CSM工法等厚度水泥土搅拌墙在南昌某深大基坑地下水控制中的应用


摘 要


摘要:以南昌地区某形状不规则、周边环境保护要求高、开挖范围内存在深厚微承压含水层的深大基坑工程为例,通过对CSM工法等厚度水泥土搅拌墙的工艺流程、施工参数和技术措施进行改进,最终取得了较好的实施效果。钻孔取芯检测结果显示,28 d无侧限抗压强度普遍达到1.0 MPa以上,基坑实施期间坑外水位变幅小,有效地解决了该复杂地层条件下深基坑工程的封闭隔水问题。总结的应用方法对南昌地区类似工程项目有一定的借鉴作用。


关键词:深大基坑;止水帷幕;圆砾层;CSM工法;中风化岩层


1 工程概况


1.1基坑工程

南昌某老城区改造项目用地面积约69 000 m2,上部建筑由1幢超高层办公楼、2幢高层住宅及多幢高层办公和3层商业裙楼组成,地下部分以商业和车库为主,整体设置2层地下室。项目分两区实施,待I区地下结构完成后开挖II区(图1)。I区基坑开挖面积约29 000 m2,基坑形状较不规则,转角较多,普遍区域开挖深度8.4~13.3 m。

CSM工法等厚度水泥土搅拌墙在南昌某深大基坑地下水控制中的应用


1.2周边环境

本项目周边环境复杂,保护要求高。基坑西侧、北侧3倍挖深范围内存在十余栋多层砖混建筑,大部分为居民楼,对变形较为敏感,距离基坑最近的仅5 m;基坑北侧孺子路、筷子街,南侧南浦路下均埋设有大量的市政管线,北侧部分入户管线距离基坑仅约5m,也是基坑工程期间重点保护的对象。


1.3工程水文地质条件

拟建项目场地在勘探深度范围内,由人工填土、第四系全新统湖积层、第四系上更新冲积层、第三系新余群组成。按照岩性及工程性质,可以分为杂填土、淤泥、粉质黏土、细砂层、中砂层、砾砂层、圆砾层、粉砂质泥岩,典型土层分布如图2所示。

CSM工法等厚度水泥土搅拌墙在南昌某深大基坑地下水控制中的应用


场地浅层分布有较厚的杂填土,中部为深厚的砂层,下部为岩层。勘察报告显示,本工程含水层局部具有微承压性,主要贮存于第四系砂土及卵砾石层中,③1层粉质黏土层和下伏④层基岩为弱透水层,含水层厚度约14 m,水量丰富,根据《南昌市区域水文地普查报告》资料,含水层综合渗透系数约为100m/d,渗透性较强,且与赣江和抚河直接连通,受到丰富的侧向水力补给。


场地下伏基岩为粉砂质泥岩,根据风化程度可以分为强风化、中风化、微风化等3个亚层。④1强风化粉砂质泥岩的岩体基本质量等级为Ⅴ级,层顶埋深11.80~16.60 m;④2中风化粉砂质泥岩的岩石天然单轴极限抗压强度标准值为6.2 MPa,属软岩,岩体基本质量等级为Ⅳ级,层顶埋深为12.50~17.80 m;④3微风化粉砂质泥岩的岩石天然单轴极限抗压强度标准值为7.8 MPa,岩体基本质量等级为Ⅳ级。


综上所述,本项目基坑工程体量大,施工周期长,周边环境保护要求高,微承压水层深厚、水量丰富。在实施中,一方面要控制基坑开挖卸荷对周边环境的影响;另一方面,能否有效控制地下水,既关系到基坑自身安全,又对周边环境保护起到至关重要的作用。


2 地下水控制设计


综合考虑基坑规模、工程地质条件和周边环境保护要求,本基坑工程采用整坑顺作。基坑周边采用φ700~φ800 mm灌注桩排桩结合止水帷幕,考虑到强风化岩层的破碎程度,设计要求止水帷幕有效段进入中风化岩层不小于0.5 m。竖向设置2道混凝土支撑,采用对撑、角撑结合边桁架的布置形式。典型基坑支护剖面如图3所示。

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3 止水帷幕工艺选型


目前最为常见的止水帷幕工艺为三轴水泥土搅拌桩。但本项目有深厚含水层,且止水帷幕需穿透③4圆砾层(粒径大于20 mm的颗粒含量达10%)、③5砾砂层,进入单轴饱和抗压强度达6.2 MPa的强风岩层。若采用三轴设备,即使辅助预钻孔工艺,也难以施工到设计深度,嵌岩隔水效果难以保证,且钻进效率低(单孔引孔平均时间约3h,单桩成桩平均时间约3h,日成桩仅3~4根),钻具消耗大。等厚度水泥土搅拌桩地层适应性强,成桩质量好,适于本项目的止水帷幕施工。目前常见的等厚度水泥土搅拌墙工艺包括渠式切割(TRD工法)和铣削深搅(CSM工法)两种。


