微擾動四軸攪拌樁工法及所用施工裝備

劉玉霞，吳 健，龔秀剛

（上海工程機械廠有限公司，上海 201901）

水泥土攪拌樁利用水泥等建筑材料作為固化劑，通過特制的深層攪拌樁機械的攪拌鉆頭，在地基土中將土和固化劑強制攪拌，固化劑和土之間產生一系列物理化學反應，形成強度較高、整體性、水穩定好的水泥土柱體。

目前，常用的水泥土攪拌樁包含二軸、三軸及五軸攪拌樁等。二軸、三軸攪拌樁為傳統攪拌樁。二軸攪拌樁施工時采用“兩噴三攪”工藝，制約了施工效率。三軸攪拌樁施工時兩側鉆桿噴漿、中間鉆桿噴壓縮空氣，致使中間樁的強度比兩側小。此外，所用漿液水膠比較大，一定程度上降低了樁身強度。近年來，在提高施工效率、樁身均勻性方面，趙春風等［1］研究試驗了五軸攪拌樁技術，與三軸攪拌樁相比，選用較小的水灰比設計及“一下一上”的施工流程，能夠提高攪拌均勻性與施工效率。徐超等［2］提出在處理深厚軟土地基時沿樁身變摻量施工工藝，可改善攪拌樁的整體成樁質量。在水泥土攪拌樁智能化施工方面，萬瑜等［3］通過控制漿量分布及用量分析了智能化施工控制系統對水泥土攪拌樁的應用效果。朱志鐸等［4］對水泥土攪拌樁智能化施工開展研究，研發了雙向水泥土攪拌樁設備智能化施工控制系統，可按照設定程序實施標準化施工，一定程度上降低了攪拌樁施工對人工的依賴。在水泥土攪拌法對土體的擾動方面，葉觀寶等［5］研究得到，加入土層的固化劑導致周圍土層的孔隙水壓力升高，可通過打設釋放孔，使得壓力上升緩慢并釋放，實現控制土體擾動；龔靈迪等［6］通過現場試驗比較不同水泥摻量的三軸攪拌樁施工對周邊土體變形的影響，結果表明攪拌樁周邊土體擾動和水泥摻量存在正相關性，水泥摻量提高至20%時，距樁身2.75 m處的土體最大水平位移較水泥摻量13%時，從5 mm增大至22 mm。

在前人的研究與實踐推動下，水泥土攪拌法在樁身均勻性、施工效率、智能控制、施工擾動控制等方面取得了較大進展，然而現有技術仍存在需要研究完善與提升之處：1）采用部分鉆桿噴漿、部分鉆桿噴氣設計，會導致樁身強度平面分布不均；2）上下轉換噴漿換具有隨機性，未實現自動切換控制；3）缺少減少施工擾動的措施；4）數字化施工控制不夠全面和精細，缺少對地內壓力、鉆頭垂直度、葉片攪拌次數的檢測與調控，無法根據地層自動分段調控漿液壓力與流量等；5）常規攪拌樁施工關鍵參數仍與操作人員經驗等人為因素密切相關，施工過程不透明、關鍵施工參數難以追溯，難以有效管控攪拌質量［7-9］。

為解決上述問題，本文基于微擾動四軸攪拌樁工法技術，從工法原理、工法材料用量與水膠比、施工裝備的組成多方面闡述解決方案，并通過工程實例驗證工法技術與所用施工裝備的可行性，以期為水泥土攪拌樁的數字化施工、施工質量有效管控與評價、微擾動施工等提供參考。

1 工法原理

微擾動四軸攪拌樁工法使用四軸鉆機上的切削葉片、噴漿口噴出的漿液及噴氣口噴出的氣體共同切割土體，再經過攪拌葉片將水泥等固化劑與土體均勻攪拌，最終形成具有一定強度和抗滲性樁體的攪拌樁新工法；四軸鉆機配置的三通道異形鉆桿具備排漿、排氣功能，可實現成樁全過程對樁周土體的微小擾動，配套開發的數字化施工控制系統，可實時監控成樁參數，實現自動化成樁［7］。

