海上深层水泥拌桩施工质量控制措施

彭刚 中交四航局第二工程有限公司

1.引言

海上深层水泥搅拌桩（DCM）主要通过工程搅拌船将水泥浆等胶凝材料注入地基原状土强制搅拌均匀，使原状土快速固结具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土。该公艺具有施工简便、成本低廉、环境破坏小、地基加固快等优点，受到国际广采用。

香港机场第三跑道扩建工程的地基采用了深层水泥搅拌桩（DCM）的地基加固工艺，地基处理面积650万平方米，DCM桩工程量600万m3，单桩处理面积4.63m2，处理深度15～30m，且桩底进入强度不低于1MPa的持力层锚固2～6m，要求28d的无侧限抗压强度不低于1.2MPa。该项目吸引了国际知名的DCM专家和30多艘DCM船舶同时参与施工。如何确保DCM桩的成桩质量，提高软基的加固效果，是水下DCM桩施工不但探索与研究的重点。

2.水下深层水泥搅拌桩（DCM）的常见质量问题

香港机场第三跑道扩建工程DCM项目的技术要求如下:

（1）桩位偏差要求：水平方向：±10cm，竖向倾斜度小于：1/100 ；

（2）终桩底标高不大于设计标高，持力层嵌固深度不得小于设计深度；

（3）桩顶标高进入砂垫层不得小于1m（桩顶砂垫层厚度为2m）；

（4）DCM桩断面面积不得小于设计图纸面积；

（5）水泥浆密度误差：±3%；

（6）每根桩实际水泥用量与计算用量偏差：±3%；

（7）搅拌叶片的转速偏差：±2r/min；

（8）搅拌轴贯入和提升速度的偏差：±0.1m/min；

（9）桩底及桩顶8m内的搅拌次数（BRN）不得低于900转/m，其余区域不得低于450转/m。

（10）DCM桩28天的取芯芯样每米范围内不得少于1个，且各芯样的UCS强度不得低于设计强度，每根桩的芯样合格率不得低于90%。

在DCM桩的施工过程中，通过不但改进施工设备、施工工艺等技术措施满足以上技术要求，但DCM桩的施工质量仍然存在一些质量缺陷，主要问题如下：

a.DCM桩的桩位水平偏差超过10cm，倾斜度超过1%，导致取芯试验时取不到芯样；

b.DCM桩的桩顶3m内存在较多孔洞甚至局部破碎的现象；

c.DCM桩的桩顶标高低于设计标高；

d.DCM桩的桩底搅拌不均匀，夹杂少量黏土块；

e.DCM桩的桩底标高高于设计桩底标高，且持力层锚固深度不满足设计要求；

f.DCM桩的实际喷浆量比设计用量低3%以上；

g.DCM桩的28d无侧险抗压强度（UCS）低于设计强度，见图2-3。

从以上常见质量问题可以看出，DCM桩的质量控制关键点为：DCM桩的桩位，桩顶、桩底标高，持力层锚固深度，桩顶完整性，桩体搅拌均匀性及无侧险抗压强度。

3.海上深层水泥搅拌桩（DCM）的质量控制措施

3.1 桩位偏差控制措施

图1 DCM桩定位偏差

图2 DCM桩定位纠偏

图3 改进前桩顶取芯照片

图4 改进后桩顶取芯照片

海上DCM桩的施工主要依靠DCM工程船进行下贯成孔和喷浆成桩，DCM船舶上配置三台全站仪与基站连接，形成DCM船舶定位系统。通过移动锚缆使DCM船舶上的桩架钻杆与桩位重合实现DCM桩的初步定位，通过反复微调锚缆实现DCM桩的精确定为，确保打桩前DCM桩的平面偏差不超过10cm。在打桩过程中，由于潮位变化导致船舶锚缆受力改变而影响桩位时，需及时调整锚缆受力状态，确保桩位平面偏差在允许范围内。

DCM船舶的桩架上安装一台倾斜仪，当船舶出现横倾或纵倾时，通过倾斜仪的读数调整船体压载水舱，使船体处于平衡状态满足桩架的垂直度，从而确保DCM桩的垂直度满足要求。

因此，打桩前，需调整好桩位平面位置和垂直度，打桩过程中，若出现偏差需及时纠正确保DCM桩的桩位及倾斜度满足允许偏差要求，纠偏前后见图1及图2。

3.2 桩顶标高控制措施

香港机场第三跑道扩建工程DCM项目的海床面铺设2m厚的砂垫层，DCM桩的桩顶要求进入砂垫层不得小于1m。在DCM桩施工过程中，由于隆起或塌陷的现象（隆起现象居多），导致砂面的标高前后不一致，使DCM桩的桩顶标高的确定存在严重的分歧。当出现隆起现象时，桩顶偏高，当出现塌陷现象时，桩顶偏低。

通过在DCM船舶的桩架两端安装两台测深仪，在打桩前及打桩结束前分别测出海床面的标高（可打水坨测量），与设计标高进行比较后，取大值确定DCM桩的最终标高，确保DCM桩的桩顶标高不低于设计要求的标高。

3.3 桩底标高及持力层锚固深度控制措施

海上DCM桩的施工工艺主要采用下贯成孔及上拔喷浆成桩。因此桩底标高即是下贯的底标高，持力层锚固深度即持力层标高与桩底标高的差值。因此在DCM桩下贯过程中，确定持力层的标高后，再继续下贯至要求的锚固深度即可保证桩底标高。

在施工过程中，持力层的标高需采用双控标准：DCM船舶钻杆进入持力层位置时的电机电流需大于判定电流且持续30s以上，且持力层标高不得高于设计给定的标高。

持力层的判定电流通过预先试桩确定。在预选试桩位置周围等边布置3个CPT试验，确定强度不低于1MPa的持力层位置，取3个数据的平均值作为持力层的标高通过试桩确定持力层位置的判定电流。记录DCM船舶钻杆以恒定速率、恒定转速及喷水量（试桩参数与打桩参数相同）下贯至持力层标高时的电流，取30s内的数据平均值作为持力层的判定电流。

