（上海申铁投资有限公司，上海，200001）
摘要:为解决在城市地铁隧道、历史保护建（构）筑物、重要管线周边的地基土加固施工扰动问题，更好的保护周边环境。本文针对一种多液复合微扰动搅拌桩施工方法展开研究，通过对搅拌桩施工机器的改造，减小施工机器的自重压力导致的土体变形，改造的正六边形截面钻杆在搅拌过程中周边会形成泄压通道，减小下部土体压力变形扰动。同时新材料的加入及施工参数的调整使多液复合微扰动搅拌桩具有速凝早强的特性，选择合适的施工掺量可以在较短时间内使加固土体达到原状土强度，从而有效减少施工对周边环境的变形影响。
关键词:施工扰动;多液复合微扰动搅拌桩;地基土加固;速凝早强;施工工法
Application of Multi-Liquid Composite Micro-Disturbance Mixing Piles
Abstract: This article has studied a construction method of multi-liquid composite micro-disturbance mixing pile. In order to solve the problem of foundation soil reinforcement disturbance around the subway tunnel, historical protection structures and important pipelines, better protect the surrounding environment. Through the transformation of mixing pile construction machine, soil deformation caused by the dead weight pressure of the construction machine can be reduced. In the process of stirring, pressure relief channels will be formed around the transformed regular hexagonal section drill pipe to reduce the pressure deformation disturbance of the lower soil. At the same time, the adjustment of construction parameters makes the multi-liquid composite micro-disturbance mixing pile have the characteristics of quick setting and early strength. Selecting the appropriate construction dosage can make the reinforced soil reach the strength of undisturbed soil in a short time, so as to effectively reduce the deformation influence of construction on the surrounding environment.
Keywords: Construction disturbance; Multi-liquid composite micro-disturbance mixing pile; Foundation soil reinforcement; Quickly setting early strong; Construction method
0 引言
随着城市的快速发展，地面的空间越来越拥挤，因而对地下空间的利用需求日益增长。目前临近地铁隧道、历史保护建（构）筑物、重要管线周边采用普通水泥土搅拌桩施工时，由于传统的水泥土需要约24h才能接近原状土强度，期间的液化变形和施工扰动，会引起周边的土体产生较大变形，从而导致临近的地铁隧道、历史保护建（构）筑物、重要管线发生过大变形，产生安全隐患。地基土加固施工对周边环境的影响成为了越来越重视的热点关注问题。
目前国内对地基土加固对周边环境的影响研究已取得诸多成果。温锁林[[1]]提出一种单轴微扰动施工工艺，适当提高水泥浆液水灰比，减慢动力头下沉速度，加快提升速度，提升时不喷浆，不喷气，并做试验进行对照与验证，得出结果表明扰动变形比常规的搅拌桩工艺要小。浙江省产品与工程标准化协会[[2]]制定了微扰动水泥土搅拌桩设计与施工技术规程，提出通过改造搅拌钻头叶片布置，减小旋转裹土效应；采用跳桩法，增大相邻桩的施工间隔时间；使用专门的桩机，优化材料的配比参数，保持地层内压力平衡，减小施工过程中对周边环境的影响。