1.1 成樁類型

微擾動四軸攪拌樁成樁類型有I型與II型兩類，樁型平面形式如圖1（a）、（b）所示。I型施工裝備的攪拌系統為單排四軸鉆機，鉆孔直徑為850 mm，鉆桿中心距為650 mm，葉片搭接長度為200 mm；II型施工裝備的攪拌系統為雙排四軸鉆機，鉆孔直徑與中心距分為850 mm/650 mm、700 mm/500 mm兩種，搭接均為200 mm。I型樁宜用作勁芯水泥土墻、隔水帷幕、槽壁加固、土體加固、盾構進出洞加固、水利工程中的防滲墻和環境工程中的隔離墻；II型樁宜用作重力式圍護墻和大面積復合地基處理［7］。

圖1 樁型平面形式mm

1.2 樁身質量控制技術

工法采用“兩噴兩攪”與樁內通入適量壓縮空氣技術，工法施工曲線如圖2所示，施工參數如表1所示。工法樁身質量控制技術介紹如下。

表1 工法施工參數

圖2 工法施工曲線

（1）漿液流量與成樁速度相互匹配。下沉和提升過程中均可分成多個階段獨立控制施工參數，實現漿液流量與成樁速度相互匹配，保證全長范圍內樁身的均勻性。

（2）上、下噴漿口轉換噴漿。攪拌鉆頭上設置上、下兩層噴漿口，上、下兩層噴漿口的開啟和關閉由數字化施工控制系統控制，下沉攪拌過程中開啟下噴漿口，減少下沉阻力；提升時關閉下噴漿口，開啟上噴漿口，漿液和土體再次得到充分攪拌，確保了攪拌體的均勻性。

（3）壓縮空氣介入。單根鉆桿體內布置3個獨立通道，其中兩處通道通漿，一處通道通氣或引入控制線纜，攪拌鉆頭噴氣口位于各根鉆頭底部，攪拌下沉時，數字化施工控制系統控制噴氣口打開，壓縮空氣通入土體，壓縮空氣除了能夠有效增大漿液噴射范圍，對土體有切削作用外，還可加速水泥土凝結、硬化和碳酸化，提高攪拌加固體的早期強度。

（4）樁身垂直度實時監測。鉆頭下部配備傾斜儀，成樁過程中可實時監測樁身垂直度。樁身質量控制邏輯如圖3所示。

圖3 樁身質量控制邏輯

1.3 攪拌樁施工對地層微擾動技術

工法減小攪拌樁施工對地層的擾動的技術：

（1）建立漿、氣排出通道。常規攪拌樁工法的鉆桿截面為圓形，該工法設備的4根鉆桿采用外表面為類橢圓的異形鉆桿，在鉆桿轉動下沉或提升過程中，當攪拌土體內部壓力超過原位土壓力時，漿、氣會沿著鉆桿周邊的排漿通道自然排出，避免攪拌鉆頭附近因漿、氣壓力不斷累積對周邊地層產生較大側壓力。以I型樁型為例，鉆桿排漿、排氣通道示意如圖4所示。

圖4 鉆桿排漿、排氣通道示意

（2）防止黏土黏附鉆桿和泥球的形成。在攪拌鉆頭上設置差速葉片，在攪拌過程中差速葉片不跟隨鉆桿轉動，能有效防止黏土黏附鉆桿和泥球的形成（圖3）。

（3）實時監測、調整地內壓力。攪拌鉆頭下部配置地內壓力傳感器（圖3），成樁全過程實時監測地內壓力變化，通過數字化控制系統調整噴氣壓力，確保地內壓力控制在合理范圍以內［7］。

2 工法材料用量與水膠比

基于微擾動四軸攪拌樁工法的原理，該工法具有經濟、環保，成樁效率高，自動化水平高的優點，適用于淤泥質土、黏性土、粉土、砂性土、素填土等地層。工法應用于淤泥質土、黏性土、砂性土地層時，與常規三軸攪拌樁相比，材料用量與水膠比如表2所示。工法在素填土中施工時，材料用量與水膠比宜參照淤泥質土，且水泥摻量宜取大值；用于粉土地層時，材料用量與水膠比宜參照砂性土。