在海上DCM桩施工过程中，时刻关注下贯时钻杆电机的电流数据，当下贯标高达到设计给定标高，且电流值超出判定电流并持续30s以上时，即可确定持力层的标高。此时继续钻进设计给定的锚固长度至桩底，即可确保桩底标高和锚固深度均满足设计要求。

图5 优化后的钻杆及保持架

图6 优化前的工艺曲线

图7 优化后的工艺曲线

3.4 桩顶完整性控制措施

香港机场第三跑道扩建工程DCM项目桩顶3m质量较差，存在少量孔洞及局部破碎现象，见图3-3。主要原因如下：

a.桩顶土层主要为透水性较强的砂垫层和淤泥，受到海水的不断侵蚀；

b.在DCM桩下贯过程中，桩顶位置的喷水导致成孔时含有较大自由水，喷浆成桩后的拌合体受到自由水的侵蚀；

c.桩顶搅拌次数不低于900转/m，搅拌次数过大对水泥土拌合体的扰动过大加速海水的侵蚀与稀释，导致拌合体出现孔洞甚至局部破碎。

因此，为了提高DCM桩的桩顶质量，采取了如下措施：

①在DCM桩下贯成孔过程中，对砂垫层及强度较低的淤泥层采取不喷水下贯；

②增大DCM桩在淤泥层中的水泥掺量，提高10%，对1.2MPa的DCM桩，水泥掺量从230kg/m3增大至250kg/m3；

③喷浆结束后，通过清洗管路将管路中剩余的水泥浆喷至桩顶位置，保护桩头；

④降低桩顶的搅拌次数至600转/m，同时低速慢搅减少钻杆出桩顶时的扰动。

通过采取以上措施，后续DCM桩的桩顶质量得到显著提高，改进前后的桩顶芯样见图3及图4。

3.5 桩体搅拌均匀性控制措施

香港机场第三跑道扩建工程DCM项目的土层主要为淤泥层、海向沉积土、冲击硬土层（包括冲击软黏土、冲击硬塑黏土及冲击砂层），在S5区施工时，DCM桩在冲击硬土层中的成桩质量差，夹杂少量黏土块，见下图8。造成该质量缺陷的主要原因如下：

a.硬土层的土质及深度变化幅度大，钻孔点的土层与实际施工时的土层有较大差别；

b.硬土层中的硬塑黏土强度高、黏性大，不易搅拌均匀；

c.DCM桩的施工参数不适应硬塑黏土层的施工，施工过程中未及时优化调整。

后在施工过程中，通过采取以下措施，使DCM桩在硬土层中的搅拌质量得到显著提高。

①仔细分析各区域的钻孔地质资料，并选取典型位置进行试桩，确定硬塑黏土层的电机电流，高达800A以上，为硬塑黏土层的位置判定提供指导依据；

②将DCM船的钻杆更换成高强度硬质钻杆，并在钻杆的底部及叶片底部加焊锯齿，将钻杆底层宽型保持架更换成窄型保持架，确保钻杆对黏土的充分切割和搅拌。优化后的钻杆及保持架见下图5。

图8 改进前的黏土层中的芯样照片

图9 改进后的黏土层中的芯样照片

图10 改进前的芯样USC强度

图11 改进后的芯样UCS强度

③针对硬塑黏土层，优化施工参数。下贯成孔时参数优化：降低下贯成孔时的下贯速率至0.2～0.3m/s，增大下贯时的喷水量至480L/min，增加下贯切土次数（根据硬塑黏土层的位置增加一次上拔下贯切土）；上拔喷浆成桩时参数优化：降低黏土层中喷浆速率，增大黏土层中的搅拌持续时间，尤其是桩底搅拌时间，搅拌次数（BRN）由要求的900转/m增大至1500转/m。优化前后的工艺曲线见图6及图7。

通过采取以上措施，DCM桩的搅拌质量得到显著改善，改善后的取芯质量见图9。

3.6 桩体强度控制措施

香港机场第三跑道扩建工程DCM 项目的28d无侧限抗压强度（UCS）要求不低于1.2MPa，90d无侧限抗压强度（UCS）不低于1.5MPa，但在S17区施工过程中，存在少量DCM桩UCS强度不满足要求的情况，见图10。主要原因如下：

a.DCM设备喷浆不稳定，整根桩的实际喷浆量比设计低3%以上；

b.该区的土层主要为沉积粉质黏土层和冲击软黏土层，土体含水率均接近其液限指，但在下贯过程中，采取了与硬塑黏土层相同的施工参数，且下贯喷水量高达600L/min。成孔时孔中含有较多自由水，喷浆搅拌后自由水对拌水泥合体充分稀释稀释，导致强度严重降低。

后通过采取以下针对性的措施，施工质量得到显著提高。具体措施如下：

①对DCM船舶的制浆系统、喷浆系统进行全面检查和更换，对计量设备进行标定，严格控制喷浆误差，杜绝了喷浆不足的现象；

②优化施工参数，降低下贯时的喷水量至400L/min，并将底部黏土区域水泥掺量提高10%，加大喷浆流量。

通过采取以上措施，后续DCM桩的UCS强度得到显著提高，强度合格率100%，见图11。

4.结语

海上深层水泥搅拌桩的质量控制关键点为：桩位，桩底、桩顶标高，桩顶完整性，桩体搅拌均匀性和桩体强度。在施工过程至，通过不断改进质量控制点的缺陷，可以大幅提高DCM桩的成桩质量。