双向水泥土搅拌桩在引江济淮工程基坑处理中的应用探讨

方 海

(安徽省引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概述

引江济淮工程连接着长江和淮河两大水系，又被称为江淮工程，该工程可以起到润泽安徽、惠及河南、为淮河造福并辐射长江的作用，具有改善水环境、发展航运及保障供水等诸多收益。该工程是国家172项节水供水重大水利工程之一。根据引江济淮的位置，可将此工程从南向北分为引江济巢、江淮沟通和江水北送三段。其中，引江济巢工程是为济淮提供水源并兼顾巢湖的生态引水，由菜子湖线和西兆河双线引水。枞阳引江枢纽是引江济淮工程中两大枢纽之一，该工程的任务是引水、排洪以及生态修复等。

枞阳引江枢纽位于长河入长江口附近，地跨铜陵市枞阳县、桐城市的鲟鱼镇以及安庆市迎江区的三个县区。长河在距离长江入江口4.1km处分为左右两个分汊入江，长河北侧为铜陵市枞阳县，南侧为安庆市迎江区，两汊中间为桐城市鲟鱼镇，大概位置见图1。

2 工程地质情况

2.1 地形地貌及地层岩性

工程区地处长江中下游低山丘陵向冲积平原的过渡区，地势起伏，山丘及田地交错，地貌多样，总体地势属于北高南低。枞阳引江枢纽南邻长江，场地地形较为平坦，属于河流冲积地貌。

2.2 水文地质情况分析

枞阳引江水利枢纽工程钻探资料显示，在其地面以下50m勘探深度范围内，地下水为孔隙水，根据地层岩性和含水层特征可划分为孔隙潜水和孔隙承压水，其中孔隙潜水主要储存于人工填土及①、②层粉质壤土、淤泥质土中，主要由大气降水补给，且与地表水存在一定的水力联系，具有水量小、水位变化大的特点；孔隙承压水主要储存于②-4、③、⑤-2、⑥-1层砂性土层中。按其埋藏特征，承压水可分为3个含水层，场地②层淤泥质土和④、⑤层重粉质壤土透水性较弱，具有隔水作用，为相对隔水层。含水层结构见表1。

表1 含水层结构

从表1中可以看出，第一承压含水层由②-4层粉细砂、砂壤土组成，厚度0.4～7.0m，多呈透镜体状，主要由大气降水及河水补给，该含水层埋藏较浅，在长河河道中和附近沟塘可能已出露，但由于夹较多黏性土，渗透性相对较弱，其与长河和附近沟塘有较强的水力联系；第二、三承压含水层由③、⑤-2、⑥-1层细、中砂组成。厚度分别为0.45～6.80m、0.50～15.60m，含水层埋藏较深，与附近沟塘、长河水力联系较弱，其层顶板局部在夹江及长江主河道有出露，与长江有一定的水力联系。

3 存在的问题及基坑处理方法

3.1 存在的问题

受地质情况影响，枞阳引江水利枢纽施工过程中存在以下问题：

a.该枢纽工程的主体结构为大深基坑，开挖范围内地质情况较差，基坑地处长江沿岸，江水与承压含水层能够直接连通，形成地下水强大的补给源，增加了地下水的涌水量，提高了降水工程风险，承压水是工程面临的最严重的问题，基坑突涌将破坏施工地基的强度，给施工带来巨大的困难，影响工程的进度。

b.船闸、泵站基坑距离较近，其协同作业至关重要。泵站基坑的开挖底高程约为-7.53～-9.0m，基坑底部与②-4、③、⑤-2、⑥-1承压水透水层的距离较近，并且有部分位置的承压透水层已经出露，在施工过程中挖掘机和运输车辆对土层进行振动及碾压，导致土体压缩，破坏了土层结构，加强了其低透水性的特征，因此，会出现基坑突涌的问题；船闸主体基坑的开挖底部高程为-7～-11.3m，基坑底部距离③、⑤-2、⑥-1承压水透水层较近，在施工过程中也会出现同样的问题。

3.2 基坑处理的方法

为解决上述问题，该工程采用双向水泥土搅拌桩进行基坑处理。双向水泥土搅拌桩是一种软基处理技术，水泥土搅拌桩在施工中所用的主要材料是水泥浆液或者其他胶凝性质的固化剂材料。其原理是在搅拌过程中，使用特定的搅拌机械，对水泥浆液或其他胶凝性质的材料与软土路基进行强制性、均匀地搅拌。固化剂材料与软土进行融合，会在一定程度上产生物理化学反应；利用二者间的融合反应，可以提高软土路基的稳定性、强度和韧度。双向水泥土搅拌桩与常规水泥土搅拌桩相比，有以下几个优点：

a.搅拌均匀性好。在成桩过程中，双向搅拌使桩身水泥浆和土壤搅拌得更均匀，而且双向水泥土搅拌桩钻头增加了搅拌叶片的数量，进一步增强了桩身均匀性。

b.桩身强度提高。由于叶片同时正反向旋转，阻断了水泥浆上冒途径，彻底解决了冒浆现象,并使固化剂与土体就地充分搅拌，不再出现层状的水泥土搅拌体,水泥土强度大幅提高。

c.桩周扰动小。同心双轴同时正反向旋转，使土体对叶片产生的水平旋转力相互平衡，降低了施工对桩周土体的作用，降低了出现突涌的概率。

图2为双向搅拌桩机搅拌钻头示意图。

图2 双向搅拌桩机搅拌钻头示意

4 双向水泥土搅拌桩施工参数的确定及施工工艺

4.1 确定双向水泥土搅拌桩施工参数

为满足设计要求，工程中使用的双向水泥土搅拌桩的水泥掺量不能低于16%，因此，需对水泥土的材料用量进行计算。

a.水泥用量的计算。自然含水量最大处土的湿密度为1.82t/m3，按照其16%计算水泥用量，水泥用量计算见式(1)。

水泥用量=桩长×桩截面积×土的密度×水泥掺入量

(1)

