可回收型钢劲芯水泥土搅拌墙TMW施工工法.docx

可回收型钢劲芯水泥土搅拌墙TMW施工工法工法完成单位：中启胶建集团有限公司 青岛海发置业有限公司主要完成人：姜焕胜、郭道盛、张德光、张振宇、王红亮2011年8月1前言水泥土搅拌桩因为抗侧向变形能力差，不能单独作为支护结构使用。型钢劲芯水泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩初凝前插入型钢，型钢与水泥土搅拌桩共同作用形成挡土止水的支护体系。型钢在基坑回填后回收利用，进一步降低了成本，符合可循环经济的政策。采用TMW法施工，克服了传统水泥土搅拌桩容易在桩间搭接处形成细腰的缺点，形成等厚度的水泥土搅拌墙，提高了挡墙的止水性能，同时平整的壁面使加强材料的配置不再受搅拌轴轴距的约束，可配置较大截面的加强材料，提高支护体系的应用深度。与钢筋混凝土灌注桩+水泥土搅拌桩支护体系相比，可节约成本30-35%，缩短工期40-50%，并能达到文明施工和环保要求。2009年以来，中启胶建集团有限公司、青岛海发置业有限公司在所施工的青岛兴旺花园工程、青岛市市南区火车站商圈安置房项目P4、5地块6-8#楼、网点及地下车库工程、青岛市李沧区新建虎山路22号工程等工程中对可回收型钢劲芯水泥土搅拌墙挡土止水体系和TMW工法施工技术进行应用和研究，编制了本工法。通过在多个工程中的应用，有效提高了挡土止水的效果，保证了基础和地下室施工的安全，缩短了工期，降低了造价，取得了良好的经济效益和社会效益。2工法特点2.1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。2.2水泥土墙与型钢共同作用，达到既能挡土又能止水的效果。2.3省略了钢筋混凝土灌注桩，可以大幅度节约成本、缩短工期，且支护施工占用空间大大减少。2.4型钢可回收利用，大大减少的支护成本，符合可循环经济的政策要求。2.5采用TMW工法施工，克服了传统水泥土搅拌桩容易在桩间搭接处形成细腰的缺点，形成等厚度的水泥土搅拌墙，提高了挡墙的止水性能。同时平整的壁面使加强材料的配置不再受搅拌轴轴距的约束，可配置较大截面的加强材料，提高支护体系的应用深度。2.6基本不产生泥浆和废弃土，施工噪音小，减小环境污染和噪声污染。2.7减少基坑内降水量，有利于保护地下水资源。3适用范围本工法适用于周围属密集居民区的地区、文明施工要求高、地下水位较高、渗透系数较大的软土深基坑支护工程，一般与内支撑或锚拉体系配合使用，最大深度可达65m。4工艺原理型钢主要承受基坑的侧向压力，水泥土墙主要起止水帷幕的作用，二者共同构成挡土止水的支护体系，计算抗侧向承载力时主要考虑型钢的承载力，水泥土墙的协同作用作为承载力储备考虑。型钢在基础回填后回收利用。采用TMW法施工，TMW机型（Toautsu soil Mixing Wall）增加了两对侧面铣刀，切除钻头掘削的残余部分，可形成等厚度的水泥土连续墙，提高了挡墙的止水性能，同时平整的壁面使加强材料的配置不受搅拌轴轴距的约束，可配置较大截面的加强材料，提高支护结构的承载能力。图4 TMW工法型钢水泥土搅拌墙结构示意图5施工工艺流程及操作要点本工法的关键技术是水泥土搅拌墙均匀性控制技术、TMW机侧面切削技术、型钢位置和垂直度控制技术和型钢回收技术。5.1工艺流程施工准备桩机就位水泥土搅拌墙施工插入型钢进入下一循环型钢回收5.2施工操作要点5.2.1施工准备施工准备主要包括支护体系设计、施工方案编制、培训和交底、场地平整、放线测量、试桩、材料与设备准备等。1支护体系设计根据基坑深度、工程地质情况、地下水位及渗透系数，通过计算确定支护体系及各种材料参数，如桩径、桩间距、水泥土置换率、型钢规格等，并绘制支护体系施工图，按照有关规定组织审查和专家评审。