南水北调汉江兴隆水利枢纽工程在粉细砂软基上首次大规模采用高置换率水泥搅拌桩、格栅式布置，以此提高地基承载力和形成悬挂式防渗墙。由于搅拌桩施工比较隐蔽，如何确保施工质量，是过程监理质量控制的重要课题。
关键词：水泥深层搅拌桩；监理；质量控制
1 工程概况
1.1工程简况
南水北调兴隆水利枢纽工程由泄水闸、电站厂房、鱼道、船闸、两岸滩地过流段及交通桥组成。正常蓄水位36.2m，水库总库容4.85亿m3，灌溉面积327.6万亩，规划航道等级Ⅲ级，电站装机容量40MW。兴隆水利枢纽主要建筑物地基处理以水泥搅拌桩为主，其它还布置有塑性混凝土防渗墙、钻孔灌注桩等。设计采用高置换率的格栅形式布置搅拌桩复合地基进行处理。
泄水闸水泥搅拌桩工程量44.2万m，桩径600mm，桩长12～15m，置换率20%；电站6.8万m，桩径800mm，桩长5～7m，机组段置换率为58%，安装场68%；船闸8.2万m，桩径800mm，桩长10～12m，上闸首置换率50%，下闸首40%，闸室30%。总计59.2万延米。
1.2地质条件
坝址区广泛分布第四系冲积层，由全新统和上更新统冲积粉细砂、砂卵石和粉质壤土（粉质粘土）、淤泥质粉质壤土等组成，总体厚度约60m左右。全新统上段粉细砂承载力特征值110～120kPa，作为天然地基不满足建筑物基底应力要求，承载力偏低、沉降变形大，须对地基采取加固措施。上更新统砂砾（卵）石层强度较高，但埋深大，不宜直接作为建筑物持力层。含泥粉细砂、粉细砂具中等透水性、砂砾（卵）石层具强透水性，存在渗漏与渗透稳定问题。
2 搅拌桩施工
2.1先导孔施工及布置
为确定和复核搅拌桩设计桩底下限深度和地层特性，沿坝基轴线每间隔50m布设一个先导孔，局部地质条件变化较大的地段，适当加密先导孔。泄水闸标共布孔35个，电站标14个，船闸标27个。对先导孔钻取芯样进行分析与地质编录，以此绘制地质结构图。
2.2设备选型
搅拌施工设备由搅拌机、灰浆拌制机，集料斗，灰浆泵及输浆管路五个部分组成。兴隆搅拌桩施工，先后投入了单轴（单轴喷浆，型号SP-5、ZGZ-A、SPM-5 I 18）、多轴（多轴喷浆，型号SPM-5Ⅲ、SJB-Ⅲ、JSZ120-33、SPM-5Ⅲ18、上海JB160）等不同型号施工设备，工艺满足设计要求。
2.3施工技术
2.3.1搅拌桩成桩原理
水泥搅拌桩是以水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械搅拌，在地基深处将土体与水泥浆强制均匀搅拌，使喷入的固化剂与土体充分拌合在一起，由固化剂和土之间所产生的一系列物理、化学作用，形成抗压强度比天然土强度高得多，并具有整体性、水稳性的水泥加固桩柱体，建筑物基础由若干根这类柱体和桩间土构成复合地基，共同承担上部荷载。
2.3.2工艺流程（见图1～3）
根据兴隆工程地质条件的特殊性与工艺试验的成果，搅拌桩采用四搅四喷成桩的工艺进行施工。
2.3.3搅拌桩施工
（1）浆液配置。按试验确定的配比拌制浆液。拌制好的水泥浆液不得发生离析，存放时间不应过长，水泥浆随配随用。
（2）第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻，喷浆量应小于总量的1/2，严禁带水下钻。第一次下钻和提钻时一律采用低档操作，复搅时可提高一个档位。每根桩的正常成桩时间与喷浆压力按生产性试验结果确定。
（3）为保证搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量，第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30s，进行磨桩端。余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部位进行磨桩头，停留时间为30s。
（4）施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。每根桩开钻后要连续作业，不得中断喷浆。为防止断桩，将搅拌桩机下沉至停浆位置以下0.5m（如采用下沉搅拌送浆工艺时则应提升0.5m），待恢复供浆时再喷浆施工。
（5）当喷浆口被提升至桩顶设计标高时，停止提升，搅拌数秒，以保证桩头均匀密实。停浆面应高出桩顶设计标高0.5m，开挖时再将超出桩顶标高部分凿除。
