同心双轴双向搅拌带监控型水泥搅拌桩机的施工应用

吴仁武

中交三航局厦门分公司福建厦门361006

摘要：以龙海市南太武高新技术产业园区基础设施项目工程（一期）工业路采用同心双轴双向搅拌带监控型水泥搅拌桩机为例，介绍同心双轴双向搅拌带监控型水泥搅拌桩机的施工应用。

关键词：双向搅拌；监控；水泥搅拌桩机

1双向/单向搅拌桩的概念

先介绍单向搅拌桩，即常规水泥土搅拌桩，水泥搅拌桩是一种利用水泥为固化剂，通过深层搅拌机械在地基将软土或沙等和固化剂强制拌和，是软基硬结而提高地基强度的一种处理技术。

其中单向搅拌桩在进行地基土和固化剂的拌和中，搅拌钻头只是单向旋转，而所谓双向搅拌桩，即是在单向搅拌桩的基础上，使搅拌钻头可以做双向旋转的一种处理技术。

2工程概况

本项目位于龙海市工业园区内，园区内的运输车辆主要为重型车辆，且随着工业园区的发展，未来的交通量必将大幅度增加，而稳定的路基是车辆顺利通行的保证。根据地勘钻孔揭示，沿线CK1+018～CK1+115及CK1+290～CK1+700存在2.5～8米的淤泥层，淤泥为流塑状，灰黑色，湿，主要由粘粉粒及时腐殖质组成，味臭，含少量贝壳，土质不良，力学强度低，不宜直接作为路基持力层，须进行地基处理。鉴于本工程涉及面广，工期短，淤泥深度较厚，综合考虑路基的承载力和变形要求，本次设计推荐采用水泥土搅拌桩对深厚软土地基进行处理。

3施工技术应用现状

单向搅拌桩旋转动力和钻进动力统一由一个55KW电机提供，钻杆只有一根，刀排只有两层四片，在施工中单向旋转搅拌。

双向搅拌桩的旋转动力一般由两个45KW电机提供，其中一个控制外钻杆，另一个控制内钻杆，钻进动力通过设备自重下压，电机和钻杆之间的联系通过双向动力箱体达成，在两个电机的分别控制下，内外钻杆实现反向旋转施工，内外钻杆刀排共四层八片。

3.1双向/单向搅拌桩机的技术对比

在技术层面，双向搅拌桩要全面优于单向搅拌桩，主要分成以下几点：

1）钻进搅拌动力

①钻进动力

双向搅拌桩靠自重下压，重量达3吨以上；单向搅拌桩靠链条加压，动力只有约1.5吨，且电机提供的动力在遇到钻进阻力较大时，不稳定系数太高。所以双向搅拌桩的钻进能力明显要强于单向搅拌桩，更适合深层搅拌桩的施工。

②搅拌切割动力

双向搅拌桩主动力有90KW，且90KW全部用在搅拌切割上；而单向搅拌桩主动力55KW中只有一部分负责搅拌切割，所以双向搅拌桩的搅拌动力更强，能适合较硬土层等复杂工况。

2）搅拌均匀性

单向搅拌由于固定方向的旋转作用，土颗粒不容易被打散均匀，甚至易发生沿刀排旋转方向的位移活动，减弱了搅拌效果；双向搅拌是一种强制搅拌模式，不同方向的旋转切割作用更容易打散土颗粒，使搅拌更充分、更均匀。且双向搅拌刀排数量一般是单向搅拌的两倍，进一步增加了搅拌均匀性。

3）对地层的扰动

单向搅拌由于固定方向的旋转作用，所以始终对桩周土有一个固定方向的扭矩，使桩体周围在短时间内应力不平衡，不利于地基固结；双向搅拌很好的解决了这个问题，由于双向搅拌内外钻杆刀排对桩周土的扭矩大小相等，方向相反，正好抵消，所以桩体周围应力平衡，更利于桩体固结。

