双轮铣深层搅拌工法止水帷幕在深基坑围护中的应用

双轮铣深层搅拌工法止水帷幕在深基坑围护中的应用刘军;周华俊;卢继【摘要】上海某软土地基深基坑工程周边环境复杂,环境保护及止水要求极高.为保证质量及工效，将原有的三轴搅拌桩全部替换为CSM工法(双轮铢深层搅拌技术)止水帷幕•基于此,介绍了CSM工法的工艺流程和特点，并阐述了CSM工法试成墙的具体试验方案•根据CSM工法试成墙的检测及监测结果，证明其安全可靠、抗渗效果良好，取得了理想的应用效果.期刊名称】《建筑施工》年(卷),期】2017(039)007【总页数】4页(P927-930)【关键词】CSM工法;止水帷幕;冷缝处置;垂直度控制;成墙质量;监测【作者】刘军;周华俊;卢继【作者单位】江苏省苏中建设集团股份有限公司江苏南通226600;江苏省苏中建设集团股份有限公司江苏南通226600;江苏省苏中建设集团股份有限公司江苏南通226600【正文语种】中文【中图分类】TU753.3工程概况背景项目基坑开挖深度为11.65m，基坑安全等级为二级，基坑北侧的环境保护等级为二级，其余三侧的环境保护等级为三级。目前类似项目的基坑围护设计的结构通常采用“钻孔灌注桩挡土＋三轴水泥土搅拌桩”止水，竖向设置2道内支撑为提高工效，拟采用CSM双轮铢深层搅拌成墙替代三轴水泥土搅拌桩止水。CSM工法概述2.1.CSM工法简介CSM工法又称双轮铢深层搅拌技术，是英文CutterSoilMixing的缩写。双轮铢深层搅拌设备的主要原理是通过钻杆下端的一对液压铣轮，对原地层进行进行铣、削、搅拌，掺入水泥浆固化液，与被打碎的原地基土充分搅拌混合后，形成具有一定强度和良好止水性能的水泥土连续墙［1-2］。CSM工法工艺流程施工准备：预挖导沟用于汇集多余的泥浆；将深搅铣轮对正待施工的地下连续墙墙体的轴线，不需要做导墙。搅拌头持续性地深入地下，在铣轮破碎土壤的同时，泵送液体材料至搅拌头底部，与掘松的土壤充分搅拌，在铣轮向下搅拌的同时加入压缩空气可以提高破碎和搅拌效率。铣轮的旋转方向可以随时变换，旋转的铣轮及铣齿将土壤推向垂直安装在铣轮架上的切割板，从而形成对土壤的强制搅拌效果。操作人员可调整铣轮进尺速度和泵送泥（灰）浆量，以形成均匀的塑性拌和体，以便于搅拌头顺利下钻和提升。在达到设计的钻孔深度后，慢速拔出搅拌轮的同时应连续注入水泥浆。搅拌轮的旋转能够充分保证已搅拌过的流塑态的水泥浆和土壤的混合体与新注入的水泥再次均匀地混合。CSM工法特点CSM工法工艺先进，采用掘进、提升、注浆、供气、铣、削、搅拌一次成墙技术，无需设置施工导墙；切削能力强，成墙单幅宽且深度深；跟踪纠偏，槽形规则，成墙垂直精度高；墙体均质、壁面平整、整体性强、防渗性能好（图1）；保槽技术简单，运行成本低；在掘进成槽中通常通过注浆系统注入泥浆，可起到护壁、防止槽壁坍塌的作用；稳定性好，安全度高；墙体连接接头少；运转灵活，操作方便；适用范围广，工效高。图1各工法的防渗墙体截面形式对比CSM工法项目试验情况本围护工程周边环境较复杂，特别是施工地块西侧为主干道，常年有大型荷载车辆通过并保留有施工大门，对基坑围护的施工扰动较大，该侧邻近规划红线且存有大量市政管线及通信电缆光纤等，地下水丰富。按设计、地勘报告及基坑方案专家评审等意见，该侧环境保护及止水要求极高。