2施工方案编制根据支护体系的设计方案编制施工技术方案，并按规定进行审批。对管理人员和施工班组进行培训和交底，使管理人员和操作人员及时掌握技术重点，如钻孔的深度、喷浆量、提钻速度、型钢插入时间、型钢垂直度控制、型钢回收等各项技术要点。平整场地并压实，以利桩机安放及移动。根据支护体系设计图纸放线测量，建立场地内坐标系，计算出每一根桩的坐标，用全站仪或经纬仪加钢尺定出桩中心点，用木桩或钢筋头标出。并将原始坐标点引至场地以外，以便随时复核。4试桩、确定施工参数水泥土搅拌桩的施工工艺根据支护设计要求的配合比和实测的各项施工参数通过试桩来确定。试桩10根，通过试桩来确定钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷浆量等。5.2.2桩机就位1 先测放水泥土搅拌桩位置，探明地下管线具体布置情况，并做好记录与标志。2 导沟开挖：为保证搅拌土墙体垂直度，同时避免土层中注入大量水泥浆液使土体隆起，沿轴线开挖宽1.5m、深1.5m的导沟。3 安装导轨：在导沟两侧每隔46m埋设2.5m长的10号槽钢作为导向桩，然后铺设导向定位型钢，按设计要求在导向定位型钢上划出搅拌桩钻孔位置和插型钢的位置。4 深层搅拌机械及配套系统进场、拼装、吊装 试运转。5 深层搅拌桩机行驶至指定桩位，对中，定位偏差不得大于3cm，利用经纬仪双向控制导向架垂直度，垂直度偏差不得大于0.5。5.2.3水泥土搅拌墙施工传统的SMW工法桩墙在两圆相交处形成细腰，使墙面波状不平，同时降低了连续墙的防水抗渗能力。本工法采用TMW型三轴深层搅拌机进行水泥土搅拌桩墙施工。TMW机型（Toautsu soil Mixing Wall）在钻头上部连接有侧向搅拌器，其侧向搅拌叶在两钻杆轴线的中间两侧（与成墙面平行），切除钻头掘削的残余部分，形成等厚度混凝土连续墙，成墙厚度450-900mm。平整的壁面使型钢位置不再受到搅拌轴轴距的约束，并且可配置较大截面的型钢，提高墙体整体承载力，同时减少了墙体抗渗的薄弱环节，提高防水抗渗性能。1 预搅下沉TMW深层搅拌机运转正常后，启动搅拌机电机，使搅拌机沿导向架切土搅拌下钻，为保证侧向搅拌叶充分切土，下钻速度控制在0.6-0.8m/min左右，可由电机的电流监测表控制。工作电流不应大于10A。如遇硬粘土等下钻速度太慢，可通过输浆系统适当补给清水以利钻进。2 制备水泥浆深层搅拌桩预搅下钻时，开始拌制水泥浆，水泥浆配比根据设计和试桩参数确定，为了防止水泥浆在插入型钢前初凝，可在水泥浆中掺入适量缓凝剂。拌好的水泥浆应在2h内用完。3 提升喷浆搅拌深层搅拌机下钻至设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆压入地基土中，此后边喷浆、边旋转，边提升深层搅拌机，直至设计桩顶标高。此时应注意喷浆速率与提升速度相协调，以确保水泥浆沿桩长均匀分布，TMW机型提升速度与普通搅拌机相比应适当降低，一般应控制在0.4-0.5m/min，以保证侧面喷浆充分，搅拌均匀。施工中严格控制浆液水灰比，一般为1.3-1.5。出口压力保持在1.5-2.5Mpa，以保证水泥浆自动连续喷入土层。4 沉钻复搅再次沉钻进行复搅，复搅下钻速度可控制在0.5-0.8m/min。复喷到设计深度后，再次边喷浆边旋转提升至设计桩顶标高。第二次喷浆量不宜过少，可控制在总喷浆量的20-30。5 第三次搅拌第三次钻进进行复搅，复搅下沉速度控制在0.5-0.8 m/min内。边旋转，边提升，重复搅拌至桩顶标高。至此，完成一根桩的施工。5.2.4插入型钢1 型钢制作考虑到型钢拔除时，顶部吊孔处应力较为集中，故对进场后的工字钢顶部一律加焊两块加强腹板。