TRD工法是采用链锯型刀具切割土体、喷浆搅拌并横向推进的成墙方法,根据工程实践,其在单轴饱和强度不大于3 MPa的地层中成墙质量优越且有较高的成墙效率。一方面,本项目止水帷幕有小段底需进入单轴饱和抗压强度达6.2 MPa的中风化岩层底不小于0.5 m,且岩层有一定起伏,TRD施工效率将受较大影响。另一方面,TRD工法由于设备较大,直线行进工效快,更适合形状方正的基坑;而本项目基坑形状不规则,转角众多,TRD设备转动困难、耗时长,会在转角处形成多个施工冷缝,需要特殊处理;冷缝若处理不当,将极易漏水,给基坑开挖带来很大的安全隐患。


CSM工法是一种由地下连续墙液压铣槽机的施工原理发展而来的等厚度水泥土搅拌墙施工技术。通过钻杆下端的一对液压铣轮,对原地层进行铣、削、搅拌,同时掺入水泥浆固化液,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。CSM工法可广泛适用于黏土、砂层、卵砾石层等各种软硬地层,可以切削强度35 MPa以内的岩石或混凝土。



CSM工法可以对原墙体进行完全的铣削,能够完全避免因施工冷缝带来的漏水风险,对不规则轮廓的适应性更强,和TRD工法相比,在本项目中具有工效和质量上的显著优势。综合以上因素,本项目采用了CSM工法等厚度水泥土搅拌墙止水帷幕。


4 止水帷幕的施工


本项目止水帷幕设计CSM厚度为700 mm,施工深度13.40~16.70 m,且墙底有效段进入中风化岩层不小于0.5 m。墙体的垂直度偏差不大于1/250,墙体厚度偏差不得超过20 mm,墙体深度不小于设计深度,平面偏差不大于2 cm。


CSM工法在以上海为代表的软土地区已经得到了广泛应用。南昌地区地层条件与软土地区有较大区别,CSM工法的主要施工参数也应根据土层条件进行针对性的修正,以满足安全、经济的要求。


4.1施工参数修正

为验证CSM工法水泥土搅拌墙施工设备在本项目地层条件下的施工能力、成墙质量以及施工参数,现场进行了试成墙试验,在验证施工工艺的同时对各项施工参数进行针对性修正。


试成墙施工期间下钻膨润土掺量1.8%,提升水泥掺量20%,水胶比1.5,下钻流量为85 L/min,提钻流量为132 L/min。28 d水泥土钻芯法检测结果发现,3~12 m粉质黏土、中砂、圆砾层中芯样完整强度较高,上部3 m左右杂填土区域以及底部10.0~17.5 m区域,部分芯样不完整,较为松散。


根据试成墙结果进行分析后,对部分施工参数进行针对性调整。固化液水泥掺量调整至不小于22%,固化液水胶比由1.5调整至1.3,挖掘液采用钠基膨润土拌制,每立方米被搅土体掺入50~100 kg的膨润土,施工过程中泵送压力控制在0.5~3.0 MPa,提升速度控制在30cm/min以内。


4.2有效深度控制

本工程CSM等厚度水泥土搅拌墙厚700 mm,长度共约1 017 m,投入1台SC-50双轮铣设备,铣轮外径(含齿轮)1.38 m,两轮中心距1.40 m。考虑到双轮铣设备两轮相切布置的自身特点,其两轮之间下方存在一个未能充分切削搅拌的类三角形盲区。经与设计沟通,通过控制轮底进入中风化岩层不少于1.2 m,确保有效墙深进入中风化岩层不少于0.5 m(图4)。


CSM工法等厚度水泥土搅拌墙在南昌某深大基坑地下水控制中的应用



为确保底部成墙质量,采用底部悬停复搅技术,即当首次成槽下沉至墙底时,停留在墙底搅拌喷浆5min后再进行提升,并对墙底以上不小于5 m范围进行复搅,以确保等厚度水泥土搅拌墙底部成墙质量。