为保证质量，拟改用CSM工法，深度同原有三轴搅拌桩深度（图2），墙厚700mm。图2三轴搅拌桩与CSM工法设计对比CSM工法试成墙试验方案试成墙的目的本工程在西侧采用CSM工法水泥土搅拌墙代替三轴搅拌桩作为止水帷幕，墙厚700mm，墙体深度基本同原三轴搅拌桩设计深度，暂定为-19.50m。试成墙的设计方案1） CSM工法水泥土搅拌墙试成墙墙体厚度为700mm，试验段施工3幅深19.5m（同原止水三轴搅拌桩深度）墙体，单幅墙体宽度2.8m，墙体与墙体之间搭接20cm。为检验CSM工法设备在更深成墙深度下的成墙质量，拟另外进行2幅深35m墙体的试成墙施工，单幅墙体宽2.8m，墙体与墙体之间搭接40cm。试成墙均采用跳槽法施工。深19.5m墙体与深35m墙体搭接20cm。2） CSM工法水泥土搅拌墙试成墙宜采用42.5级普通硅酸盐水泥。3） 根据成墙范围内所有土层的特性确定墙体水泥掺量，建议水泥掺量不小于15%，建议水灰比1.2~1.5。）CSM工法水泥土搅拌墙的墙体垂直度的允许偏差＜1/300,墙位偏差在-50.0~+19.5mm之间（向坑内偏差为正），墙深偏差＜50mm,成墙厚度应不小于设计墙厚，偏差控制在-19.5~0mm。）CSM工法水泥土搅拌墙28d浆液试块无侧限抗压强度标准值＞1.0MPa,28d钻孔取芯无侧限抗压强度标准值＞0.8MPa,墙体渗透系数＜10-7cm/s。6）CSM工法水泥土搅拌墙拟采用下行喷浆切削搅拌、提升喷浆切削搅拌的工序,其中深19.5m墙体拟采用下行及提升均喷射水泥浆的方式成墙；深35m墙体拟采用下行喷射水泥浆浆液、提升喷射水泥浆的方式成墙,如发生下行成槽困难,则在下行时掺入50kg/m3的膨润土泥浆。试成墙的检测要求CSM工法水泥土搅拌墙试成墙完成后应及时进行浆液试块强度试验、芯样强度试验以及渗透性检测；CSM工法水泥土搅拌墙检测单位应根据下述要求编制详尽可行的检测方案,并经设计及相关单位认可后方可实施［3-4］。浆液试块试验1） 在CSM工法水泥土搅拌墙长度方向取2个位置的浆液制作试块，每个位置制作水泥土试块6组,每组试块包括3个抗压试件,取样点应低于有效墙顶下2m,其中每个位置选取3组试块测定14d无侧限抗压强度，另外3组试块测定28d无侧限抗压强度。2） 浆液提出地面之后,及时做成标准试块。标准试块均应填贴标签,并牢固地粘贴于容器外壁。标准试块应避免曝晒或冰冻,并宜立即送往试验室,待初凝后放入水中养护。钻孔取芯强度检测1）试成墙较深，取芯至试成墙有效深度以下不小于0.5m，钻孔取芯完成后的空隙应注浆填充。2）采用扰动较小的设备来获取芯样，采用双管单动取样器，钻进过程中保证平稳回转钻进，使用的钻杆应事先校直。在取样器上加接重杆，确保钻孔垂直度偏差不大于1/300。）将CSM工法水泥土搅拌墙的取芯孔置于搅拌墙中心线上，正式钻孔取芯前，将搅拌墙顶开挖暴露，以确保取芯孔位置定位准确。）CSM工法水泥土搅拌墙在1#~9#孔位进行钻孔取芯检测（图3）,且取芯应从1#孔位开始。取芯完成后根据土层分布对芯样进行分段评价，分段长度不大于m，不大于各土层厚度，评价内容包括芯样的颜色、性状、密实度、水泥搅拌均匀性、水泥含量、胶结度、强度等。