4）冒浆分析

搅拌桩在施工过程中，喷到桩体中的水泥浆液如果不能及时被土体吸收，就会造成局部压力升高，当这部分压力超过上覆应力时，那么就会造成冒浆现象。水泥浆液主要沿刀排旋转下沉的螺旋路径上冒，单向搅拌桩由于螺旋路径规则，一路畅通，浆液上冒阻力小；双向搅拌桩的内外钻杆刀排形成多重反向的螺旋路径，有无数个切割点，水泥浆液上冒无畅通路径，所以有着很好的压浆作用。特别是在处理较差淤泥土层的时候，双向和单向搅拌桩在冒浆上面的区别更明显。

4施工技术方法

鉴于传统单轴单向水泥搅拌桩机的施工现状，本工程通过综合选型，采用同心双轴双向搅拌带监控型水泥搅拌桩机进行水泥搅拌桩的施工。

4.1施工机具

选用LDM-S型深层搅拌机，主电机功率为90KW，钻进速度有五档：

一档为0.1～0.3m/min，转速正转15r/min，反转17r/min；

二档为0.3～0.7m/min，转速正转25r/min，反转29r/min；

三档为0.7～1.2m/min，转速正转44r/min，反转52r/min；

四档为1.2～1.7m/min，转速正转70r/min，反转82r/min；

五档为1.7～2.3m/min，转速正转108r/min，反转138r/min。

DM型双向动力箱体1台、3cm弯月形搅拌刀片若干片、GHB3型注浆泵1台、Ф105cm制浆桶1套、Ф105cm储浆桶1套、JDK-300型电磁流量计1台套、ZLF-26型深度传感器1台套、LD-MINI型监控系统1套、BJ-A型电脑自动记录仪1台。

4.2施工前准备工作

（1）桩基配置了可以控制桩身每米喷浆量的记录器，且记录器上的任何一个可操作的按钮和开关不得用于设定操作时间、深度、喷浆量、桩位编号、复搅次数等参数。

（2）桩基上的压力表、转速表、电流表、电子称都经过标定，达到合格。

（3）每台桩机钻架相互垂直两面上分别设置两个0.5Kg重的吊线锤，并画上垂直线。

（4）在每台桩机的钻架画上钻进刻度线，标写醒目的深度。

（5）钻头直径的磨损量≤1cm。

4.3施工工艺参数的确定

4.3.1钻进速度与提升速度

水泥搅拌桩为两喷四搅，根据以往水泥搅拌施工经验，钻机搅拌速度和提升搅拌速度如下：钻进搅拌速度0.8m/min，转速30r/min；提升搅拌速度1.2m/min，转速52r/min。

4.3.2水灰比选定

根据设计要求，水泥搅拌桩桩身水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为被加固湿土质量的20%，水泥浆液水灰比为1:0.45～1:0.6。为选择经济、可靠、施工配合比采用水灰比为0.5、0.55、0.6，具体配合比见下表：

水泥搅拌桩配合比

本项目采用水灰比为0.55。

4.3.3喷浆量

已知水比重为1，水泥比重为3.1，总重量&pide;总体积，为水泥浆液比重，即（1+水灰比）&pide;（1&pide;3.1+水灰比&pide;1），每米喷浆量=每米水泥用量×（1+水灰比）&pide;[（1+水灰比）&pide;（1&pide;3.1+水灰比&pide;1）]。

喷浆速度为30～50L/min。施工过程当中选取了40L/min。

3.3.4喷浆压力

水泥搅拌喷浆压力控制在0.45MPa。

4.4施工工艺

原地面处理→测量放样→钻机就位→钻杆垂直度检查与调整→搅拌钻进喷浆至设计深度→提升搅拌至桩顶面→复搅喷浆至设计深度→提升搅拌至设计标高→钻机移到下一桩位（施工采用“二喷四搅”工艺）