3 监理质量控制
3.1质量控制指标
搅拌桩桩体厚度不应小于设计规定值，且必须满足下列要求（设计指标）：
（1）单轴抗压强度：R28≥2.5MPa；
（2）渗透系数：k≤i×10-6cm/s；
（3）渗透破坏比降：[J]≥50。
3.2旁站监理
旁站监理主要监控搅拌桩施工是否按照既定的技术参数进行施工。主要监控内容为：桩位、桩号是否准确、防止漏桩；桩的深度、垂直度及钻杆的转速是否符合要求；水泥掺量（浆液浓度）是否满足配比要求等。
3.3过程质量控制
3.3.1原材料与室内试验
搅拌桩在施工前须进行室内配合比试验。根据确定的现场原状土密度，按不同浆液比级，不同水泥掺入量进行配比试验。在选定试验部位（与实际施工条件相近或相似）进行原状土的取样，并进行容重测试，以确定单位土体体积的水泥掺入量。通过试验、对比分析选定最优水泥土配合比，作为工艺试验的主要依据。兴隆工程三个标段通过分别试验：水泥采用P.O.42.5MPa硅酸盐水泥，水灰比1：1，水泥掺入量18%、20%时均能满足设计各项指标要求。
3.3.2工艺试验要求
（1）在批准的试验场地，进行与实际施工条件相似的现场生产性试验。试验前承建单位提交生产性试验大纲，报监理批准。
（2）试验项目包括（不限于）：水灰比、水泥掺入比；抗渗性、桩体强度、地基承载力、渗透系数；灰浆泵压力、输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆出口的时间；搅拌机喷浆提升、下钻速度、搅喷次数；桩间切割最大允许间隔时间、桩头开挖方法及时间等施工工艺参数与机械选型。
（3）复合地基工艺试验，搅拌桩应不少于3根；防渗墙应形成轴线长3m墙体。工艺试验完成以后，进行浅部开挖，检查桩体均匀性、桩径、墙厚、桩位偏差及桩间搭接等是否满足设计要求。生产性试验结束后，试验成果与确定的施工技术参数报监理批准。
3.3.3工艺试验成果
参照设计单位的水泥搅拌桩工艺试验结果，各标段按设计所取原状土密度1.85g/cm3及实测密度1.54g/cm3，分别进行0.8：1、1：1两种水灰比下的15%、18%、20%水泥掺入量的配比试验。试验成果表明，采用P.O.42.5MPa硅酸盐水泥、水灰比1：1、水泥掺入量18%、20%时，选用多轴（多轴喷浆、型号SPM-5Ⅲ、SJB-Ⅲ、JSZ120-33、上海JB160型设备）和单轴等不同型号施工设备，提升下沉速度不大于1.0m/min时，四搅四喷施工工艺能满足设计各项指标要求。
3.3.4桩位控制
按设计图纸对桩体中轴线及每个桩体进行定位、测量放线作出明显标示。孔位线必须准确，桩机钻头对位也必须准确；用于防渗墙的搅拌桩，桩位最大允许偏差2.5cm；用于复合地基的搅拌桩，最大允许偏差5cm；搅拌机沿导向架下沉，用于防渗墙搅拌桩的垂直度不应大于0.5%，用于复合地基的垂直度不应大于1%。
3.3.5设备控制（叶片、垂直度、深度、转速）
①搅拌桩桩径靠搅拌机叶片控制，叶片直径及误差决定了桩径大小。搅拌叶片尺寸每个桩体施工时检测一次，偏差控制在3%以内。②桩长用设备深度记录仪、垂直度用垂直仪、水平仪来控制。有搭接要求时垂直偏差不得超过0.5%，桩位偏差不大于20mm。③钻杆转速、提速、复搅次数对搅拌桩质量有重要影响。搅拌桩搅拌均匀程度没有一个定量指标，地基中某点被搅拌次数大于20次时，可以认为搅拌是比较均匀的。兴隆搅拌桩施工提速控制在0.6～1.0m/min、四搅四喷全程喷浆，桩体均匀效果较好。
3.3.6接头处理及方法
合理确定施工程序、施工顺序、机械配置，避免桩间形成冷接缝，对桩接头是十分重要的。如间歇时间过长，与后续桩无法搭接时，采取局部补桩或注浆措施。喷浆的桩体达到初凝状态后，相邻两侧需要搭接的桩位采用单头设备喷水搅拌留出榫头，待继续施工时将榫头处桩位继续喷浆搅拌施工；允许时间内不能完成搭接的桩体，采用不喷浆方式预留桩位，待相邻桩体达到初凝状态后，喷水搅拌（水桩），即对需搭接的15cm进行搅拌留出榫头，待继续施工时自榫头处搭接施工。
4 缺陷类型与处理
（1）桩位不准、桩间距过大、成桩轴线错位、桩间明显没有搭接或搭接尺寸不够。在桩体未初凝前，在桩原位进行复搅完成工艺工序。若不具备复搅条件，采取原位补桩或在缺陷桩两侧对称补桩。不具备二次下钻搅拌补桩施工条件，可采用成熟的高喷桩工艺在相应位置补桩、加固。
