原位淤泥固化技术在供水管道工程软基处理中的应用

吴 硕

(福建省莆田市供水有限公司，福建 莆田 351100)

1 工程概况

本工程是石门澳产业园专管供水工程，保障石门澳产业园各部门用水，供水管线总长11.4km，其中供水干管长3.18km，管径DN1600，管材采用PCCP管。工程等别为Ⅳ等，工程总投资8300万元，工期360d。管道基础承载力需达到150kPa。工程区位于湄洲湾的湾内，场地地貌上属滨海潮间带滩涂。根据地质钻探报告及地表踏勘结合区域地质资料，供水管道区域为淤泥质滩涂，由上至下分布：①吹填淤泥(流泥)，高含水率、欠固结；②淤泥，高含水率、高压缩性、高灵敏度、低强度；③粉质黏土。

供水管道平均开挖深度4m，基本无法形成管槽，存在超沉降与不均匀沉降，抗滑稳定性差、承载力不足等地质问题。供水管道面临地质差，任务重，工期急，探讨一种有效解决吹填淤泥中管道基础处理方案问题尤为重要。

2 淤泥基础处理方案的分析比较

2.1 选择淤泥基础处理方案

根据GB51064—2015《吹填土地基处理技术规范》、JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》，可以采用的地基处理方法有压实法、堆载预压法、真空预压法、强夯法、振冲法、固化法、电渗排水法、换填垫层法、水泥土搅拌法、碎石(砂)桩置换法等。

工程区域为淤泥质滩涂，管基在吹填淤泥、淤泥层上。由于淤泥含水量高，淤泥层较厚，根据施工布置、大面积淤泥场区施工需要，本工程基础处理选择低位高真空分层预压击密方案、原位淤泥固化方案和水泥搅拌桩方案进行比选。

2.2 淤泥处理方案工艺原理

(1)低位高真空分层预压击密法。第一阶段预压固结排水，在吹填淤泥层中插入排水板进入粉质黏土层，铺设排水管路、土工布、土工膜形成真空体系，在预压荷载作用下前期固结排水速率高，沉降量大，较好完成前期土质固结；第二阶段动力固结排水，在浅层插入高真空排水管，利用击密产生的孔隙水压力和高真空形成的负压共同作用，使得淤泥层中水快速排出，地基土达到超固结，在动力固结排水影响范围内淤泥层承载力再一次提高，形成刚度及承载力较大的硬壳层。

表1 场地地质参数

(2)原位淤泥固化法。利用安装在挖掘机上的液压强力搅拌头向淤泥中掺入专利固化剂进行原位搅拌。专利固化剂为复合型材料，主要成分为矿渣微粉、硅酸盐熟料等。固化剂通过管道由压缩空气输送到滚轴中间经由锥形喷头喷出，有效成分在碱性环境中充分化学反应，生成各种水化胶凝产物。胶凝物质产生的强度和稳定性主要是靠凝结、包裹土层中的细小颗粒，形成具有一定强度的骨架结构。固化材料颗粒与淤泥颗粒相互填充，形成紧密堆积结构，加上固化材料本身具有较高的强度和硬度，通过水化产物相互搭接后，固化材料颗粒的未水化部分在水化产物之间还可起到强有力的“微集料填充”和“骨架支撑”作用，在养护龄期内持续地增加强度，使土体达到要求的承载力。

(3)水泥搅拌桩。以水泥系列材料为固化剂，通过深层搅拌机械，在地基深处就地将原位土和固化剂强制搅拌，形成水泥土增强体。固化剂、其他掺合料与土之间产生一系列物理化学反应，形成复合地基以提高地基承载力，减少沉降。

2.3 淤泥处理方案的比选

针对供水干管段地层分布，选取桩号G0+980～G2+480m段1.5km范围的典型断面进行比选。

表2 方案比选分析 单位:万元

水泥搅拌桩理论成熟，应用广泛，但由于水泥的固结特性，当遇到各类离子含量较高的海相软土淤泥时，成桩不易。同时吹填淤泥含水率高，性质较于普通淤泥更差，桩间土的土拱效应几乎不能发挥，复合地基无法保障。水泥搅拌桩法投资比淤泥固化高825万元，处理的吹填淤泥效果较难控制，不推荐该方案。

低位高真空分层预压击密法和淤泥固化处理法都属于国内先进的软基处理技术，前者属于物理处理法，后者属于化学处理法。1.5km的软基处理和管道铺设，低位高真空分层预压击密法比淤泥固化处理节省213万元，真空能提供80kPa左右的荷载，配合堆载土方荷载，先期完成大部分沉降。但真空预压膜下真空到达处理极限后，强度无法继续提高，单纯真空预压无法达到设计要求，需采取联合堆载，低位预压+堆载需运行6个月才能开始管道施工，处理后形成的“硬壳层”随着深度的增加，地基承载力、边坡稳定性逐渐减少，工后沉降、含水率逐渐增加，管道铺设施工条件较差，同时供水管道呈线状走向，各单元分区密封沟设置难度大，两侧未处理吹填淤泥会导致线性处理区的真空度难以达到理想工作状态，进而影响处理效果。