然而，现有的研究只是针对施工机器的改造，施工的工艺进行了改良，没有从材料的特性方面对成桩效果进行研究。本文针对上海淞沪路~闸殷路下立交工程，研究了运用水泥浆与一定掺量的水玻璃和土体混合搅拌，依靠水玻璃和水泥土混合后速凝和早强的特性，使搅拌桩的强度在较短时间内达到或者超过原状土强度，从而有效减小加固体周边土体的变形，达到对周边环境的保护。
1施工机械设备参数
经改造的多液微扰动搅拌桩机DJB型，其参数如下表：
表1 多液复合微扰动搅拌桩机参数 Table 1 Parameters of multi - liquid composite micro - disturbance mixing pile machine | |
设备尺寸 | 14m(长)×4m(宽)×25m(高) |
动力头功率 | 225Kw |
下沉/提升速度 | 0-2.0m/min |
钻头直径 | 650mm/850mm |
施工深度 | 22m |
自重 | 45t |
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图1多液复合微扰动搅拌桩机（DJB） Fig.1 Multi - liquid composite micro - disturbance mixing pile machine (DJB) | |
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图2多液搅拌桩机钻头[2] Fig.2 Multi-liquid pile mixer drill | |
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图3多液搅拌桩机钻杆 Fig.3 Multi - liquid mixing pile machine drill pipe | |
2工艺原理
多液复合微扰动搅拌桩施工的主要原理包括下面几个方面：
1）多液复合微扰动搅拌桩的速凝和早强性能，能缩短液化土体的变形时间。
利用改造的多液搅拌桩机将水泥浆+水玻璃喷入土体并充分搅拌，使水泥+水玻璃+土发生一系列物理化学反应，利用水玻璃的速凝、早强特性，使加固的土体在4h内达到或超过原状土强度，缩短加固土体液化对周边的扰动变形时间。
2）采用锯齿口切削叶片，减小了对周边土体的拖带扰动。
施工时，首先由锯齿口叶片对土体进行化整为条切割，锯齿口叶片上部设置一道自由叶片，不随钻杆同步旋转，防止旋转过程中裹挟泥球的产生，减小对周边土体的拖带扰动。。
3）钻杆截面为正六边形，旋转过程中侧壁形成泄压通道。
常规的水泥土搅拌桩钻杆截面为圆形，多液微扰动搅拌桩机钻杆截面设置为正六边形，当钻杆转动时，在转杆的周边会形成泄压通道，当搅拌压力大于土体自重压力时，可以通过泄压通道减小深层土体压力，减小施工对周围土体的压力扰动。
4）多液复合微扰动搅拌桩机自重较轻，搅拌施工下压力可控。
多液复合微扰动搅拌桩机重量只有常规搅拌桩机的约三分之一，钻头下压力由计算机根据深度和土层特性控制。当下部周边有地铁隧道时，顶部自重压力比较小。
5）深层土体加固垂直度较好
由于减小了搅拌土体内压力，钻杆阻力较小，加固深层土体施工时能较好的控制垂直度，精度可达1/250。
6）微扰动施工对周边土体扰动小。
三根钻杆底部只喷水泥浆，不需要喷射高压空气切割土体，保持地层内施工压力稳定且较小。
3施工工艺流程
测量放样→开挖沟槽（清除地面、地下障碍物）→设置导向定位线、分隔→桩机就位→钻进、喷水泥浆搅拌下沉至设计标高→提升、喷水泥浆、喷水玻璃→成桩移机。
4应用实例
4.1 项目概况
上海市某下立交市政工程项目位于上海市杨浦区北侧淞沪路~闸殷路上（图5.1），下立交明挖基坑与地铁10号线的相对位置如下图5.2。
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图4下立交基坑与地铁10号线的相对位置示意图 Fig.4 The relative position diagram of the foundation pit of the lower interchange and subway Line 10 |
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图5加固土体与地铁10号线隧道的距离 Fig.5 The distance between the reinforcement soil and the tunnel of subway Line 10 |
开挖基坑下部为运营的地铁10号线，隧道埋深约14m，基坑开挖深度8.17m。基坑土方开挖后隧道上部会卸载，为防止地铁隧道上浮变形[[3]]，坑底设计搅拌桩满堂加固提高土体抗变形能力，加固桩距离地铁隧道最近约1.244m，对施工变形要求极高，常规搅拌桩周边土体变形较大，故采用多液复合微扰动搅拌桩工艺。