表2 微擾動四軸攪拌樁與常規三軸攪拌樁的材料用量與水膠比［7，10］

3 施工裝備

微擾動四軸攪拌樁施工裝備如圖5所示，主要包括攪拌系統、樁架、數字化施工控制系統、供氣系統、自動制漿與供漿系統等，其中攪拌系統又稱為四軸鉆機，分為I型單排四軸鉆機與II型雙排四軸鉆機，四軸鉆機主要由動力頭、三通道異形鉆桿、移動式導向定位裝置、攪拌鉆頭、下鉆導向裝置、固定抱箍等組成；自動制漿與供漿系統的關鍵部件泥漿泵通過變頻技術控制其流量。

圖5 微擾動四軸攪拌樁施工裝備

微擾動四軸攪拌樁施工裝備為國內自主研制，根據各種地質工藝試樁情況，鉆機功率確定為264 kW，處理深度最大為45 m，配套樁架型號為JB170、JB180，根據處理深度不同或凈空要求選用。主要施工裝備選型參數如表3～5所示。數字化施工系統具備成樁施工的自動化控制、施工數據自動采集和顯示、監控及預警功能?？諌簷C的最大供氣壓力為0.8 MPa。

表3 四軸鉆機選型參數

表4 樁架選型參數

表5 泥漿泵選型參數

3.1 四軸鉆機

四軸鉆機動力頭由兩臺立式變頻電機通過聯軸器與行星減速機聯接，再通過齒輪箱體內的降速增扭齒輪將動力傳遞給法蘭接頭、三通道異形鉆桿及攪拌鉆頭進行鉆孔攪拌作業。根據不同地質情況，為提高施工效率，可采用高速或低速作業，下沉時采用低速大扭矩，提升時采用高速小扭矩。以I型四軸鉆機為例，其動力頭結構如圖6所示，四軸鉆機技術參數如表6所示。

表6 四軸鉆機技術參數

圖6 I型四軸鉆機動力頭示意

動力頭廠內試驗時，以最高轉速46 r/min空轉運行2 h，環境溫度為37℃時，實測電機的最高溫度為87℃，減速機的最高溫度為63℃，回轉注漿接頭的最高溫度為46℃。

3.2 數字化施工控制系統

數字化施工控制系統是微擾動四軸攪拌樁施工的核心，該系統可以實現打樁施工的全自動化、施工參數可視化監控、施工參數記錄存儲以及發生參數異?；蚬收蠒r的報警等功能，從而有效提高施工效率，并確保施工過程中的各項指標的精準控制。數字化施工控制系統控制框圖如圖7所示，系統檢測內容及相應檢測元器件檢測精度范圍如表7所示。

表7 數字化施工控制系統檢測內容及相應檢測元器件檢測精度范圍

圖7 數字化施工控制系統

4 工程實例

以上海寶山某小區項目微擾動四軸攪拌樁施工為例，該項目為型鋼水泥土攪拌墻，采用振動錘輔助內插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，型鋼采用插二跳一方式。工程地質為粉質黏土與淤泥質粉質黏土，設計樁長18 m，水泥摻量為15%，下沉水灰比為1.5，提升水灰比為1.0，下沉噴漿占比30%，提升噴漿占比70%。該項目成樁過程為全自動成樁，某樁位施工記錄、地內壓力記錄及鉆桿垂直度均由數字化施工控制系統記錄、存儲與導出。施工記錄圖反映了成樁施工時間段內的成樁深度、鉆桿轉速、總電流及總漿液流量的具體數值，如圖8所示。位于鉆頭底部的壓力傳感器在成樁過程實時監測的地內壓力圖如圖9所示，鉆桿垂直度通過停機30 s由安裝于鉆頭下部的傾斜儀測出，監測結果記錄表如表8所示。

表8 鉆桿垂直度監測記錄

圖8 MFP施工記錄圖

圖9 地內壓力記錄

5 結 語

微擾動四軸攪拌樁具備了較完備的技術標準與施工裝備，已在江蘇、浙江、上海等地的基坑被動區土體加固、勁芯水泥土墻及河道駁岸地基加固工程得到了成功應用。目前微擾動四軸攪拌樁施工數據管理云平臺已搭建，可通過手機端和網絡端實時查看采集傳感器獲取的施工參數。隨著該工法在更多工程上的使用與推廣，其將對我國水泥土攪拌樁技術在施工自動化、施工效率的提升及施工質量的有效控制方面發揮重要作用。