水陆环境DCM施工技术浅析

王正尉 中交一航局第三工程有限公司

1.前言

DCM即深层水泥搅拌（Deep Cement Mixing），是指利用水泥等材料作为固化剂，通过专业DCM船或特定搅拌机械，将地基土和固化剂原位强制搅拌，形成具有整体性、水稳性和一定强度的复合地基。DCM可以最大限度利用原土，具有开挖换填少、施工无噪音污染、工程造价低等优点。

为选择合适的水泥品种、掺入量、水灰比、外加剂等，DCM施工前需在工程现场钻取有代表性的土样进行试验室配合比设计；为检验施工设备性能和实际土体加固效果，掌握施工过程所需钻机提升/贯入速度、叶片转速、喷浆/水流量、开停泵时间、着底电流等控制参数，施工前还应进行现场试桩。

2.水下环境施工

2.1 工程概况

三跑项目是在现有机场北侧围海造地扩建新机场跑道，其中300公顷海床回填前需进行水下DC M加固处理。桩基总数27339根，桩长5.0～29.0m，4轴梅花形布置，尺寸2.3×2.3m，截面面积4.63m2。地质条件为淤泥、淤泥质黏土、黏土。

图1 设计参考“W”曲线

2.2 船机设备

本项目利用专用DCM船进行水下施工，该船集土体搅拌和注浆于一体，配有自动化控制系统（注浆系统、调倾系统、移船定位系统、抱桩器系统），能实时记录施工过程中电流、注水量、注浆量、提升贯入速度、钻头高程、喷浆压力等施工工艺参数，保证施工过程全程受控。

2.3 工艺流程

本项目按设计给定的“W”型参考曲线进行搅喷施工（图1），主要流程包括移船定位、贯入、桩底处理、提升喷浆、钻头清洗、移位等。从曲线图上可以看出，施工过程中处理机要先后穿越海水覆盖层、砂垫层、淤泥层和黏土持力层，曲线斜率表明处理机贯入阶段下沉速度逐渐降低，提升阶段速度基本不变，桩底要进行提升复搅、浆水转换和滞底喷浆处理。

2.4 控制要点

（1）有效喷浆。设计要求单根桩体喷浆总量不小于设计，每延米喷浆量不少于设计量90%。本项目采用重型4轴处理机，上下共8个出浆口，能保证贯入或提升阶段均可以有效喷浆（贯入时采用下喷浆口，提升时用上喷浆口）。为满足喷浆量要求，处理机提升贯入速度应与灰浆泵排量匹配。

速度V=γc＊Q/(S＊γs＊aw＊(1+w/c)

其中V—提升/下沉速度（m/min）；

γc—水泥浆重度（KN/m3）；

γs —土的重度（KN/m3）；

Q—灰浆泵排量（m3/min)；

S—DCM桩截面积（m2）；

aw—水泥掺入比；

w/c—水泥浆水灰比。

（2）土体切削搅拌次数。设计要求桩体上下8m范围内土体切削次数不少于900次/延米，以保证加固范围内每一深度土体均得以充分切削搅拌，桩身均匀连续。为此，施工过程中应着重控制处理机转速和提升/贯入速度。

每延米土体切削次数BRN=∑M＊(Nu/Vu+Nd/Vd)

式中

∑M—搅拌叶片总枚数（片）；

Nu—搅拌机下沉转速（r/min）；

Vu—搅拌机下沉速度（m/min）；

Nd—搅拌机提升转速（r/min）；

Vd—搅拌机提升速度（m/min）。

（3）桩底补偿处理。处理机每轴钻头叶片共3层6叶，越靠近桩底，叶片数量越少，有效切土次数也越少，因此钻头需要滞底重复喷浆搅拌，并在桩底进行往复搅喷，以达到充分搅拌目的。

2.5 遇到问题和解决措施

（1）浆水转换等待时间长，效率低。按原设计参考曲线，复搅提升后贯入喷浆前，处理机需在顶部停留大概5分钟以完成浆水转换（见图1），效率低下。经过分析计算和试验验证，最终将浆水转换开始时间节点提前至贯入阶段末，这样可以保证复搅提升后不间断进行喷浆作业，省掉了浆水转换等待时间。

