海上深层水泥搅拌桩 (DCM)施工技术总结及应用

梁 权

广西新港湾工程有限公司 广西 防城港市 538001

摘 要：基于香港机场第三跑道扩建工程采用深层水泥搅拌法Deep Cement Mixing（简称“DCM”）施工工艺进行海底软土地基加固，依托大型海上水泥搅拌桩（DCM）施工船舶——“砂桩2号”的现场施工，通过掌握施工各个关键工序的操作及经验总结，得出水泥搅拌桩施工技术要点及成桩质量规律。针对DCM施工船“砂桩2号”在不同深度的土层中采用的不同施工技术参数进行施工，总结出能提高DCM施工效率及DCM桩体成桩质量的技术经验，为以后DCM工程的施工、参数设计提供工程借鉴和技术参考。

关键词：DCM；深层搅拌；施工控制；曲线；取芯

1 引言

深层水泥搅拌法Deep Cement Mixing（简称“DCM”）是一种以水泥作为胶凝材料，与软弱地基土在原位上进行拌和，利用水泥水化固结形成坚硬稳定土的一种施工方法。DCM加固施工工艺相对其他施工工艺具有污染小、短时间内地基强度提升快、施工材料品种单一、地基抗震出色、加固地基强度随着时间的推移提高等优势。其适用范围涵盖陆地和水工建/构筑物，包括护岸地基、建筑物地基、路堤地基、挡土结构地基等加固、以及砂土液化处治等方面。

基于DCM工法的一系列优点，1975年至2010年期间日本使用深层搅拌法加固的土体总体积达到七千多万立方米。在20世纪90年代，深层搅拌法也在美洲、东南亚和欧洲得到应用推广。中国香港从2016年开始在香港机场第三跑道扩建工程中首次采用深层水泥搅拌法进行地基加固。随着 “砂桩2号”施工船在本项目DCM施工中取得的重大成功，DCM施工技术也得到进一步推广。

2 施工前准备

(1)水泥掺量的确定

施工前，根据现场地质情况及桩身设计强度进行试验以确定水泥掺量。DCM施工一般适用于能正常固结的淤泥和淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基，对于泥炭土、有机质土、塑性指数大于25的稀土、地下水有腐蚀性的地区，必须通过现场试验确定其适用性。

一般情况下，上部土质较软的地层需水泥掺量大一点，下部作为搅拌桩的嵌入层，水泥掺量可相对少一些。本项目针对工程地基土质开展室内配合比研究试验，试验中分别采取不同的水泥掺量220kg/m³、250kg/m³、270kg/m³、290kg/m³，并采用不同的养护时长：28天、56天、90天进行试验。通过试验得出的结果，确定实际施工的水泥掺量。以设计要求的“28天内取芯无侧限抗压强度值不低于1.2Mpa”为例，桩身上部的土质水泥掺量为250kg/m³左右，桩身嵌入层的水泥掺量为240kg/m³左右就基本能满足强度要求。

(2)施工过程曲线确定

由于施工船在施工成桩过程中分为多个阶段进行，每个阶段的施工土质及设计要求不同，因此施工过程中的施工参数也不相同。施工参数包括处理机贯入速度、喷水/浆量、叶片转动速度等。因此将每个阶段钻头位置标高与时间关系绘制成施工曲线，标好曲线参数，为每个施工阶段提供数据依据。经现场反复进行试桩及取芯检验结果对比，最终确定出最优施工曲线用于施工（见图1）。

阶段6

阶段8

阶段11

阶段10

阶段9

阶段7

阶段5

阶段4

阶段3

阶段2

阶段1

搭接

原海床面

砂垫层顶面

上喷浆口喷浆

1m

4m

3m

桩底

嵌入层顶面

2m

3m

水面

图1 施工过程曲线

(3)原海床面处理

DCM施工前，海床原泥面需铺设一层大于2m厚的砂垫层。砂垫层主要作用：一是覆盖住原泥面表层的淤泥，防止进行搅拌施工时因扰动淤泥使水体浑浊及淤泥中的污染物扩散到水中；二是当提升搅拌至桩顶时，即海水与原泥面交界处，由于海水的稀释作用，导致搅拌桩的桩顶强度较低，桩顶加固效果较差。铺设2m厚度的砂垫层后，砂垫层起到压载及隔离海水的作用，能大范围减少桩顶强度差的现象；三是施工成桩完成最后将绞刀叶片停在砂垫层中转动，利用砂垫层摩擦力大的特点，使绞刀叶片中的泥块部分脱落在砂垫层中，起到清洗绞刀叶片的作用。