使用焊接组合H型钢时，应精心设计焊接工艺，保证焊缝质量，减小残余变形。型钢对接采用内菱形接桩法。为保证型钢表面平整光滑，其表面平整度控制在1以内，并应在菱形四角留10小孔。2 除锈型钢在减摩剂涂刷前必须将其表面的铁锈、灰尘及其它垃圾清除，并保证型钢表面完全干燥。3 涂刷减摩剂减摩剂必须完全加热融化后，将减摩剂涂料搅拌均匀，再刷在型钢的表面，刷涂减摩涂料的厚度控制在1-2mm。4 安装定位导向架搅拌桩结束后，根据测量放线的桩位，将定位导向架就位，校正平面位置和水平后，将架体的四脚固定。5 插入型钢吊起型钢，利用型钢定位导向架确定型钢的水平位置，利用经纬仪双向控制型钢的垂直度(垂直度误差小于0.5)。在3个方向用3根缆风绳控制型钢的定位方向。如由于场地的限制，达不到受力角度的要求，可增加缆风绳数量、减小角度来控制调整型钢的方向，使型钢顺利进入导向架内。型钢应在水泥土搅拌桩初凝前插入（一般在搅拌桩施工完成后30min内进行）。利用型钢的自重插入水泥土搅拌桩墙中，如插入困难，可在型钢顶部用振动锤振动使型钢下沉。型钢下沉全过程用经纬仪测量型钢位置和垂直度。6 用水准仪测量型钢插入深度，达到设计深度后，用18弯成钩状，一端钩在型钢的吊点孔中，另一端电焊或挂在横在沟槽的龙门架上，确保型钢顶标高误差小于30mm。为防止施工下一根搅拌桩时型钢发生位移，沿纵向在型钢两侧焊接角钢或钢管，使相邻型钢连为一体。水泥土强度达到设计强度的50%后方可拆除支架。5.2.5进入下一循环1 移位开行深层搅拌桩桩机至新的桩位，及时清洗搅拌桩机管道，重复上述5.2.3步骤，进行下一根桩的施工。2 搅拌桩搭接及施工顺序搅拌桩必须顺序搭接，以确保搅拌桩的止水帷幕的作用。施工应顺序连续进行，相邻桩施工间隔时间不得超过8h，如超过应按冷接缝对待处理。3 施工冷缝处理。施工相邻桩间隔超过8h，或因故停歇超过24h，应按冷缝处理执行。在后施工桩中增加水泥掺量(可增加20-30)及注浆等措施。前后排桩施工应错位成踏步式搭接形式，有利墙体稳定及止水效果。在冷缝处搅拌桩的外侧补素搅拌桩，素搅拌桩与围护桩搭接厚度约为10cm。以防止未来基坑开挖时出现大量渗水现象。施工冷缝处理见下图5.2.5-1。图5.2.5-1 施工冷缝处理图6.2.6 型钢回收1 型钢拔除验算型钢拔除时，当拔除力作用于型钢端部时，首先是型钢和水泥土之间的粘结发生破坏，这种破坏由端部逐渐向下部扩展，接触面间微量滑移，减摩材料剪切破坏，拔出阻力变为静摩擦阻力为主。在拔出力达到最大静摩擦阻力之前，拔出位移很小；拔出力大于最大静摩擦阻力之后，型钢拔出位移加快拔出力迅速下降。此后摩擦阻力由静摩擦阻力转化为滑动摩擦阻力和滚动摩擦阻力，水泥土接触面破碎，产生小颗粒，充填于破裂面中，这有利于减少摩擦阻力；当拔出力达到一定程度，摩擦阻力就转化为滚动摩擦为主。型钢的起拔力主要由静摩擦阻力、变形阻力及型钢自重三部分组成，即：经试验研究表明，型钢自重相对起拔力很小，可以忽略不计。而当墙体最大水平变位与型钢在水泥土搅拌桩中的总长度的比值小于0.5%时，最大变形阻力与最大静摩擦阻力近似相等，即则： 式中：型钢与水泥土之间的单位面积静摩擦力（根据研究，减摩剂涂层平均为）型钢与水泥土之间的接触面积型钢横截面的周长型钢插入水泥土中的长度为保证型钢在拔出后能重复利用，要求在起拔时型钢内力处于弹性状态，取其屈服极限的70%作为允许应力，则型钢的允许拉力满足：式中：型钢横截面面积起拔力还必须满足若不能满足上式，可以通过增加型钢钢板厚度或提高型钢的强度，这样同时也提高了墙体的刚度，对提高墙体围护的稳定是有利的。6材料与设备6.1材料要求6.2机具设备主要机具设备有：TMW型三轴式深层搅拌桩机: 在钻头上部连接有侧向搅拌器，可形成等厚度水泥土连续墙。