图3CSM工法水泥土搅拌墙试成墙取芯孔平面布置5） 每个检测孔取芯完成后，在墙底标高和每层土范围内均应截取不少于1组试块，厚度大于3m的土层不少于2组试块，每组试块包括3个抗压试件。试验单位根据上述原则对试成墙所处区域的土层分布进一步深化和细化截取试块的位置和数量。6） 取样器提出地面之后，小心地将芯样卸下，及时密封芯样。每个芯样封蜡后填贴标签。芯样密封后应避免曝晒或冰冻，并立即送往试验室。7） 首次钻孔取芯应在试成墙养护期到达14d后进行，首先对1#、3#、4#、7#、8#孔位依次进行钻孔取芯，取芯孔采集的试样应立即进行抗压强度检测，芯样采集之后至土工试验之间的贮存时间，不可超过24h。当试成墙养护期达到28d时，对2#、5#、6#、9#孔位进行钻孔取芯，取芯孔采集的试样应立即进行抗压强度检测，芯样采集之后至土工试验之间的贮存时间，不可超过24h。8） 抗压试件采用圆柱体，根据相关规范要求选择合适的高径比，采用1:1的高径比。9） 试验完成后检测单位及时整理数据，形成完整的检测报告。渗透性检测1）在试成墙钻孔取芯的芯样中，选取2个钻孔对应每个土层深度范围取1组试块进行室内渗透性试验，每组试块包括3个试件。其中一个孔的芯样进行14d渗透性试验，另一个孔的芯样进行28d渗透性试验。2）在试成墙取芯孔中，选取2个孔进行原位渗透性试验，其中一个孔进行14d渗透性试验，另一个孔进行28d渗透性试验，2个孔的试验点深度均为10m（③淤泥质粉质黏土夹薄层砂质粉土）、19.5m（⑤1-1黏土）、28m（⑤1-2粉质黏土）。5.4试成墙的监测要求）CSM工法水泥土搅拌墙试成墙过程中，应布设地表沉降监测点、深层水平位移监测点和深层土体分层沉降监测点以进行相应监测。）相关监测项目提前约2周布设，以在试成墙开始前获得较为稳定的初始数据。）试成墙监测贯穿CSM工法水泥土搅拌墙试成墙施工至基坑围护桩试成槽施工结束：CSM工法水泥土搅拌墙试成墙过程中，每隔4h进行1次监测；CSM工法水泥土搅拌墙试成墙墙体养护过程中至坑围护桩施工前，每天进行1次监测。施工主要参数CSM工法水泥土搅拌墙试成墙施工时，水泥浆水灰比为1.2；水泥掺量为15%；下沉喷浆时采用2泵2挡，喷浆速度为180L/min，喷浆量为30%；提升喷浆时采用2泵3挡，喷浆速度为290L/min，喷浆量为70%;深35m区域下沉速度为65cm/min，提升速度为45cm/min;深19.5m区段下沉速度为75cm/min，提升速度为50cm/min。试验结果提交试成墙施工及相关的检测、监测工作完成后需形成完整的施工工艺总结、监测与检测数据整理报告，相关资料要及时提交给业主、设计及监理等各方，待各方认可并形成CSM工法施工导则后方可大面积开展周边止水帷幕的施工。CSM试成墙特殊情况及应对措施试成墙检测及监测不符合相关要求时的应对措施由于CSM施工工艺在上海地区首次应用，故当试成墙检测及监测不符合相关要求时，应在CSM试成墙位置外侧复打三轴搅拌桩止水，并与原设计三轴搅拌桩止水形成搭接，以形成最终封闭止水帷幕。5.7.2试成墙试验成功时后续CSM工法的搭接处理CSM工法试成墙与CSM工法止水帷幕间的搭接：CSM工法试成墙施工完成后，后续成墙采用CSM套铣25cm跳槽搭接的方法进行施工，后续墙体与试成墙亦套铣25cm。