4.3接头质量控制

C S M单幅墙长度为2.8 m,幅间咬合搭接不小于0.4 m。为确保水平向搭接质量,采用三步序跳幅成墙工艺(图5)。第一步,施工首幅墙体至设计桩底标高;第二步,移机至第三幅墙体位置,与第一幅墙体搭接400 mm套铣施工至设计桩底标高;第三步,重复第二步动作,完成第二幅墙体的搭接套铣施工。之后重复上述动作,完成成墙的施工。搭接幅咬合施工时,须待两侧先施工槽段墙体达到初凝后,方可进行,且相邻墙段喷浆工艺的施工间隔时间不应大于10h。

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5 实施效果


本项目基坑工程已顺利完成施工。CSM工法等厚度水泥土搅拌墙施工完成后进行了28 d龄期钻孔取芯,钻取墙芯采用φ110 mm钻头,全墙长范围内连续取样,取芯结果显示芯样胶结度好,水泥搅拌均匀,搅拌墙底部与岩层的接触密实,成形较好(图6)。对28 d芯样制备标准样,无侧限抗压强度标准值为0.82~1.20 MPa,均满足设计0.8 MPa要求。


图7为基坑施工期间实景照片,可见从基坑开挖至基础底板施工完成期间,围护桩侧壁干净平整、无渗水,止水效果好。基坑开挖期间,坑内水位降至基底以下1 m,坑内降深约6 m,实测坑外水头最大降深不足1 m,大部分时间在0值上下波动。考虑到天然水头的周期性变化,由坑内降水引起的坑外水头变化很小,CSM工法等厚度水泥土搅拌墙很好地发挥了隔断坑内外水力联系的作用,有效保护了周边环境。

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6 结语


本项目基坑工程体量大、工期长、形状不规则,紧邻大量多层居民楼和市政管线,周边环境保护要求高。开挖范围内存在深厚微承压含水层,与赣江存在密切的水力联系,水量丰富且侧向补给迅速。因此在控制基坑开挖卸荷对周边环境影响的同时,更要处理好长期抽降地下水对周边环境的影响。实践证明,在经由试成墙调整施工参数,采取垂直度控制、入岩深度复核、接头套接处理等措施后,CSM工法可以较好地适用于南昌地区,且成墙后上下均匀,质量满足设计要求,实测止水效果可靠,可以有效地解决类似复杂地层条件下深基坑工程中所面临的封闭隔水问题,有效控制坑内降水对环境的影响。


通过该项目的实践过程也发现,虽然CSM工法等厚度水泥土搅拌墙对土层的适应性较好,但为确保成墙的质量,即使在已经具备成功实施经验的地区,通过试成墙针对性地调整施工参数、改善施工工艺还是十分必要的。


来源:《地基基础》

作者:王建军
编辑整理:项敏
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CSM工法 Cutter Soil Mixing (铣削深层搅拌技术)是一种创新性深层搅拌施工方法。此工艺源于德国宝峨公司双轮切铣技术,是结合现有液压铣槽机和深层搅拌技术进行创新的岩土工程施工新技术。通过对施工现场原位土体与水泥浆进行搅拌,可以用于防渗墙、挡土墙、地基加固等工程。与其他深层搅拌工艺比较,CSM工法对地层的适应性更高,可以切削坚硬地层(卵砾石地层、岩层)。


双轮铣深搅设备(CSM)特点


施工效率高:

双轮铣拥有两个大扭矩齿轮箱,铣轮上切割齿布局设计合理、切削能力强、施工效率高;


地层适应范围更广:

能够在坚硬的地层进行深层搅拌施工,克服了传统的多轴搅拌系统不能在坚硬地层施工的缺点;源于双轮铣技术,该工法具有一定的入岩能力,能够截断地下水通过墙底风化岩进行渗透的途径;


墙体垂直度更好:

双轮铣设备中具有高精度垂直度传感器,施工中可以通过电脑动态监测成槽的垂直度,利用双轮铣设备所配置的纠偏系统及时调整,确保墙体精度;


墙体质量更好:

通过电脑控制水泥浆液注入量、水泥浆和土体混合均匀,从而墙体均匀度及质量好、材料利用率高,较其他搅拌工艺,可以节约材料;


施工过程更加环保:

直接将原状地层做为建筑材料,弃土和弃浆量总量小,节能环保,符合基础施工技术发展的趋势;


施工阶段扰动低:

施工阶段几乎没有震动,采用原位搅拌,对周边建筑物基础扰动小,可以贴近建筑物施工;


墙体的深度更大:


导杆式双轮铣深搅设备,施工深度可达53m,


悬吊式双轮铣深搅设备,施工深度可达80m。

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导杆式 CSM工法主机

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悬吊式  CSM工法主机





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