一次成墙长度1.5m3m，最大搅拌深度达65m，水泥土强度1.0MPa3.0Mpa，钻孔垂直精度1/200，钻机功率主要有90kW、120kW、150kW、180kW等。履带式起重机：50t；履带式起重机：25t；空气压缩机：6m3；挖掘机：0.6m3；液压千斤顶：承载能力100T；配套的注浆设备。7质量控制7.1质量标准7.1.17.1.2建筑基坑支护技术规程JGJ120-997.2质量检验内容及检验标准7.2.1建筑基坑支护技术规程JGJ120-99的有关规定7.3质量控制要点7.3.1保证水泥土体强度均匀措施7.3.2保证桩体垂直的措施7.3.3保证型钢位置和垂直度的措施7.3.4保证型钢顺利拔出的措施8安全措施。8.2机械设备应严格按操作规程操作，操作工应持证上岗。8.6当深层搅拌机负荷太大及电机工作电流超过预定值时，应减慢升降速度或补给清水，一旦发生卡钻或停钻现象，应切断电源，将搅拌机强制提起之后，才能启动电机。8.7相邻搅拌桩施工时应在前一桩水泥体固化前进行，间隔时间不超过8小时。防止前桩固化后损坏钻机。8.8搅拌桩强度达到设计强度后方可开挖，开挖时要加强观测，防止基坑变形、塌方。如发生超过规定的位移、变形应立即停止开挖，采取加固措施。8.9基坑回填密实后方可拔出型钢，用液压千斤顶将型钢松动，再用起重机拔出型钢，应缓慢加力，防止型钢突然跳出。正式起拔前应进行试拔，以确定机械型号和加力速度。9环保措施9.1施工现场采用彩钢板围挡，各种材料按照施工平面布置图排放整齐，施工现场根据要求硬化和绿化，搅拌机行走路线进行硬化。9.2水泥应放置在水泥库中，现场制备水泥浆应进行围挡，防止水泥飞散。9.3深层搅拌机采用低噪音设备，施工现场应防护严密，防止扬尘污染和噪音污染。9.4现场设置污泥（水）排放系统，施工污水排放到沉淀池中，不得随意流淌，防止污水流入场外。9.5型钢加工不得采用切割机直接切割，防止噪音污染；焊接现场要采取遮挡措施，防止光污染。9.6现场设洗车装置，车辆出场前要对车轮进行冲洗，防止工地污泥带入市政道路。9.7深层搅拌机、履带起重机进出场要采用专用托盘车运输，不得破坏市政道路。10效益分析10.1经济效益10.1.1费用比较：以10m长、10m深基坑边坡为例，与钢筋混凝土灌注桩+水泥搅拌桩支护体系相比较。1 可回收型钢劲芯水泥土搅拌桩费用：水泥土搅拌桩直径800mm，中心距650mm，共15根；型钢60035012，中心距650mm，共15根。水泥土搅拌桩：65.721015=9858元型钢（按周转5次考虑，只计周转费用和安装、拆除费用）：1216.80.90015+50015=23926.8元。费用小计：33784.8元。2 钢筋混凝土灌注桩+水泥搅拌桩费用：灌注桩桩径50cm，间距0.7m，嵌固深度1m，粉喷桩直径50cm，间距0.7m。灌注桩费用：(275.7910+507.791)14=45721.2水泥搅拌桩费用：32.861410=4600.4合计：50321.6元3 由以上比较结果可知，采用可回收型钢劲芯水泥土搅拌桩支护体系的费用仅为钢筋混凝土灌注桩+粉喷桩支护体系费用的67.14%，节约费用32.9%。4 采用TMW工法施工，虽然费用会略有上升，但克服了传统水泥土搅拌桩容易在桩间搭接处形成细腰的缺点，形成等厚度的水泥土搅拌墙，挡墙的止水效果会显著提高，同时平整的壁面使加强材料的配置不再受搅拌轴轴距的约束，可配置较大截面的加强材料，提高支护体系的抗侧向承载能力。5 桩墙止水效果提高，减少了基坑内降水的费用。10.1.2工期节约减少了钢筋混凝土灌注桩的施工工序，节约工期50%以上，可提前交工投产，为业主带来经济效益。10.2社会效益10.2.1 本工法不产生噪音，不产生粉尘污染和污水（泥）污染，有利于保护环境。