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SMW工法三轴搅拌桩工法在地下工程中的应用

417 2020-06-18 11:46:55



1.前言

SMW是Soil Mixing Wall的缩写,该工法1976年在日本问世,是日本一家中型企业--成辛工业株式会社所拥有和开发的一项专利,现广泛应用于明挖隧道围护结构和深基坑止水帷幕。

该工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘,同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌,在各施工单元之间则采取重叠搭接施工,然后在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材,至水泥结硬,便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体;亦称劲性水泥土搅拌桩法,将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有挡土与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。若只需抗渗就可取消插入H型钢或钢板工艺,降低投资,加快施工进度。

SMW工法最常用的是三轴型钻掘搅拌机,其中钻杆有用于粘性土及用于砂砾土和基岩之分,此外还研制了其他一些机型,用于城市高架桥下等施工,空间受限制的场合,或海底筑墙,或软弱地基加固。

两侧钻杆高压喷浆,中间钻杆空压机喷气,同时旋转搅拌使得每幅水泥土体水泥含量更均匀。


2. 工法的主要特点及适用范围

传统的深层搅拌桩工法是采用传统的双轴搅拌钻机,施工时水泥浆注入充填在原土间隙中,而新型三轴搅拌钻机则在充填水泥浆时加入高压空气,同时钻机对水泥土进行充分搅拌,并换出大量原状土,由于采用的设备不同,新型的三轴钻机成桩体强度及桩身均匀性明显优于传统的双轴钻机,桩体的垂直性、桩与桩的平行性和搭接型程度都十分良好,保证了优良可靠的防水性能,同时也有利于型钢的插入和回收。与目前经常采用的地下连续墙和钻孔灌注桩等施工方法相比主要有以下特性:

(1)对居民干扰小:施工时基本无噪音。
(2)对周围环境影响小:施工不扰动邻近土体,不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害。
(3)可靠性强:插入H型钢或钢板,有一定的复合结构强度。
(4)挡水性强:钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设置的特点,随着钻掘和搅拌反复进行,可使水泥系强化剂与土得到充分搅拌,而且墙体全长无接缝,从而使它可比传统的连续墙具有更可靠的止水性,其渗透系数K可达10-7cm/s。
(5)造价低:此项围护工法一般都能通过一定施工措施回收H型钢等抗弯材料降低施工成本,且废土外运量远比其他工法为少;一般台班价格,大致在7000元左右每台班,按水泥含量25%分析的综合单价一般在220元/米左右。
(6)施工进度快:所需工期较其他工法为短,在一般地质条件下,每一台班可成墙70~80m2。


(7)多用途(能适应各种地层):可在粘性土、粉土、砂土、砂砾土、Φ100以上卵石及单轴抗压强度60MPa以下的岩层应用。
(8)开挖深度大:可成墙厚度550~1300mm,常用厚度600mm;成墙最大深度目前为65m,视地质条件尚可施工至更深;一般作为深度小于15米的基坑围护结构。
(9)缺点:对场地要求较高,平整场地,自带钢板,一台小勾机配合,场地宽度一般至少需要15米左右。



3. 设备组成、分类及性能指标


4. SMW工法施工顺序
(1)导沟开挖:确定是否有障碍物及做泥水沟。(2)置放导轨。(3)设定施工标志。(4)SMW钻拌:钻掘及搅拌,重复搅拌,提升时搅拌。(5)置放应力补强材(H型钢)(6)固定应力补强材。(7)施工完成SMW。

三轴搅拌桩的搭接以及成形搅拌桩的垂直度补正是依靠搅拌桩单孔重复套钻来实现的,以确保搅拌桩的隔水帷幕作用。三轴搅拌桩一般采用跳槽式双孔全套复搅式施工,但在特殊情况下(例如搅拌桩成转角施工或施工间断)也可采用单侧挤压式施工。

三轴搅拌桩搅拌下钻时喷浆、下钻平均速度控制在1m/min,在穿越第4、6、7层粉砂层时按照不大于0.8m/min的速度搅拌至设计深度后,静止喷浆20秒后开始复搅,按照不大于1m/min的速度提升5m后下沉,到桩底后搅拌提升至桩顶,提升速度不大于1.2m/min。


5. 设计要求

(1)型钢采用热轧H型钢,H型钢规格488×300×11×18(HM)现场700X300X13X24,型钢上端露出冠梁500mm。当型钢焊接接长时,应采用坡口等强焊接,焊缝质量等级不应低于二级。单根型钢中焊接接头不超过2个,焊接接头位置不宜设在支撑位置或开挖面附近等型钢受力较大处;相邻型钢接头竖向位置应相互错开,错开距离不小于1.0m。

(2)桩体与内插型钢的垂直度都不应大于1/200,型钢顶标高允许偏差±50mm;型钢平面位置允许偏差:平行于基坑边线50mm,垂直于基坑边线10mm;型钢转角允许偏差3°。
(3)型钢宜在桩体施工结束后30min内插入,插入前应检查其平整度和接头焊缝质量。
(4)在型钢表面涂抹减摩剂前,必须清除表面铁锈或灰尘,涂抹厚度大于1mm,并涂抹均匀,以确保减摩剂层的粘结质量。