经计算，水泥用量为82.3kg/m。

b.水泥浆液的计算。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)要求，湿法的水泥浆水灰比可取0.5～0.6，因此，根据该工程的现场情况双向水泥土搅拌桩现场施工水灰比按0.55控制。水泥密度3t/m3；水的密度1t/m3；每吨水泥体积0.333m3；按0.55水灰比需加入0.55m3水。拌和后的体积为0.883m3；1t水泥可拌制灰浆0.883m3，即：1kg水泥可拌制灰浆0.883L，掺入比为16%时平均每米浆量为72.7L。

c.减水剂的计算。根据现场试验桩施工工艺确定减水剂按水泥重量的0.2%进行掺入。因此减水剂用量为0.165kg/m。

通过上述计算，最终确定的施工参数如下：

a.结合现场试验桩的施工情况，工程桩施工采用 “四搅三喷”工艺。

b.双向水泥搅拌桩采用的灰浆泵流速为30～40L/min，喷浆压力为1.0～1.2MPa。

c.根据试验桩施工过程控制，双向水泥土搅拌桩的钻进速度为1.01～1.58m/min；提升速度为1.52～1.76m/min，钻进和提升速度由现场确定的桩机工作档位确定，且保证速度在上述范围之内。

d.双向水泥搅拌桩采用0.55的水灰比进行施工，每米的水泥用量为82.3kg,每米浆量为72.7L。

4.2 施工工艺

施工工艺如下：

a.在施工中桩机一定要对中，找准桩位下桩。

b.开启搅拌桩机和灰浆泵，保持内外钻杆上的搅拌刀片正反旋转，使搅拌钻头沿导向架向下开始切土喷浆，钻进至设计桩底高程并停留搅拌30s以上。

c.保持灰浆泵在开启状态，内外钻杆刀片保持双向搅拌状态，将卷扬机调至提升状态，使钻头沿导向架向上提升喷浆，持续搅拌直至桩顶高程。

d.使搅拌钻头再沿导向架向下切土喷浆，钻进至设计桩底并停留搅拌10s左右。

e.在关闭灰浆泵后，要保持内外钻杆刀片的双向搅拌，将卷扬机调至提升状态，使钻头沿导向架向上提升，持续搅拌直至桩顶，完成单桩施工。

4.3 试桩

试桩可以分为设计试桩、施工前试桩以及施工结束后试桩。该工程在设计阶段就采用地质钻机进行试桩取芯，并进行以下三项检测：ⓐ桩身轻型动力触探(N10)检测；ⓑ桩身浅部开挖桩头检查；ⓒ桩身取芯及无侧限抗压强度检测。根据设计及相关规范的要求，需要检测的指标包括以下几项：

a.在成桩3天之内，采用轻型动力触探(N10)检查上部桩身的均匀性，检验数量为施工总桩数的1%，且不少于3根，监理单位见证取样。

b.在成桩7天之后，采用浅部开挖桩头进行检查，开挖深度超过停浆面以下0.5m，目测检查搅拌桩的均匀性，量测成桩直径，检测数量不少于总桩数的5%，监理单位见证取样。

c.在成桩28天之后，采用双管单动取样器钻取芯样，每回次进尺控制在1.5m以内。检验数量为施工总桩数的0.2%，且不少于3根。对于桩长大于等于20m的水泥土搅拌桩，应在桩体五等分点处选取芯样试件，每处各取3个试块；对于桩长小于20m的水泥土搅拌桩，应在桩体四等分点处选取芯样试件，每处各取3个试块，监理单位见证取样。

d.质量检测的其他内容和要求应符合《建筑地基检测技术规范》(JGJ 340—2015)、《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)和《水运工程质量检验标准》(JTS 257—2008)等的规定。

4.4 在施工过程中的建议

为了能够更好发挥双向水泥搅拌桩正反方向叶轮在实际施工中的作用，提出以下几点建议：

a.在喷浆钻进、喷浆提升过程中 要保持螺杆匀速运行，下沉和提升速度要满足设计和规范的要求，一定要保证钻进过程中桩体掺入水泥浆液均匀。如发现有不符的情况，要暂停施工及时改进。

b.为提高搅拌桩上部1～4m桩身质量，在施工过程中，一定要确保在钻杆喷浆口均匀喷浆之后，再开始进行钻进施工。

c.为确保桩身上部能够得到充分的搅拌，在下钻施工时就必须保证双轴设备转速均匀后再进入土体进行搅拌；在进行提升施工时，钻头必须完全提出土面后再关闭转动电机；喷浆提升时，为避免浆液外泄，也需至少提升出三层叶片。

5 结 语

通过上文的介绍不难看出，基坑的处理和施工方案选择是十分复杂的，必须要根据工程所在地的地质实际情况选择合适的方案，这样才能保证工程的实际效果。目前引江济淮基坑处理工程已经顺利完工并通过验收，各项指标均达到了优良，泵站基坑与船闸基坑在运行过程中没有发生突涌等问题。