微扰动四轴搅拌桩工法及所用施工装备

刘玉霞，吴 健，龚秀刚

（上海工程机械厂有限公司，上海 201901）

水泥土搅拌桩利用水泥等建筑材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌桩机械的搅拌钻头，在地基土中将土和固化剂强制搅拌，固化剂和土之间产生一系列物理化学反应，形成强度较高、整体性、水稳定好的水泥土柱体。

目前，常用的水泥土搅拌桩包含二轴、三轴及五轴搅拌桩等。二轴、三轴搅拌桩为传统搅拌桩。二轴搅拌桩施工时采用“两喷三搅”工艺，制约了施工效率。三轴搅拌桩施工时两侧钻杆喷浆、中间钻杆喷压缩空气，致使中间桩的强度比两侧小。此外，所用浆液水胶比较大，一定程度上降低了桩身强度。近年来，在提高施工效率、桩身均匀性方面，赵春风等［1］研究试验了五轴搅拌桩技术，与三轴搅拌桩相比，选用较小的水灰比设计及“一下一上”的施工流程，能够提高搅拌均匀性与施工效率。徐超等［2］提出在处理深厚软土地基时沿桩身变掺量施工工艺，可改善搅拌桩的整体成桩质量。在水泥土搅拌桩智能化施工方面，万瑜等［3］通过控制浆量分布及用量分析了智能化施工控制系统对水泥土搅拌桩的应用效果。朱志铎等［4］对水泥土搅拌桩智能化施工开展研究，研发了双向水泥土搅拌桩设备智能化施工控制系统，可按照设定程序实施标准化施工，一定程度上降低了搅拌桩施工对人工的依赖。在水泥土搅拌法对土体的扰动方面，叶观宝等［5］研究得到，加入土层的固化剂导致周围土层的孔隙水压力升高，可通过打设释放孔，使得压力上升缓慢并释放，实现控制土体扰动；龚灵迪等［6］通过现场试验比较不同水泥掺量的三轴搅拌桩施工对周边土体变形的影响，结果表明搅拌桩周边土体扰动和水泥掺量存在正相关性，水泥掺量提高至20%时，距桩身2.75 m处的土体最大水平位移较水泥掺量13%时，从5 mm增大至22 mm。

在前人的研究与实践推动下，水泥土搅拌法在桩身均匀性、施工效率、智能控制、施工扰动控制等方面取得了较大进展，然而现有技术仍存在需要研究完善与提升之处：1）采用部分钻杆喷浆、部分钻杆喷气设计，会导致桩身强度平面分布不均；2）上下转换喷浆换具有随机性，未实现自动切换控制；3）缺少减少施工扰动的措施；4）数字化施工控制不够全面和精细，缺少对地内压力、钻头垂直度、叶片搅拌次数的检测与调控，无法根据地层自动分段调控浆液压力与流量等；5）常规搅拌桩施工关键参数仍与操作人员经验等人为因素密切相关，施工过程不透明、关键施工参数难以追溯，难以有效管控搅拌质量［7-9］。

为解决上述问题，本文基于微扰动四轴搅拌桩工法技术，从工法原理、工法材料用量与水胶比、施工装备的组成多方面阐述解决方案，并通过工程实例验证工法技术与所用施工装备的可行性，以期为水泥土搅拌桩的数字化施工、施工质量有效管控与评价、微扰动施工等提供参考。

1 工法原理

微扰动四轴搅拌桩工法使用四轴钻机上的切削叶片、喷浆口喷出的浆液及喷气口喷出的气体共同切割土体，再经过搅拌叶片将水泥等固化剂与土体均匀搅拌，最终形成具有一定强度和抗渗性桩体的搅拌桩新工法；四轴钻机配置的三通道异形钻杆具备排浆、排气功能，可实现成桩全过程对桩周土体的微小扰动，配套开发的数字化施工控制系统，可实时监控成桩参数，实现自动化成桩［7］。