4.2 工程地质情况
根据地质详勘报告 ，工程地基土自上而下依次为：
①-1杂填土：表层为沥青路面，其下为回填土，土质松散且不均匀。厚度为2.6~3.3m。
②3-1砂质粉土夹粉质粘土：夹粉砂及砂质粉土，土质不均，土面粗糙。厚度为13.06~15.98m。
⑤-1粘土：含泥质结核，夹少量薄层粉土。厚度为0~3.2m。
⑥粉质粘土：夹少量薄层粉性土，土面光滑稍有光泽。厚度为0~5.9m。
4.3 现场条件
施工场地位于市中心，周边地下管线众多，有通信、电力、污水管道等。
场地南侧为正常通行的淞沪路，北侧为闸殷路，东侧为三门路。
4.4 施工流程
多液复合微扰动搅拌桩施工前必须试桩，以确定实际施工水玻璃和水泥的掺量、浆液水灰比、浆液泵送流量和搅拌下沉及提升速度、桩长及垂直度控制方法，以便确定多液搅拌桩的正常施工控制指标。
多液复合搅拌桩施工工艺流程详见下图6。
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图6多液复合搅拌桩施工工艺流程图 Fig.6 Construction process flow chart of multi - liquid composite mixing pile |
4.5 施工操作要点及措施
1）测量放样
测量员根据建设方提供的轴线、水准点，严格按照设计图进行桩位中心轴线定位放样及高程引测工作，并作好轴线控制点标志。
2）开挖沟槽
为清除妨碍成桩施工的杂填土和浅层的地下障碍物，用挖机开挖出1.2米宽沟槽，深度应到达杂填土底部并不小于1米。
3）设置导向定位线、分幅
按照20m～30m分段随多液复合微扰动搅拌桩的完成施放，定位线两端必须放置固定好，多液复合微扰动桩机就位时以螺旋叶片外缘切上施工线为标准。桩位分幅布置的偏差不得大于20mm。
4）桩机就位
桩机行走路线用大块厚钢板铺设，平整度满足1/100。桩机就位后应校正、复核桩机底盘水平度和钻塔导向架的垂直度，立柱导向架的垂直度偏差应小于1/250。
5）制备浆液[[4]]
水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，依据现场试验得到浆液配比参数：水泥掺量为20%，水灰比为1.0，并加入掺量为水泥用量的10%的35度水玻璃，要求搅拌桩3~4h内达到原状土的强度，桩身取芯28天无侧限抗压强度标准值不小于0.8MPa。
6）成桩和注浆液
定位后开动桩机使钻头下沉，下钻到设计桩顶标高前，三根钻杆只喷水泥浆，减少空钻部分下钻的阻力，到达设计桩底标高后重复搅拌注浆15秒，随后钻头提升，提升的同时两根水玻璃注浆管开始压力喷浆，同步向土体注入水泥浆液和水玻璃液，两种液体在钻头的搅拌作用下，充分地搅拌融合在一起。成桩采用一喷一搅的搅拌工艺：下沉仅喷水泥浆，提升喷水泥浆和水玻璃液；水泥、水玻璃、原状土需均匀拌和，下沉速度为0.5m/min，提升速度为1.0m/min；压浆速度应和提升(或下沉)速度相配合，确保额定浆量在桩身长度范围内均匀分布；提升时不应在孔内产生负压造成周边土体的内倾变形，搅拌次数或搅拌时间应能保证多液复合微扰动搅拌桩的成桩质量。
4.6 质量控制要点
1）施工时应保证前后台密切配合，禁止断浆。如因故停浆，应在恢复压浆前将多液复合微扰动搅拌机下沉0.5m后再注浆搅拌施工，以保证搅拌桩的连续性[[5]]。
2）水灰比严格控制，所有拌浆采用半自动后台，严格按参数实行。
3）控制下沉、提升速度，确保土、水泥浆、水玻璃搅拌均匀度。
4）施工时检查桩机垂直度，成桩后桩位偏差不大于50mm。
5）钻头直径加大10cm确保完整搭接，两排桩搭接250mm,并错开半个桩，以确保搭接处的安全性。
5成桩检测结果
根据地铁保护单位和设计单位的要求，对开工前的多液复合微扰动搅拌试验桩进行了不同龄期的静力触探强度检测，作为参照，取相同施工条件下的普通水泥土搅拌桩进行对比试验。试验结果如下：
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图7常规搅拌桩不同龄期静力触探强度 Fig.7 Static probing strength of conventional mixing pile at different ages |
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图8多液复合微扰动搅拌桩不同龄期静力触探强度 Fig.8 Static probing strength of multi - liquid composite micro - disturbance mixing pile at different ages |
根据试验结果得出：