(4)DCM施工船舶

本工程采用中交一航局与韩国三宝共同研发的海上大型专业化深层搅拌桩施工船舶——砂桩2号（简称“DCM船”），该船舶具有施工自动化程度高、抗风浪能力强、施工成桩质量好、环保设施齐全等优点，船舶具体设备参数如下：①每艘DCM船配备3台套DCM处理机（见图2）；②每台DCM处理机由四根钻杆组成，单根钻杆的单轴成桩直径为1.3m，相邻单桩的搭接宽度为0.3m；③根据本项目区域土性参数，研究确定搅拌叶片采用十字形搅拌翼（叶片式），叶片偏角为15度（见图5）。

3台处理机

图2 DCM施工船舶

3 DCM施工原理及各阶段控制要点

(1)施工原理

DCM施工实质为水泥浆与海底软弱地基土均匀搅拌，水泥和软土间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性及有一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。在实际施工中，DCM成桩质量受施工多方面因素影响，但确保DCM成桩质量的主要控制参数为：水泥浆的有效喷浆量、搅拌绞刀切土次数BRN。搅拌绞刀切土次数BRN在一定程度上放映土体的搅拌均匀程度，因此施工曲线设计及施工操作过程要点控制都主要围绕以上两个参数进行优化及控制。

水泥浆有效喷浆量主要靠泥浆泵流量记数进行控制，施工前对流量泵流量进行校核合格后使用。而搅拌绞刀切土次数BRN与处理机的转速及处理机的贯入（或提升）速度有关，需进行计算及优化。

①理论喷浆量可按以下公式进行设计：

Q=[S*L*m*(1+W/C)/ρ]/(L/V)

式中,

Q--喷浆流速（L/min）；

S--DCM桩簇横截面积，单位为m²；

L—某时间段内处理机贯入或提升长度，单位为m；

m--设计水泥掺量，单位为kg/m³；

W/C—设计水泥浆水灰比；

ρ--设计配合比下的水泥浆密度，单位为g/cm³；

V--处理机贯入或提升的速度，单位为m/min。

②土体被切削次数BRN可按以下公式进行设计：

式中，

∑M--处理机搅拌叶片数量（片）；

Nu--处理机施工时的转速（r/m）；

Vu--处理机贯入时的速度（m/min）；

Nd--处理机提升时的转速（r/m）；

Vd--处理机提升时的速度（m/min）。

根据项目设计文件要求，待处理桩体中每1m的土体搅拌次数不得低于900次（喷浆后）。重型DCM船配备四轴搅拌机，绞刀叶片结构为3层6片式，其最大转速可达60r/min，提升速度在0.1～2.5m/min。

(2)各阶段（见图1）施工要点

阶段1：处理机钻头自船舶甲板面至原海床面的过程。该阶段不需要绞刀叶片转动，也不需要喷头喷水。

阶段2：处理机钻头自原海床面至嵌入层顶面以上2m。该阶段进入海床泥面，因此需要绞刀叶片进行转动，但由于前3m土质较软，为防止淤泥含水量过大，前3m范围不宜喷水。

阶段3：处理机钻头自嵌入层顶面上方2m处至嵌入层顶部。由于施工前已经进行地质勘探，设计时将预估出嵌入层顶标高值，而在实际施工中需进一步判断钻头是否真正进入嵌入层。因此在该阶段，处理机操作手需观察钻头贯入难易程度及处理机负荷电流来判断，一般情况以处理机电流大于500安且持续15s以上为判断依据，达到判断依据值后，电脑操作界面将弹出确认嵌入层顶的对话框，若此时确认为嵌入层顶时，系统则以确认的标高作为嵌入层的顶标高，同时以该位置标高为参照，继续下贯一定长度作为桩底嵌入段。因此DCM桩每根桩桩底标高不一定相同。

阶段4：嵌入层顶部至桩底。该嵌入段在香港机场第三跑道扩建工程中设计长度为4m。该阶段地质硬，处理机钻入难度大，经常出现电流过大而暂停的现象。因此该段第一次钻入时大部分需采用手动模式操作，采取减小贯入度、适当加大喷水量、调整钻机适合的转数等措施来确保处理机能钻至桩底。