10.2.2挡土止水效果好，采用TMW工法施工，克服了传统水泥土搅拌桩容易在桩间搭接处形成细腰的缺点，形成等厚度的水泥土搅拌墙，挡墙的止水效果会显著提高，减少基坑内降水量，有利于保护地下水资源。10.2.3节约水泥、砂、石等材料用量,减少资源消耗,对于建设节约型社会具有重要意义。10.2.4型钢可回收利用，减少资源消耗，符合国家可循环经济的政策。10.2.5减少钢材、水泥等工业材料用量，间接地降低了能源消耗和工业污染。10.2.6本工法机械化程度高，降低工人的劳动强度。11工程实例11.1青岛兴旺花园工程，位于青岛市四方区308国道24号，工程地下一层、地上24层，建筑面积为：39910。结构类型为：框架剪力墙结构。开工日期2009年1月3日，竣工日期2011年6月1日。该工程地下室建筑面积11439m2，基坑开挖深度7.5m，基坑周长676.1m，开挖范围内主要是素填土、粉土、粉质粘土，基坑支护采用型钢劲芯水泥土搅拌桩，总计支护面积5070.75m2，水泥土搅拌桩直径85cm，桩中心间距70cm，水泥土置换率21%；型钢采用H型钢70035012。共应用了1040根水泥土搅拌桩，1040根型钢。采用TMW工法施工，型钢在基坑回填后拔出回收。支护工程工期20天，比钢筋混凝土灌注桩+水泥搅拌桩支护体系缩短21天，节约支护和降水费用约83.95万元，支护工程完成后开挖过程中直到回填结束，变形和位移均在规范允许范围内，止水效果良好，基坑内仅用了10台水泵间歇式抽排坑内积水（主要是雨水），保证了施工作业条件和基坑安全。11.2青岛市市南区火车站商圈安置房项目P4、5地块6-8#楼、网点及地下车库工程，工程地点位于费县路以南、观城路以东、单县路以北、广州路以西围合区域。工程地下2层、地上32层，建筑面积为：56255。结构类型为：框架剪力墙结构。开工日期2010年2月3日，竣工日期2011年6月5日。该工程地下室建筑面积13347m2，基坑开挖深度10.5m，基坑周长484.9m，开挖范围内主要是素填土、粉土、粉质粘土、粘土，基坑支护采用型钢劲芯水泥土搅拌桩，总计支护面积5091.45m2，水泥土搅拌桩直径85cm，桩中心间距70cm，水泥土置换率20%；型钢采用H型钢70035012。共应用了746根水泥土搅拌桩，746根型钢。采用TMW工法施工，型钢在基坑回填后拔出回收。支护工程工期30天，比钢筋混凝土灌注桩+水泥搅拌桩支护体系缩短20天，节约支护和降水费用约84.29万元，支护工程完成后开挖过程中直到回填结束，变形和位移均在规范允许范围内，止水效果良好，基坑内仅用了8台水泵间歇式抽排坑内积水（主要是雨水），保证了施工作业条件和基坑安全。11.3青岛市新建虎山路22号工程，工程地点为青岛市李沧区虎山路22号。工程地下2层、地上18层，建筑面积为：62780。结构类型为：框架剪力墙结构。开工日期2010年10月1日，竣工日期2011年12月31日。该工程地下室建筑面积13897m2，基坑开挖深度8.5m，基坑周长559.1m，开挖范围内主要是素填土、粉质粘土、粘土，基坑支护采用型钢劲芯水泥土搅拌桩，总计支护面积4752.35m2，水泥土搅拌桩直径85cm，桩中心间距70cm，水泥土置换率20%；型钢采用H型钢70035012。共应用了860根水泥土搅拌桩，860根型钢。采用TMW工法施工，型钢在基坑回填后拔出回收。支护工程工期25天，比钢筋混凝土灌注桩+水泥搅拌桩支护体系缩短18天，节约支护和降水费用约78.68万元，支护工程完成后开挖过程中直到回填结束，变形和位移均在规范允许范围内，止水效果良好，基坑内仅用了10台水泵间歇式抽排坑内积水（主要是雨水），保证了施工作业条件和基坑安全。