发生一系列物理、化学反应，使之凝结成具有整体性、稳定性、有足够强度的持力层地基。

固化剂的种类较多，本工程用的主要成分为水泥和一定量的固化添加剂，固化剂水化反应完全是在土的围绕下产生的，凝结速度比混凝土缓慢，固化剂与淤泥或部分软粘土拌合后，固化剂和淤泥及土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙生成硅酸三钙（3CaO、SiO2）、硅酸二钙（2CaO、SiO2）、铝酸三钙（3CaO、AL2O3）、铁铝酸四钙（4CaO、AL2O3、Fe2O3）、硫酸钙（CaSO4）等水化物，有的自身继续硬化成水泥石骨架，有的则因有活性的土进行离子交换和团粘反应、硬凝反应和碳酸化作用等，使土颗粒固结结团、颗粒间形成坚固的联结，形成粗颗粒并具有一定的强度。

固化添加剂成分为离子浓缩型高分子聚合物，其作用机理：

① 土壤固化剂与含有一定水分的土壤混合后，在土壤中形成网状结晶体，穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架。

②土壤固化剂的成分和土壤颗粒参加化学反应，激发土壤的自身物质生成不溶于水的坚硬物质，填充在强度骨架之中，使固化土形成不可逆的坚实板体，并具有良好的耐久性。

③ 固化剂溶液中的高价离子可以改变土壤颗粒表面电性，降低土壤颗粒的水膜厚度，提高土壤颗粒间的吸附力，增大密实度，降低渗水性。

④ 土壤经过粉碎、拌合和压实等物理外力的作用下，土壤颗粒彼此靠近，从而减少被固化土的空隙，使固化体系进一步密实，从而具有较强的承载能力和防水能力。

5、施工流程及操作要點

5.1施工流程

施工流程见图5.1-1。

5.2工艺操作要点

5.2.1施工前准备

施工前，做好施工方案、技术交底、安全交底，熟悉施工图纸、设计说明及设计相关文件、施工规范及质量验收标准。深基坑施工方案要通过专家论证，专项施工方案报公司相关部门审批。批准后方可施工。检测固化剂质量、各种机械及计量设备是否能正常运行。

5.2.2围堰、导流渠、钢板桩、降水井前期施工工作

针对宽度≤50米的河道，一般采用围堰对河道进行封堵，一侧开挖导流渠引流，利用水泵将围堰内河水排出，两侧采用管井降水施工，通过降水计算，调整井间距及深度，将地下水降至淤泥下50cm。根据现场施工情况确定河道边坡支护方案。跨宋汤河箱涵工程临近省道，省道边埋设一道国防光缆，并河床两边有粉砂流沙层，故从安全、经济、工期考虑采用12米拉森钢板桩支护。

5.2.3便道施工及基坑土方开挖至设计标高

沿河道一侧修筑一条施工便道到河边，河道内设计标高以上淤泥利用长臂挖机在河道上清除或利用普通挖掘机进入河道内表面淤泥清除，淤泥上表层填筑一层50cm干土作为机具施工平台，供深层搅拌机、挖机等设备在上面行走施工，在基础较软地段铺设临时钢板。

5.2.4试验段施工和配合比的确定

固化剂用量过少，则达不到预期要求，过多则造成不必要的浪费，对水泥用量及均匀程度的控制是施工中的重点难题，施工中，通过室内配合比多次试验和现场试验段施工，得到不同固化剂含量下淤泥加固立方体抗压强度及地基承载力大小，从而确定固化剂最佳用量；施工工艺、搅拌遍数、搅拌机提升速度、泵送时间、泵送压力、复拌次数、施工机械等施工参数。每根桩位开钻后应连续作业，不得中断喷浆。

5.2.5桩位放样

根据深层搅拌机搅拌叶轮直径，计算出各个桩的平面坐标，用GPS（全站仪）放出各个桩位的中心点并做好标记，同时设立控制桩。方便及时校核桩位。根据桩位控制桩机行走，避免漏桩。

5.2.6深层搅拌机定位

（1）平面就位。放好桩位后，按桩的施工顺序移动搅拌机到达指定桩位，钻头对中。

（2）调整深层搅拌机机双向控制导向架的垂直度，在桩机井架的正面和侧面均应吊挂垂球，质量不小于0.5kg。根据吊垂偏移，测定搅拌轴垂直度，用来监测桩身的垂直度，及时发现桩机是否倾斜，调整导向架的垂直度小于1.5%。

（3）桩位复测。深层搅拌机机就位后，根据控制桩位检查钻头位置。

（4）搅拌深度控制。采用双控，一方面根据勘察设计的深度，其次根据淤泥层与土层对搅拌机叶片阻力不同，土层的阻力比淤泥层大。当深层搅拌机在下钻搅拌过程中阻力一般线性增加，当进入土层会阻力会骤增，阻力的增减反映到搅拌机的电流表上，通过实验，两者基本吻合，在现场我们通过观察电流表变化情况控制搅拌深度。每个点位都设置编号并做好施工原始记录。