CSM墙体与南北两侧转角处SMW工法桩的搭接：由于CSM施工机械具有强大的切削土体能力，故在CSM工法墙体与SMW工法止水帷幕搭接部位先进行SMW工法桩施工，再用CSM工法进行铣削，最终形成搭接接头。试成墙实施情况及监测结果分析本工程试成墙共施工5幅墙体，其中深19.5m墙体3幅，单幅施工时间约需1h；深35m墙体2幅，单幅施工时间约需2h。水泥掺入量均为15%。地表沉降监测结果分析1)毗邻CSM施工区段的地表土体，考虑到CSM施工前的沟槽开挖，将会因CSM的施工扰动而产生沟壁向内侧位移的情况，因此在距离墙体边缘1~4m的区间范围内，地表将发生一定范围内的沉降。)距离CSM工法施工区段边缘4-21m范围内的土体，由于CSM工法施工的挤土效应，故使得该区域范围内的土体发生一定范围内的隆起，地表隆起日变化量最大的监测点位位于7m处，其日变化量最大值为0.5mm。)距离CSM工法施工区段21m范围以外的地表几乎不因CSM工法的施工而发生沉降或隆起。4）施工完成3d后地表沉降日变化量逐渐趋于平稳，地表隆起会发生一定的恢复，d后基本不再变化。由上述的监测结果分析可以得出下述结论：1）CSM工法在下沉铣削的过程中会对土体产生一定的挤压作用。在提升铣头的过程中，一方面在继续向土体内压入水泥浆液并将水泥浆与土体均匀搅拌；另一方面开始提升铣削作业后，因铣头的提升而使下部的桩体内呈现了一定的负压，使得监测的土体的水平位移呈现向内凹陷的趋势。2） 所产生的负压的作用大小因土质情况的不同而不同，淤泥质土的变形量较小，如11.5m位置的土体，黏性土次之，砂质土的变形量最大。3） 施工完成后的3d内，水泥浆液逐渐硬化，在此期间，因水泥浆硬化过程中的体积变化，故会对土体产生一定的挤压作用，然而这种挤压力产生的作用较小，并会在较短的时间内得以恢复，从而使水平位移的变化亦逐渐趋于平稳。分层沉降监测结果分析根据本工程监测报告中的数据分析，CSM工法的施工对土体的分层沉降的影响很小，可以忽略不计。试成墙检测结果及分析14d取芯强度本次取芯检测分别在1#、3#、4#、7#、8#位置试验点中，共选取38组芯样进行14d的单轴抗压强度试验。试验数据表明，本次所进行的抗压强度实验值离散型较小，桩身材料基本均匀。28d取芯强度本次取芯检测分别在2#、5#、6#、9#位置试验点中，共选取29组芯样进行28d的单轴抗压强度试验。试验数据表明，本次所进行的抗压强度实验值离散型较小，桩身材料基本均匀。渗透性试验本次检测分别在3#、5#位置对应每个土层深度范围取1组试块进行室内渗透性试验，每组试块包括3个试件。其中3#芯样进行14d渗透性试验，5#芯样进行28d渗透性试验。试验数据表明，14d芯样的渗透系数均＜1.87x10-7cm/s,28d芯样的渗透系数均＜9.45x10-8cm/s，芯样抗渗效果良好。CSM工法止水帷幕的施工方案根据CSM工法在试成墙试验方案中的情况分析，由于其较高的施工作业效率、良好的施工成墙质量及对周边环境很小的影响，故将本工程原有的三轴搅拌桩止水帷幕全部替换为CSM工法止水帷幕，其宽度为700mm，深度19.5m，在冷缝施工处（即CSM工法与已施工试成墙CSM工法桩搭接处）采用套铣搭接施工，以确保施工冷缝处的止水效果［5-6］。新施工的CSM工法桩单幅