1.1 成桩类型

微扰动四轴搅拌桩成桩类型有I型与II型两类，桩型平面形式如图1（a）、（b）所示。I型施工装备的搅拌系统为单排四轴钻机，钻孔直径为850 mm，钻杆中心距为650 mm，叶片搭接长度为200 mm；II型施工装备的搅拌系统为双排四轴钻机，钻孔直径与中心距分为850 mm/650 mm、700 mm/500 mm两种，搭接均为200 mm。I型桩宜用作劲芯水泥土墙、隔水帷幕、槽壁加固、土体加固、盾构进出洞加固、水利工程中的防渗墙和环境工程中的隔离墙；II型桩宜用作重力式围护墙和大面积复合地基处理［7］。

图1 桩型平面形式mm

1.2 桩身质量控制技术

工法采用“两喷两搅”与桩内通入适量压缩空气技术，工法施工曲线如图2所示，施工参数如表1所示。工法桩身质量控制技术介绍如下。

表1 工法施工参数

图2 工法施工曲线

（1）浆液流量与成桩速度相互匹配。下沉和提升过程中均可分成多个阶段独立控制施工参数，实现浆液流量与成桩速度相互匹配，保证全长范围内桩身的均匀性。

（2）上、下喷浆口转换喷浆。搅拌钻头上设置上、下两层喷浆口，上、下两层喷浆口的开启和关闭由数字化施工控制系统控制，下沉搅拌过程中开启下喷浆口，减少下沉阻力；提升时关闭下喷浆口，开启上喷浆口，浆液和土体再次得到充分搅拌，确保了搅拌体的均匀性。

（3）压缩空气介入。单根钻杆体内布置3个独立通道，其中两处通道通浆，一处通道通气或引入控制线缆，搅拌钻头喷气口位于各根钻头底部，搅拌下沉时，数字化施工控制系统控制喷气口打开，压缩空气通入土体，压缩空气除了能够有效增大浆液喷射范围，对土体有切削作用外，还可加速水泥土凝结、硬化和碳酸化，提高搅拌加固体的早期强度。

（4）桩身垂直度实时监测。钻头下部配备倾斜仪，成桩过程中可实时监测桩身垂直度。桩身质量控制逻辑如图3所示。

图3 桩身质量控制逻辑

1.3 搅拌桩施工对地层微扰动技术

工法减小搅拌桩施工对地层的扰动的技术：

（1）建立浆、气排出通道。常规搅拌桩工法的钻杆截面为圆形，该工法设备的4根钻杆采用外表面为类椭圆的异形钻杆，在钻杆转动下沉或提升过程中，当搅拌土体内部压力超过原位土压力时，浆、气会沿着钻杆周边的排浆通道自然排出，避免搅拌钻头附近因浆、气压力不断累积对周边地层产生较大侧压力。以I型桩型为例，钻杆排浆、排气通道示意如图4所示。

图4 钻杆排浆、排气通道示意

（2）防止黏土黏附钻杆和泥球的形成。在搅拌钻头上设置差速叶片，在搅拌过程中差速叶片不跟随钻杆转动，能有效防止黏土黏附钻杆和泥球的形成（图3）。

（3）实时监测、调整地内压力。搅拌钻头下部配置地内压力传感器（图3），成桩全过程实时监测地内压力变化，通过数字化控制系统调整喷气压力，确保地内压力控制在合理范围以内［7］。

2 工法材料用量与水胶比

基于微扰动四轴搅拌桩工法的原理，该工法具有经济、环保，成桩效率高，自动化水平高的优点，适用于淤泥质土、黏性土、粉土、砂性土、素填土等地层。工法应用于淤泥质土、黏性土、砂性土地层时，与常规三轴搅拌桩相比，材料用量与水胶比如表2所示。工法在素填土中施工时，材料用量与水胶比宜参照淤泥质土，且水泥掺量宜取大值；用于粉土地层时，材料用量与水胶比宜参照砂性土。