5.2.7拌制浆液

（1）单根桩所需的水泥浆尽量一次拌制完成。一次拌不完的，根据总量分次拌制完成。深层搅拌机预搅下沉的同时，后台拌制水泥浆液，待压浆前将浆液放入集料斗中。每根桩每次所使用的固化剂浆液量要均匀充足，使用时根据在浆液罐罐壁上焊接的每根桩（或每次）需用水泥浆的刻度线确定用浆量，确保浆液满足配比要求。

（2）确定每米喷浆量。根据实验参数、搅拌叶轮尺寸，通过成桩试验，确定固化剂的最佳水灰比、流速、泵送时间和压力、搅拌机提升和下钻速度等参数，确定每米喷浆量。

5.2.8 喷浆搅拌施工程序

（1）喷浆搅拌下沉

搅拌桩开钻之前，应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象，待水排尽后方可下钻。启动搅拌桩机转盘，待搅拌头转速正常后，方可使钻杆沿导向架边下沉边搅拌。以0.38～0.75m/min的速度沉至要求深度，下沉时开始喷浆，工作电流按不同深度不同地层及阻力的不同对应电流表数，根据试验确定额定值，当达到接近设计深度临界时仔细观察电流表上升幅度，发现电流骤升幅度超出额定值20%时，立即停钻。

（2）喷浆反转搅拌提升

下沉到达设计深度后，开启输送泵，通过管路送浆至搅拌头出浆口，出浆后启动搅拌桩机，再以0.3～0.5m/ min的均匀速度提升搅拌，与此同时开动浆泵将浆体从深层搅拌中心管内不断注入淤泥中，由搅拌叶片将浆体与深层处的淤泥搅拌，边搅拌边喷浆直至要求标高。

（3）喷浆复搅下沉

连续重复搅拌，保证其整体性和均匀性，淤泥搅拌顶部高出设计箱涵底20cm，底部入土层500mm。

（4）反转复搅提升

下沉到达设计深度后，停止喷浆，反转复搅提升，使之充分搅拌，得到更好的均匀性和整体性。

5.2.9均匀沉降施工

由于淤泥分布深度的不均匀性及周边不同介质的粉砂土层，呈现出中间深（5米），两端浅（2米）现象，由于加固的深度不一和周边土质差异，造成各部位地基物资弹性模量不一致，导致容易对箱涵主体造成不均匀沉降，故施工中在固化淤泥顶部铺设一层50cm级配碎石后铺一层土工格栅，使基础的不均匀沉降达到有效的调整控制。

5.2.10施工降排水

在箱涵基础四周修筑排水沟，每隔40米开挖一个集水坑，对雨季基坑内地表水进行抽排。地下水通过降水井排入河道内，通过降水井的验算，降水井深25米，沿河道两侧每隔10米布置1座，共40座。

6、质量控制

6.1質量验收及评定标准

固化后基础验收满足《建筑地基基础施工质量验收规范》GB/50202-2002、《复合地基技术规范》 GB/T50783-2012，《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012要求。

6.2淤泥固化质量控制

6.2.1参考地勘报告，施工前利用深层钎探杆对箱涵淤泥基础断面进行全面探测，根据探测结果，画出平面图、横断面图、桩位图。对桩位进行编号，并注明深度，作为操作过程中深度控制参考。经常检查设备及仪表确保正常作业。

6.2.2采用搅拌轴径双层叶轮500mm整体交叉搅拌，搅拌为重复搅拌，加固入砂土层50cm，从而保证淤泥固化的质量。

6.2.3邻近搅拌孔边界距离完全相交达到整体搅拌效果最佳，由于浆体搅动及浆体有一定的压力使之周边加固土全部连接在一起形成一个整体，增加地基强度的整体性，稳定性，达到淤泥地基的整体固化和整体强度。

6.2.4搅拌施工执行24小时旁站制和远程监控录像跟踪并实时监控，必须对搅拌水泥实际用量，搅拌深度、搅拌位置、施工时间进行严格把控并做好记录。

6.3试验检测

施工完一个月后，可委托有资质实力的检测单位采用静载试验进行检测。试验合格后进行进行现场验收，验收合格后方可进行下道工序施工。

结束语：

本工法解决了淤泥弃置对环境的污染问题，消除了淤泥开挖外弃过程中脏乱差的施工现场。本工程原设计箱涵基础为级配碎石换填，随着我国环境保护法的严格管控，使得地材（换填片石、碎石等）短缺，价格较高。通过比对本工程采用淤泥固化节约经济成本528万元。

参考文献

[1]范邵平，朱伟《有机质含量对淤泥固化效果的影响的试验研究》[J]岩土力学

[2]黄新，宁建国，许晟《软土固化剂优化设计方法探讨》[J].工业建筑

[2]郭印，徐日庆，邵玉芳，《有机质固化土的强度及微观结构试验研究》[J].岩土力学

（作者单位：中铁上海工程局集团有限公司）