(5)三轴搅拌桩,桩径Φ850mm,轴距600mm,相邻桩咬合250mm,宜采用42.5普通硅酸盐水泥,水泥掺量不小于土的天然质量的30%,水泥中可掺入水泥质量10%膨润土。搅拌桩水泥浆液水灰比1.0,水泥土28天无侧限抗压强度不应小于1.0MPa。
(6)三轴搅拌桩搅拌下钻时喷浆、下钻平均速度控制在1m/min,在穿越第4、6、7层粉砂层时按照不大于0.8m/min的速度搅拌至设计深度后,静止喷浆20秒后开始复搅,按照不大于1m/min的速度提升5m后下沉,到桩底后搅拌提升至桩顶,提升速度不大于1.2m/min。
(7)液浆泵送量应与搅拌下沉或提升速度相匹配,保证搅拌桩中水泥参量的均匀性。
(8)因搁置时间过长产生初凝的浆液,应作为为废料处理,严禁使用。



6. 施工中常见的问题及对策

(1)施工场地松软桩机行走不稳,或导槽开挖较深而沟壁不稳导致搅拌桩机倾斜,影响搅拌桩垂直度;要认真做好“三通一平”和围护桩的定位测量工作,确保钻机的行走路线和地表的坚实度。

(2)有较多的地下障碍物无法施工;导槽沿线的地下障碍物必须清理干净,有必要时进行换填,当障碍物清理范围和换填范围较大时,应出具专项施工方案,同时调整SMW桩的施工参数,以确保桩体的施工质量和施工安全。
(3)在土性为中密以上的沙层中施工,若搅拌桩长度超过18m的极易发生埋钻事故,而且钢桩凭自重不能插到设计深度;在厚度较大且中密的粉细砂层中施工之前,应根据当地经验适当调整钻机和注浆泵型号做到动力足够、注浆压力高、动力头分级启动,必要时调整空压机型号、钻杆螺旋片形式及钻头型号,在不影响桩体强度的前提下,适当掺入占水泥用量2%-5%的优质膨润土,快钻慢拔,基本上能避免埋钻事故发生。
(4)单型钢加工的垂直度较难控制,容易变形;根型钢无法满足时需要现场拼装,因此现场需要浇注(加工)固定的台座,配备专职焊工和吊机,控型钢接头焊接质量,确保型钢成型质量。
(5)停机、停电机械故障处理方法及措施:发生意外停机事件,将钻杆提高100cm,重新搅拌,防止出现断桩或夹层现象,若两桩咬合超过24小时,则第二根桩采用增加20%浆量,或采用加桩。当H型钢不能完全靠自重完全下插到位时,采用挖掘机进行送压或采用振动锤振动下沉使型钢插到设计标高。当上述方案失败时,割除露出地面部分的型钢,在外侧加一幅水泥土搅拌桩,加插型钢作强度补偿。在长时间停工后恢复施工时,应在外侧加作一幅单排水泥土搅拌桩,以防止内档因时间过长造成新老搅拌桩接触面的缝隙漏水。

(6)渗漏水处理方法及措施:开挖阶段,一旦发现围护结构有漏点,及时进行封堵。A、引流管:在基坑渗水点插引流管,在引流管周围用速凝防水水泥砂浆封堵,待水泥砂浆到达强度后,再将引流管打结。B、双液注浆:1)配制化学浆液。2)将配制拌合好的化学浆和水泥浆送入贮浆桶内备用。3)注浆时启动注浆泵,通过2台注浆泵2条管路同时接上Y型接头从H口混合注入孔底被加固的土体部位。4)注浆过程中应尽可能控制流量和压力,防止浆液流失。建议施工参数为注浆压力:0.3—0.8Mpa;注浆流量:25—35L/min;注浆量:0.375 m3/延米;浆液配比,A液:水:水泥:膨润土:外掺剂=0.7:1:0.03:0.03(水泥选用普通硅酸盐水泥标号为425#),B液:水玻璃选用波宽度为35—40°bl
A液:B液=1:1;初凝时间45秒;凝固强度3—4 Mpa/2h。