图2 调整后的施工曲线

（2）桩体顶部松散，芯样强度低。取芯试验显示桩体顶部松散，强度低。经过分析认为主要是顶部淤泥层土质软，土体流动性强，再加上钻头出水前在砂垫层摩擦清洗，水泥浆流失严重所致。为此，施工过程中对工艺进行了改进，延长处理机桩顶滞留时间，增加桩顶喷浆量以弥补浆液损失，同时取消钻头砂垫层清洗步骤，缩短钻头在砂垫层中持续时间。改进工艺后，桩顶质量明显提高。

（3）底部桩体泥包夹杂，成桩质量差。通过全桩长取芯发现，底部桩体质量远不如中部和上部，软硬层交界面位置常伴有泥包夹杂（施工过程中表现为电流持续高位运行）。分析原因，一是交界面位置土体软硬程度不同，对钻头转速和贯入速度要求也不一样，不及时调整会造成搅拌不充分，形成泥包夹杂；二是黏土持力层自身强度较高，含水量低，粘性大，易粘住钻头，造成搅拌不均匀。为解决此问题，一是提高黏土层喷水量，使土层软化，便于搅拌；二是降低处理机转速和贯入速度，增加土体切削次数；三是在原有一次复搅提升基础上增加二次重复搅拌，搅拌范围扩大至软硬土层交界面以上。

综合上述3项问题和解决措施对施工曲线进行调整，如图2所示。

3.陆上环境施工

3.1 工程概况

产业园项目是在港区既有吹填场地上进行园区建设，其中道路及市政设施用地采用DCM桩陆上加固。总桩长92万延米，桩径0.5m，单根桩长8-12m，正三角形布置，复合地基承载力120kPa，28天桩身无侧限抗压强度≥0.6MPa，桩尖进入持力层0.5m以上。地质条件为贫黏土、粉质黏土-粉砂。

3.2 施工设备

本项目采用PH5D型单轴水泥搅拌桩机，配套设备有灰浆搅拌机、集料斗、灰浆泵、压力胶管、电气控制柜等。为确保施工参数准确，桩机上气压表、转速表、电流表、电子称等装置使用前需经过标定。

3.3 工艺流程

本项目为陆上DCM，采用四搅两喷工艺（图3），主要工艺流程包括桩位放样→钻机就位调平→正循环搅拌下沉→反循环喷浆提升至预定停浆面→重复搅拌下钻至设计深度→提钻喷浆至设计标高→成桩结束→清洗管道，施工下一根桩。

3.4 控制要点

图3 四搅两喷流程示意图

（1）浆液制备。本项目水泥掺量取18%（水泥与加固土体重量比），水灰比0.55，土体容重取19kN/m3，桩径500mm，

每延米水泥用量为G=π×d2/4×19 kN/m3×18%=67kg

每延米用水量=67＊0.55=36.85kg

水泥浆采用高速搅浆机制拌，拌和时间不少于30s；存入储浆池中的泥浆应持续慢搅以防离析。

（2）下沉和提升。为保证加固土体连续均匀，钻机下沉提升速度应保持匀速，并与喷浆量匹配。遇到硬层时，应适当降低转速和下沉速度，复搅时应采用中低速档钻进和提升。

本项目桩机下沉速度控制在1.25-1.30m/s之间，提升速度控制在1.15-1.20m/s之间，喷浆压力控制在0.4-0.6Mpa。

（3）桩顶桩底处理。为保证桩底、桩顶成桩质量，首次提钻喷浆时应在桩底部持续停留喷浆30秒，桩顶施工时停浆面应高出设计标高0.5m。

3.5 遇到问题和解决措施

通过取芯试验发现，桩体质量沿深度方向逐渐变差，深度4m以下部位，完整性和桩芯强度明显不如上部桩体。分析原因，一是深度范围内土体强度变大，搅拌不充分；二是人为因素导致钻机提降速度不均匀，单位土体搅拌次数差异大；三是为追求施工进度，底部停留时间不符合技术要求。为解决此问题，一方面降低硬土层内钻机下沉提升速度，增加土体切削搅拌次数，使其充分拌和；二是控制同一土层内钻机匀速提降，保证桩体连续均匀；三是增加底部桩体喷浆量和停留时间。技术改进后，成桩质量得到明显提高。

4.结束语

无论水陆环境，有效喷浆量和土体搅拌均匀程度都是DCM成桩质量的决定因素，处理机（桩机）提降速度应与土质、喷浆量匹配，施工时应重点关注桩底和软硬层交界面处置，水下环境还应做好桩顶补浆处理工作。