CSM工法相关论文
《水泥土搅拌墙施工方法对比》
上饶市信州新区复杂地质CSM工法案例
刘汉凯
( 中铁第四勘察设计院集团有限公司)
摘 要:水泥土搅拌墙施工方法分为搅拌桩连续搭接的桩式水泥土搅拌墙、渠式切割水泥土搅拌墙 (TRD 工法) 和铣削深搅水泥土搅拌墙( CSM 工法) 。针对水泥土搅拌墙以上三种施工方法的原理和优缺点进行了梳理与对比,总结了各个工法的适用范围,以便于在实际工程中根据工程实际进行合理的工法选择。
关键词: 水泥土搅拌墙; 搅拌桩; TRD 工法; CSM 工法
随着城市建设的不断发展,地下空间开发不断推进,深基坑工程越来越多,深基坑施工对现有的施工工艺和施工设备提出了挑战,水泥土搅拌墙因具有止水性好、对周围环境影响小、施工速度快、工期短以及造价低等特点, 在国内外基坑施工中得到广泛的应用。
水泥土搅拌墙,是利用水泥系材料为固化剂,采用特殊的拌和机械在地基土中就地将原状土和固化剂强制拌和,经过一系列的无力化学反应,形成具有一定强度、整体性和水稳定 性的加固体。
水泥土搅拌墙有 3 种应用形式: 一是作为 排桩等受力结构的隔水帷幕,单独起止水屏障 作用; 二是与型钢结合,形成型钢水泥土搅拌 墙受力体系,兼具受力 + 止水帷幕双重作用; 三是做为地连墙槽壁地基加固兼地连墙接缝隔 水帷幕,起地层加固 + 止水作用,具体见图 1。
现有水泥土搅拌墙,分为由搅拌桩连续搭 接形成的不等厚桩式和新型搅拌机械施工形成 的等厚壁式。等厚壁式水泥土搅拌墙又可分为渠式切割水泥土搅拌墙 ( TRD 工法) 和铣削深 搅水泥土搅拌墙 ( CSM 工法) 。
不等厚桩式水泥土搅拌墙是采用专用的垂 直轴螺旋钻杆搅拌机,就地钻进切削土体,同 时从其钻头端部将水泥浆液注入土体,经反复搅拌和充分混合后,在各施工平面之间采取重 叠搭接施工形成地下连续墙体。这种墙体具有止水性好,对周围环境影响小,施工速度快,以及对地层适应性强等特点,在国内外得到广泛的应用。特别是在水泥土混合体未硬之前将H型钢或其它芯材插入搅拌体内,形成兼具受力与隔水功能的支护墙体。
桩式水泥土搅拌墙由搅拌桩连续布置形成墙体,根据成桩工艺,分为单轴、双轴搅拌桩 搭接和三轴搅拌桩套接。
MIP ( Mixing in-Place Pile ) 工法,又称水泥土就地搅拌桩施工方法,是二次世界大战 后,美国首先研制出来的水泥土搅拌桩施工方法,由于受当时施工机械动力的制约,桩径仅 0. 3 ~ 0. 4 m,长度 12 ~ 14 m。1953 年日本清水 建设株式会社经美国帕特公司引入日本。1955年在大板安治川河畔进行了MIP工法试验性施工。工法特点是成桩速度快,噪音小,于是尝试连续施工做成一道柱列式地下连续墙。此工法为 SMW 工法的雏形。
由于 MIP 工法是单轴搅拌桩施工,施工时 相邻搅拌桩施工垂直度偏差容易搭接不完全, 易发生漏水、流砂等事故,造成危害。针对单轴的缺陷,日本分别于 1968 年和 1971 年改进 开发出双轴和多轴搅拌桩机,解决了以前单轴 钻机缺陷所带来的问题,使得 MIP 工法在实际应用中出现的问题得到有效地解决,作为与型钢结合,参与受力与隔水,由此产生SMW工法。
但是即便是三轴水泥土搅拌桩,其也存在 一定缺点,如常规的三轴搅拌桩最长约 30m, 10m以下水泥含量会迅速衰减,防渗效果不明显,无法满足埋置深度 30 ~ 60 m 的承压含水层隔断,针对此深度,需要加接钻杆等施工工艺,且深部成桩质量难以保证,地层适应性较差。对于标贯值在 30 击以上紧密砂层或无侧限抗压强度不大于 5 MPa 的软岩中采用常规 水泥土搅拌桩施工存在困难。
为提高水泥与原位土拌和的均匀性和隔水 效果,更先进的施工机械和工艺开始研发出 现。根据搅拌成墙施工工艺不同,现有等厚度 水泥土搅拌墙技术包括 TRD 工法和 CSM 工法, 两者各具特点。TRD 工法对成层地基土全断面 搅拌形成的墙体连续均一性好,CSM 工法对复 杂硬质地层具有更好地适应。相比三轴水泥土 搅拌桩,水泥土搅拌更均匀,深度提高一倍 ( 达到 60 m) ,强度提高一倍以上 ( 达到 1 ~ 3 MPa) ,工效提高逾 50% 。
3. 1 渠式切割水泥土搅拌墙 ( TRD 工法)
公众号:TRD工法网