表2 微扰动四轴搅拌桩与常规三轴搅拌桩的材料用量与水胶比［7，10］

3 施工装备

微扰动四轴搅拌桩施工装备如图5所示，主要包括搅拌系统、桩架、数字化施工控制系统、供气系统、自动制浆与供浆系统等，其中搅拌系统又称为四轴钻机，分为I型单排四轴钻机与II型双排四轴钻机，四轴钻机主要由动力头、三通道异形钻杆、移动式导向定位装置、搅拌钻头、下钻导向装置、固定抱箍等组成；自动制浆与供浆系统的关键部件泥浆泵通过变频技术控制其流量。

图5 微扰动四轴搅拌桩施工装备

微扰动四轴搅拌桩施工装备为国内自主研制，根据各种地质工艺试桩情况，钻机功率确定为264 kW，处理深度最大为45 m，配套桩架型号为JB170、JB180，根据处理深度不同或净空要求选用。主要施工装备选型参数如表3～5所示。数字化施工系统具备成桩施工的自动化控制、施工数据自动采集和显示、监控及预警功能。空压机的最大供气压力为0.8 MPa。

表3 四轴钻机选型参数

表4 桩架选型参数

表5 泥浆泵选型参数

3.1 四轴钻机

四轴钻机动力头由两台立式变频电机通过联轴器与行星减速机联接，再通过齿轮箱体内的降速增扭齿轮将动力传递给法兰接头、三通道异形钻杆及搅拌钻头进行钻孔搅拌作业。根据不同地质情况，为提高施工效率，可采用高速或低速作业，下沉时采用低速大扭矩，提升时采用高速小扭矩。以I型四轴钻机为例，其动力头结构如图6所示，四轴钻机技术参数如表6所示。

表6 四轴钻机技术参数

图6 I型四轴钻机动力头示意

动力头厂内试验时，以最高转速46 r/min空转运行2 h，环境温度为37℃时，实测电机的最高温度为87℃，减速机的最高温度为63℃，回转注浆接头的最高温度为46℃。

3.2 数字化施工控制系统

数字化施工控制系统是微扰动四轴搅拌桩施工的核心，该系统可以实现打桩施工的全自动化、施工参数可视化监控、施工参数记录存储以及发生参数异常或故障时的报警等功能，从而有效提高施工效率，并确保施工过程中的各项指标的精准控制。数字化施工控制系统控制框图如图7所示，系统检测内容及相应检测元器件检测精度范围如表7所示。

表7 数字化施工控制系统检测内容及相应检测元器件检测精度范围

图7 数字化施工控制系统

4 工程实例

以上海宝山某小区项目微扰动四轴搅拌桩施工为例，该项目为型钢水泥土搅拌墙，采用振动锤辅助内插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢，型钢采用插二跳一方式。工程地质为粉质黏土与淤泥质粉质黏土，设计桩长18 m，水泥掺量为15%，下沉水灰比为1.5，提升水灰比为1.0，下沉喷浆占比30%，提升喷浆占比70%。该项目成桩过程为全自动成桩，某桩位施工记录、地内压力记录及钻杆垂直度均由数字化施工控制系统记录、存储与导出。施工记录图反映了成桩施工时间段内的成桩深度、钻杆转速、总电流及总浆液流量的具体数值，如图8所示。位于钻头底部的压力传感器在成桩过程实时监测的地内压力图如图9所示，钻杆垂直度通过停机30 s由安装于钻头下部的倾斜仪测出，监测结果记录表如表8所示。

表8 钻杆垂直度监测记录

图8 MFP施工记录图

图9 地内压力记录

5 结 语

微扰动四轴搅拌桩具备了较完备的技术标准与施工装备，已在江苏、浙江、上海等地的基坑被动区土体加固、劲芯水泥土墙及河道驳岸地基加固工程得到了成功应用。目前微扰动四轴搅拌桩施工数据管理云平台已搭建，可通过手机端和网络端实时查看采集传感器获取的施工参数。随着该工法在更多工程上的使用与推广，其将对我国水泥土搅拌桩技术在施工自动化、施工效率的提升及施工质量的有效控制方面发挥重要作用。