阶段5：该阶段作为阶段4的延续，处理机在3m范围一上一下，绞刀叶片快速转动，其主要作用是将嵌入层范围内的硬质土块充分打散打碎，为后期喷入水泥浆搅拌均匀做好准备。施工初期试桩，无此阶段时，成桩后取芯往往发现芯块局部夹有不含水泥的泥块（见图3），夹杂的泥块偏软，无侧限抗压强度值低，直接影响整个桩体的承载力。在优化曲线增加该阶段后，嵌入层的土体与水泥能均匀结合（见图4），搅拌桩取芯样强度值大大提高。

夹泥处

图3 曲线优化前取芯外观图

图4 曲线优化后取芯外观图

阶段6：该阶段为桩底上提4m阶段。该阶段作用一方面是继续打散切碎桩身嵌入段的泥块，使该段土体更加均匀，另一方面是为钻头“下喷浆口”进行下贯喷浆做好准备。由于施工前期均进行喷水，处理机管道内储满海水，需在喷浆前将水排空，因此本阶段需将水泥浆泵入管道中将管道内的水顶推代换。该阶段需计算好水转浆的时间并预留好富余量，确保进入下贯喷浆阶段时“下喷浆口”喷出来的是水泥浆。

阶段7：此阶段为下贯喷浆阶段。处理机边匀速下贯，“下喷浆口”边喷浆，同时绞刀叶片进行转动搅拌切土，喷浆量、下贯速度、转动搅拌转数根据设计的水泥掺量进行综合计算。为减少水泥浆浪费及水泥浆凝固堵塞管道，在下贯喷浆即将到达设计底标高时，泥浆泵切换为泵水将管道内的水泥浆全部赶出喷至桩底。

阶段8：桩底处理阶段。在阶段7边下贯边旋转切土，但钻头至桩底标高后就停止下贯，因此桩的底部绞刀通过范围少，切土次数达不到要求。该阶段增加处理机绞刀叶片原地旋转切土，用于补偿下贯喷浆时桩底范围的切土次数，达到充分搅拌的效果。

阶段9：提升喷浆准备阶段。后阶段施工DCM桩的上半部分，该部分将由采用“下喷浆口”喷浆转换为采用“上喷浆口”（见图5）喷浆，因此本阶段通过增加往返路径,提前将上喷浆管道内水排空，原理同阶段6，通过水泥浆置换将管内水并将水排到已成桩段外,避免影响桩体质量。

图5 处理机搅拌设施示意图

阶段10：提升喷浆阶段。DCM桩的下半截在嵌入层，通过阶段6采用下贯喷浆方式来完成，而上半截的软土层采用“上喷浆口”喷浆并提升搅拌来完成。由于上半截在制桩时的前几个阶段已经进行过下贯搅拌处理，再经过此阶段采用“上喷浆口”先喷浆后搅拌的方式，能使土体搅拌的更加均匀。该阶段施工时边喷浆边提升同时进行搅拌最终成桩。在到达桩顶前再次通过浆水转换,将上喷浆管道内水泥浆顶出用于制桩。在桩顶完成喷浆施工后，为避免海水与泥面交界处较软泥的扰动，处理机转速应该降低至5rpm左右低速旋转。

阶段11：喷浆完成后绞刀通过砂垫层离开后，钻头停转停喷,快速提出水面回归甲板零位，随后可以进行绞刀清理及管道冲洗，完成后移船定位准备下一簇桩的施工。

4 结束语

以上为在DCM实际施工中各个阶段操作要点和制桩经验，在后续的DCM施工中，可根据本文借鉴参考，合理设计水泥配合比、制定施工参数最佳匹配值、设计施工过程最优曲线、并在保证成桩质量的前提下适当缩短制桩时间等，从而提高施工效率和降低施工成本，具有较好的经济效益。但是本文施工参数及技术在DCM理论工艺研究和实际施工应用仍属于较低水平，未来领域还有大量的提升进步空间。

参考文献

[1]《香港深层水泥搅拌桩UCS测试指导手册》香港工程学会岩土事业部,2017.

[2]《香港机场第三跑道扩建项目3204标段技术要求》机管理局,2016.

[3] 贺迎喜、李汉渤、张克浩等.水泥加固海相淤泥室内配比试验与现场工艺试桩[J].水运工程,2018,(7)36-40.