TRD ( Trench cutting Re-mixing Deep wall ) 工法,又称渠式等厚度水泥土搅拌墙技术,是 2009 年从日本引进的一种利用锯链式切削箱连 续施工等厚水泥土搅拌墙的施工技术,与目前传统的单轴或多轴螺旋钻孔机形成的桩式水 泥土地下连续墙不同,施工时先将链锯型切削刀具插入地基,待掘削至墙体设计深度后注入 固化剂,在整个设计深度范围内与原位土体充 分混合搅拌,并持续横向掘削、搅拌,水平推 进,构筑成连续的等厚度水泥土搅拌墙体。其切削成槽、混合搅拌、成墙为连续作业,避免了常规施工方法分槽段施工、槽孔搭接处产 生薄弱环节的缺点。
TRD 工法适用土层、成墙厚度和深度详见表 1,垂直度不大于 1 /250 的成层地基土经全 断面搅拌形成的水泥土墙体连续均匀性好、强 度高 ( 1 ~ 3 MPa ) 、 抗渗性 能 好 ( 可 达 10 - 7 cm / s 量级) ,施工设备最大高度不超过12m, 施工机架重心低、安全稳定性好; 施工环境影 响小,可紧邻建筑物施工。
TRD 工法在上海、杭州、南京、北京、天津、武汉等 30 余个地区逾 300项工程中应用,最大成墙深度69m(上海硬X射线项目)。
3. 2 铣削深搅水泥土搅拌墙 ( CSM 工法)
公众号:CSM工法
CSM ( Cutter Soil Mixing Method) 工法,铣削深搅水泥土搅拌墙技术,2003 年由德国宝峨 公司开发,2011 年左右引入国内。该工法结合了液压铣槽机和深层搅拌技术的特点,通过配置在钻具底端的两组铣轮水平轴向旋转下 沉掘削原位土体至设计深度后,提升喷浆旋转 搅拌形成矩形水泥土槽段,对已施工槽段的接 力铣削作业将一幅幅水泥土槽段连接构筑成等 厚度水泥土搅拌墙。
CSM 工法适用土层、成墙厚度和深度详见 表 1,铣削深搅水泥土搅拌墙作为围护结构其 内可根据受力和设计需要灵活布置劲性构件, 水泥土墙体搅拌均匀,墙体强度 1 ~ 5 MPa,渗 透系数可达 10 - 7 cm / s 量级。
CSM 工法在上海、杭州、武汉、南昌、广州等 10 余个地区上百项基坑工程和水利工程中应用, 最大成墙深度 51 m(导杆式CSM工法机),80m (悬挂式CSM工法机:徐汇中心)
经过分析总结,以上工法特点对比见表 1。
坑开挖深度 10. 3 ~ 12. 5 m,一层与二层地库高差部位约6m。场地地层复杂,浅层 5. 5 m 为 杂填土、粉质黏土,深层为卵石、强风化及中 风化砂岩岩层等硬质地层。基坑工程紧邻信江,距离信江仅50m,平面位置如图 2 所示。
( 1) 水位高、水力联系丰富、止水难度大, 隔水要求高。
工程地表 5. 5 m 以下存在 6 m 厚的 卵砾石层 ( 粒径 > 2 cm 颗粒含量约为 50% ~ 65% ,最大粒径约 15 cm) ,对止水要求较高。
( 2) 围护体系需嵌岩,施工难度大。
工程岩层较浅,强风化砂岩岩层 ( 单轴抗 压强度 frk = 2MPa) 顶面处于基底以上 2. 6m, 支护体系采用CSM工法型钢等厚度水泥土搅拌墙 + 拉锚,墙底需进入基底以下中风化砂岩 ( 单轴抗压强度 frk = 10 MPa) 中,围护剖面如 图 3 所示。
( 3) 工期紧,工期要求仅 2 个月。
考虑到基坑深度范围内卵石粒径达 15 cm, 强风 化、 中风化粉砂岩强度较高,搅 拌 桩、 TRD 工法机械均已无法适用,为保证隔水的可 靠性,考虑水泥土搅拌墙只能选用 CSM 铣削深搅工法,工期估算 50 d,满足工期要求,相比 咬合桩、灌注桩 + 桩间旋喷、地下连续墙等支 护方案,质量可靠,造价低。
基坑开挖后,施工效果如图 4 所示,墙面平整、墙体无缝连续、质量可靠、施工速度快、绿色环保。
通过多种水泥土搅拌墙施工技术的对比研究 和探讨,能够对水泥土搅拌墙多种工法有更加深 入的认识,在熟知各工法性能特点的同时,更知 晓其不适用情形,对今后类似水泥土搅拌墙施工 工法选择具有一定的借鉴指导作用。
传统三轴搅拌桩虽然经济性强,但施工深 度受限制,垂直度、止水效果与成墙品质等施工质量并非最理想; TRD 工法、CSM 工法等厚度水泥土墙,搅拌均匀性和隔水效果显著提高,提高了工程质量。
CSM工法
项 敏
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