4.5施工步骤

（1）钻机就位

将钻机安质在测设的桩位上，使钻头对准桩位，桩位允许偏不大于50mm，然后调整桩机的平整度和垂直度，垂直度允许偏差不大于1%，以保证桩身垂直。

（2）制浆

根据施工前室内配方试验确定的水泥用量、最佳水灰比制浆，要求水要清洁、酸碱适中。

浆液配置顺序：先加入规定用量水，然后边搅拌边加水泥，并用比重计检浆液比重，最后放入二次搅拌桶内进行二次搅拌。

（3）浆液加压

采用高压泵将浆液经高压管送至喷嘴。

（4）钻进喷浆搅拌

钻机就位后，开启钻机边钻进、边喷浆、边搅拌，直至钻进水泥搅拌桩设计深度。

（5）提升钻头搅拌

钻进喷浆至设计深度后，钻机反转，提升钻头，自下而上提升搅拌，直至提升至桩顶。

（6）再次钻进喷浆搅拌

钻头提升至桩顶后，再次下钻，边下钻、边喷浆、边搅拌。直至钻进至水泥搅拌桩设计深度。

（7）再次提升搅拌

再次钻进至设计深度后，再次将钻机反转，提升钻头，自下而上提升搅拌。提升至地面以下1m时，减慢速度，当喷浆口至桩顶标高时，停止提升搅拌10～20s，以保证桩头密实均匀。

（8）清洗、移位

灌浆完成后，提升钻杆及钻头，向集料都中注入适量清水，进行低压射水，清洗管路中残存的水泥浆。清洗结束后，把钻机等设备移到新孔位上。

在成桩过程中，因故停浆继续施工时，必须重叠接桩，接桩长度不小于0.5m，若停机超过3h，在原位旁进行补桩处理。

4.6浆液制备

采用自动化制浆系统，自动化制浆系统采用高速搅拌机（600转/min）。该系统制浆效率高，浆液比重稳定；自动化程度高，节省人工且劳动强度低；计量精确，性能稳定；能够充分保证施工的连续性与稳定性。该制浆系统可以配备电子打印小票机，可以记录并上传每一次拌浆的水泥用量，水用量，拌浆时间，方便水泥用量的统计和控制。

4.7在线监控系统

为了进一步加强施工质量和规范施工过程，配备在线监控系统。在线监控系统通过搜集施工过程中的各类参数，如：钻进/提升速度、钻进电流值、喷浆压力、高压泵流速、倾角、累计浆量、桩深等，并将这些参数实时传输至网络，从而实现后台管理人员可以随时查看现场施工动态，确保施工规范进行。

4.7.1监控系统技术优势

①安装方便、操作简单

现场仪器安装方便，监测仪界面简洁，施工人员经过简单培训后，即可操作仪器。

②数据齐全、资料完整

系统监测的数据基本涵盖了影响水泥土搅拌桩施工质量的主要指标，且根据监测数据自动生成的资料报表完整详细，并可随时调取查阅。

③分析及时、评估全面

基于实时监测数据的评估与分析专家系统，可及时对施工过程与施工质量做出精确、全面的评价，不仅能够对单桩施工质量进行评估，且能够对整体施工质量、场地条件等做出综合评价。

④排除干扰、施工可信

整个系统全过程监测行为能够极大限度排除人为干扰，记录的真实参数自动录入表格，为施工提供了详细与可信的依据，后续工程能够顺利开展而不致于因为质量问题影响整体施工。

5施工效果

在施工过程当中，钻进时采用搅拌机二档，速度控制在0.8m/min，转速30r/min；钻机提升时采用三档，速度控制在1.2m/min，转速52r/min。

水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为被加固湿土质量的20%，每米水泥用量63.5Kg，水灰比0.55。配合比为水泥：水=1:0.55。浆液设计比重设计浆液比重为1.776g/cm3。

每米理论喷浆量=63.5×（1+0.55）&pide;[（1+0.55）&pide;（1&pide;3.1+0.55&pide;1）]=55.409L，实际喷浆量为55L/m～56L/m＞55.409L/m，符合设计要求，确定设计喷浆速度为20L/min。

水泥搅拌喷浆压力控制在0.45MPa。

成桩28d后，检测桩桩径方向2/5处、桩长范围内钻孔取芯，观察其完整性、均匀性，取上部、下部式样分别做桩身无侧限抗压强度，并进行强度代表值和强度标准值的计算，检测结论均符合要求。

结语

通过采用同心双轴双向搅拌带监控型水泥搅拌桩机进行施工，基于实时监测数据的评估与分析专家系统，可及时对施工过程与施工质量做出精确、全面的评价，不仅能够对单桩施工质量进行评估，且能够对整体施工质量、场地条件等做出综合评价。在确保施工质量可靠的同时也节约了施工成本。