1）普通的水泥土搅拌桩达到原状土强度，需要约1d，而多液复合微扰动搅拌桩只需约3-4h。
2）对比各个相同龄期的普通水泥土搅拌桩和多液复合微扰动搅拌桩的静力触探强度，多液复合微扰动搅拌桩都表现早强的性能。
施工期间同时对地铁隧道周围土体进行了变形监测，得到如图9监测数据，依据监测数据分析，施工期间对地铁隧道的扰动变形在3mm以内。
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图9多液复合微扰动搅拌桩施工期间地铁周围土体变形情况 Fig.9 Soil deformation around subway during construction of multi - liquid composite micro - disturbance mixing pile |
当试验桩达到28d龄期时，取芯测试其无侧限抗压强度值。试验结果如下：
表2多液复合微扰动搅拌桩试验28天无侧限抗压强度值 Table 2 Unconfined compressive strength of multi - liquid composite micro - disturbance mixing pile for 28 days | |||
类型 | 桩号 | 试块抗压强度代表值（MPa） | 备注 |
普通水泥土搅拌桩 | S1 | 1.04 | |
S2 | 1.09 | ||
S3 | 1.02 | ||
多液复合微扰动搅拌桩 | DS1 | 1.02 | |
DS2 | 1.03 | ||
DS3 | 1.10 | ||
依据试验结果，多液复合微扰动搅拌桩表现出速凝、早强的特性，与相同水泥掺量的普通水泥土搅拌桩桩身28d无侧限抗压强度基本相当，对周边土体的扰动几乎可以忽略不计。
6结论与建议
多液复合微扰动搅拌桩工艺在上海市淞沪路~闸殷路下立交工程的成功应用，有效控制了加固施工过程中地铁隧道的失圆变形，确保了地铁运营安全，减小了对周边环境的不利影响。具体结论与建议如下：
1）紧邻地铁隧道、历史保护建（构）筑物、重要管线等变形敏感区域地基土加固，建议采用多液复合微扰动搅拌桩工艺，可以在3~4h内使加固土体达到原状土强度，减小了施工期间对周围土体的扰动。
2）针对设备自重对下部土体的压力变形，可对搅拌桩设备进行轻量化改造，建议施工时机器下部铺设路基板，以便均匀扩散自重荷载。
3）同一排多液搅拌桩宜采取隔桩跳打，建议相邻桩之间的施工间隔时间为3h~4h，保证前幅桩体达到原状土强度，可以减少施工对周边土体的扰动变形。
4）依据不同的多液配比（土+水+水泥+水玻璃的配比），可实现控制加固土体在不同时间段的桩身强度，建议结合不同的项目，不同的地质情况，进行试验确定所需配合比。
参考文献（References）：
[1] 温锁林.运营地铁隧道上方基坑施工技术及保护措施[J].地下空间与工程学报,2011
WEN Suolin.Study on Construction Technology and Protection Measures of the Excavation above Operating Metro Tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011
[2] 微扰动水泥搅拌桩设计与施工技术规程:T/ZS0141-2020[S].北京：中国建筑工业出版社,2020
Technical Specification for Design and Construction of Soil-cement Mixing Pile with Weak Disturbance: T/ZS0141-2020[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2020.
[3] 魏新立.明挖基坑上跨既有运营地铁隧道施工关键技术与实践[J].运输经理世界,2021
WEI Xinli.Key technologies and practice on construction of open-cut foundation pit over-passing the operating subway tunnel[J].Transport Business China, 2021
[4] 郑坚杰.三轴搅拌桩微扰动施工工艺参数比选[J].市政技术,2018,第002期
ZHENG Jianjie. Parameter Comparison of Perturbation Technique of Three-axle Mixing Pile[J]. Municipal Engineering Technology, 2018, 002
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