淤泥固化处理可就地固化施工，边固化边推进，形成的固化土具有良好的整体强度。处理1个月后可进行管道安装辅设施工，工程质量容易控制，工序少工期短，固化土具有防渗能力强，淤泥固化后可以达到Ⅲ类土级别，开挖的管槽边坡较小，槽内基本上没有水，管道铺设施工条件较好。

综合考虑工程投资、工期、基础承载力、施工条件等要求，本工程采用原位淤泥固化处理方案。

3 淤泥固化质量控制要点

3.1 施工流程

淤泥固化施工工艺步骤如图1所示。

图1 淤泥固化施工工艺步骤

根据场地淤泥参数事先在实验室内确定固化剂的配方和使用量，施工现场根据实验结果，使用固化搅拌机在规定的范围内边向下旋转边喷放固化剂，使淤泥和固化剂充分搅拌达到均匀性，淤泥固化土的强度随着时间不断地增长，直至达到承载力要求。

3.2 淤泥固化质量控制及改进措施

(1)施工前准备工作。目前原位淤泥固化技术没有操作规程，根据工程特点和水泥搅拌桩做法，制定本工程淤泥固化操作规程指导施工。现场实验确定分区长度、出灰压力、搅拌时间、搭接宽度等各项参数，见表3。施工场地平整，不得有积水。

表3 各项参数

(2)优化固化区域划分。本工程淤泥固化施工作业区呈线性，设计管槽处理宽度9m，处理深度7m，固化剂掺量为85kg/m3，每车固化剂约32t，计算出每个固化工作区面积为54m2。根据工程场地条件，主要材料和机械设备从已硬化石门澳公路转施工便道到达施工地点。供水管道固化区域划分为9m×6m，4.5m×12m 二种，采用流水作业。靠近已有公路、地质条件较好施工段采用9m×6m划分区域，即管槽宽度范围9m一次施工成型。距离公路较远施工段铺设便道进入场地，采用4.5m×12m划分区域，先处理管道中心线一侧，3d后机械在已初步固化区域铺设钢板施工另一侧。在每个固化区域四个角点插彩旗标记，对管槽范围充分处理，相邻工作区之间搭接不得少于50cm，避免漏固化现象。

(3)更换搅拌头。原搅拌头直径1100mm、长7m，插入底部转速变慢，搅拌效果不佳。更换搅拌头直径，由原来的1100mm更换为900mm，减少单次搅拌范围，提高转速，达到充分搅拌效果。

(4)控制固化剂掺量。控制出灰压力达0.2MPa，在出灰管设置固体流量计，实时控制出灰量，特别是深部搅拌出灰量，每车固化剂使用不得超出划定工作区，确保工作区内固化剂使用达到掺量要求。

(5)控制搅拌头插入垂直度及搅拌时间。控制搅拌头插入垂直度偏差小于杆长的1.5%，每个插入点时间控制在20～25s，由上至下，搅拌头下沉速度由快变缓。通过监控得知到达最底部出灰量较少，所以搅拌达设计高程时固定2～3s，让其喷灰，再向上提升搅拌。每个工作区内插入点互相搭接至少30cm，使固化剂与淤泥充分混合，保证淤泥的固化效果。

(6)控制搅拌遍数。淤泥固化土搅拌3遍以上，在第一遍注料结束后继续第二遍注料，经2次注料，固化剂可比较均匀注入到施工区域，最后空料搅拌一遍，现场观察判断是否需要第四遍空料搅拌，如果判断搅拌不均匀，应进行第四遍空料搅拌。

(7)控制场地整平压实及养护。淤泥固化土搅拌后，尽快完成面层碾压，消除搅拌造成的空隙，便于固化土整板形成。场地原位养护，3d内禁止各类车辆通行。28d养护期内淤泥固化土随着时间增加强度不断增长。

4 淤泥固化成效及工后沉降

现场取样搅拌完成的散土制模检测5d无侧限抗压强度(平均分2层，表层3.5m随机抽样一组，底层3.5m随机抽样一组)，检测频度为每层每1000m2检测为一组，每组6个试件，共检测51组，强度均超过50kPa。轻型动力触探配合浅层平板荷载试验对地基承载力进行检测，即大范围内采用触探法进行测试，并用平板荷载试验辅证触探法，检测频次1000m2不少于1点。轻型动力触探检测21组，浅层平板荷载试验做3组，部分检测结果见表4—6。

淤泥固化处理深度7m位于淤泥层，管槽底部范围有软弱下卧层，根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》，计算最终沉降量48mm。工程完工后在管道沿线设置3处工后沉降观测点，每个月观测1次，连续观测6个月，累计沉降量小于允许总沉降量。

通过过程检测、竣工检测，养护后固化土地基承载力达到铺设要求，并且满足沉降要求。

表4 无侧限抗压强度检测值

表5 轻型动力触探结果

表6 平板荷载试验测试结果

5 结语

原位淤泥固化技术可有效用于供水管道工程吹填淤泥地基加固处理，具有就地固化施工、边固化边推进的优势，施工效率高，工艺简单，快速成型满足承载力及沉降要求，有效控制工期。施工过程中控制的重点主要包括固化剂掺量、出灰压力、搅拌头垂直度、搅拌时间、搅拌遍数等参数，确保固化剂与淤泥充分混合，达到处理效果。