（2）桩体直径偏小。主要为搅拌叶片磨损和损坏，叶片尺寸不够，致使桩径不满足设计要求。主要靠施工过程来控制。要做到随时监控制浆、供浆、泵压力、电气设备、驱动设备、人员操作等环节是否正常可控。
（3）断桩。由于搅拌机提升速度过快，造成局部搅拌不匀而断桩或供浆不连续，容易出现断桩。断桩采取补桩措施处理。
（4）沉陷桩。成桩后初凝前，桩体顶部出现沉陷。沉陷桩与地质条件有关。粉细砂层在基坑深井降水抽排时，由于粉细砂具中等透水性、砂砾（卵）石层具强透水性，搅拌桩在初凝前，存在桩体一部分浆液会通过粉细砂透、脱水损失，造成桩体下沉。同时搅拌机钻杆和钻头在搅拌中挤占了桩体的部分体积，钻杆上提时，拌合物自然下坠密实也会造成桩体下沉。根据具体沉陷深度，用原状土提前在基础面预回填铺设大于沉陷厚度的土层，作为预留桩沉陷层，待桩强度满足设计要求后，对预铺层进行开挖清除。同时在深搅桩施工期间，严格控制基础降水抽排强度，稳定地下水位，对桩沉陷有一定预防作用。
5 质量效果检验与评价
5.1触探检验
成桩后3d内，用轻型动力触探法（N10），动探击数50次检查每米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1%，且不少于3根。泄水闸标共检查409点，船闸标检查102点，电站标检查288点。结果表明泄水闸、船闸及电站标所检测的各组桩体基本均匀，符合要求。
5.2桩位检查
检查桩体是否排列整齐；桩位偏差是否符合设计要求；桩顶高程开挖控制是否平齐。三个标检查桩体排列整齐，桩位偏差受控，桩顶高程控制平齐。
5.3钻孔取芯检查
施工28d后，采用钻机钻孔取芯，检验水泥土的单轴抗压强度、芯样的完整与密实性；注水检查渗透系数及渗透坡降比。检验数量为总桩数的0.5%，且不少于3根。通过检查显示，芯样表面光滑，气泡较少，整体较均匀密实；芯样强度、渗透系数、渗透坡降比满足设计指标要求。
5.4开控检杳
成桩28d后，对桩体成墙外观开挖检查，开挖深度2～3m。检查桩体圆匀、缩颈及回陷情况；检查桩体均匀、有无松散与孔洞；检查桩体直径、搭接及墙体厚度情况。检查数量为总桩数的5%。
泄水闸、电站、船闸工程搅拌桩开挖检查结果：桩体外观光滑平整，桩径及桩体搭接等检查项目均满足设计及规范要求。
5.5承载力检验
基桩载荷试验数量为承载力检验桩数的20%，且每项单体工程不应少于3个点。单桩、两连桩、三联桩分别取为基桩载荷试验总数量的1/3。检测方法采用慢速维持荷载法。
泄水闸1～56#闸室段、消力池、左岸门库及上下游翼墙段基桩竖向静载试验共抽检203点，复合地基静载试验共抽检39点。检测结果表明满足设计要求。电站进行了28组单桩、二联桩、三联桩复合地基静载荷试验，结果满足设计要求。船闸工程上闸首、闸室段及消力池基桩静载共检测38点，复合地基静载共检测43点，结果均满足设计要求。
5.6沉降观测
泄水闸段共埋设12组多点位移计，初期观测，各个监测断面的多点位移计的压缩变形量增加与其上部闸墩的混凝土高程增加保持一致。混凝土浇筑后，压缩变形开始明显增大，随着时间的推移其变形量逐渐的减小趋于平缓。
厂房段共埋设7只基岩变位计，观测数据和过程线图可见：基础变形主要为压缩变形，且随浇筑高程的增高而增大；安装场基础变形量较大；机组段和安装场的基础均为压缩变形，最大变形量为-10.26mm；压缩变形量变化比较平缓，呈缓慢增加趋势。
船闸共埋设2只基岩变位计，观测数据和过程线图可见：船闸基础变形量很小，压缩变形量变化比较平缓，呈缓慢增加趋势。
泄水闸、电站、船闸主体结构2012年10月达到设计高程，基础沉降观测在工程建设和运行过程中仍需持续观测。
6 结语
水泥搅拌桩施工虽是成熟的工艺，但大规模应用在水工建筑物基础处理使用尚属首次。特别对于粉细砂及砂砾石层地质结构，搅拌桩的施工设备选型、施工工艺及监理的质量控制对成桩质量及基础处理成效有着重大的影响作用。设备选型、优选配合比和工艺试验、确定最佳施工技术参数，是施工质量保证的前提；施工中水泥掺量、固化剂与土体搅拌均匀、桩位、桩体搭接是成桩质量控制的重点；监理全程旁站，采取事前控制、事中监督、事后检测的监理方法是确保施工质量效果的关键。