7.现场质量控制



(1)水泥用量计算:按设计要求水泥参量25%,膨润土参量10%;公式T=SXdXrX25%;
T——每幅桩水泥用量;S——单幅桩截面积;d——桩长度;r——天然土平均重度;首幅桩水泥用量15.74t膨润土用量1.57t;单幅桩水泥用量10.50t膨润土用量1.05t。
(2)水灰比控制:对后台工人专门交底,控制水灰比1:1,每幅桩拌制11桶水泥浆,其中10桶1000kg水泥兑1000kg水,1桶500kg水泥兑500kg水,并将相应参数贴于操作室内;要求施工队伍安排专人负责监督前台、后台工人操作,施工员全程监督,技术部门每天每台三轴搅拌机械抽查不低于8次,发现一次问题立即责令该幅桩按未施工复打并给予严格处罚。
(3)控制注浆压力:严格按照首两幅桩试桩时取用的注浆压力,不擅自调整;注浆泵应保证其实际流量与搅拌机的喷浆钻进下沉或喷浆提升速度相匹配,使水泥掺量在水泥土桩中均匀分配。在实际施工中喷浆压力大小应根据土质特性来控制,常控制在0.8MPa-1.0MPa。(我们现场的各阶段注浆压力根据前两幅桩试桩确定)
(4)控制钻杆提升速度:搅拌下沉速度控制在0.5m/min-1m/min,提升速度控制在1m/min-2m/min,并保持匀速下沉或提升;将计算所得水泥用量每幅桩10.5t分为11桶拌制,其中10桶按水泥1000kg兑1000kg水,1桶按500kg水泥兑500kg水,每幅桩下沉(包括复搅下沉)用光5桶,提升(包括复搅提升)用光5桶,1桶(500kg水泥兑500kg水)用于桩底停转加固;控制分包水泥进场数量,定期根据桩幅总数进行复核;要求施工队伍安排专人负责监督前台、后台工人操作,施工员全程监督,技术部门每天每台三轴搅拌机械抽查不低于8次,发现一次问题立即责令该幅桩按未施工复打并给予严格处罚。

(5)桩位控制:施工前放线定位桩位点,钻机就位后钢尺、线锤、一米  线定准桩位;
(6)垂直度控制:钻机就桩位定位后,钻杆自带线锤调整垂直度。
(7)型钢顶标高控制:首根型钢插入,用经纬仪定位桩顶标高,并采用吊筋方式进行固定,而后施工过程中用钻机将型钢压入同上一根顶标高。

(8)型钢型芯转角控制:型钢定位导向架和竖向定位的悬挂构件控制型钢型芯转角不大于3°。
(9)搅拌下沉和提升速度一定要均匀,遇到障碍物要减速慢行防止设备损坏。
(10)采用信息法施工,后台和桩机要密切联系配合,保证工序的连续性和完整性。



8. 施工质量保证措施


(1)确保桩身强度和均匀性要求做到:严格控制每桶搅拌桶的水泥用量及液面高度,用水量采取总量控制;土体应充分搅拌,严格控制钻孔下沉、提升速度,使原状土充分破碎有利于水泥浆与土均匀拌和;浆液不能发生离析,水泥浆液应严格按预定配合比制作,为防止灰浆离析,放浆前必须搅拌3min(放水泥时开始计时)再倒入存浆桶;压浆阶段输浆管道不能堵塞,不允许发生断浆现象,全桩须注浆均匀,不得发生土浆夹心层;发现管道堵塞,应立即停泵处理。待处理结束后立即把搅拌钻具上提和下沉1.0m后方能继续注浆,等10~20秒恢复向上提升搅拌,以防断桩发生。

(2)插入H型钢质量保证措施:型钢到场需得到监理单位确认,待监理检查型钢的平整度、焊接质量,认为质量符合施工要求后,进行下插H型钢施工;型钢进场要逐根吊放,型钢底部垫枕木以减少型钢的变形,下插H型钢前要检查型钢的平整度,确保型钢顺利下插;型钢插入前必须将型钢的定位设备准确固定,并校核其水平;型钢吊起后用经纬仪调整型钢的垂直度,达到垂直度要求后下插H型钢,利用水准仪或其他可靠措施控制H型钢的顶标高,保证H型钢的插入深度。


9. 施工参数

通过试桩确定注浆压力、气压、下沉与提升速度、浆液流量、水泥掺量:注浆压力0.5~0.8Mpa、气压为0.5~0.6Mpa、下沉速度0.22m/min、提升速度0.88m/min、浆液流量460L/min。



10. 施工组织


后台水泥搅拌班组5人、SMW工法钻机操作2人、型钢焊接及吊装班组8人、涂刷减摩剂4人、跟班作业技术人员2人。  
工效:粘土层成桩400m3/d.台, 水泥用量180吨(水泥掺量为25%、土容重取1.8吨),中密砂层中成桩300m3/d.台。



11.成本分析(综合单价)


每立方水泥土分包价为人工与机械费100元(折合1m为140元)+水泥费(260元/吨)+型钢费用(含型钢运费200元/吨、焊接、吊装、插拔等1100元/吨、租金8元/吨.天)。LT系列减摩涂料呈现黑褐色膏状固体,用量为1kg/m2,软化点不小于55°,与A3钢粘结强度大于0.7Mpa。例如:水泥土搅拌桩桩径为φ850mm,间距为600mm,桩间搭接250mm,设计要求采取重叠搭接施工,采用32.5级A型矿渣硅酸盐水泥,水泥掺量为25%;水泥土搅拌桩垂直偏差<1%,搅拌桩桩位偏差<5㎝;大致在7000元左右每台班,综合单价一般在220元/米左右。


来源:地下工程周刊