雙輪銑削攪拌水泥土墻（CSM工法）在砂、巖復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑中的應(yīng)用

胡文東，揭光煥，蔡銘輝，陶云春，洪燕飛，鐘國鋒，陳貴業(yè)，張俊興

（中科院廣州化灌工程有限公司，廣東 廣州 510650）

0 引 言

在含厚度≥10 m的中粗砂、粉細(xì)砂層、風(fēng)化巖組成的復(fù)雜地層中開挖深基坑，止水帷幕效果的好壞是基坑工程成敗的關(guān)鍵[1]。目前，基坑工程中常用的施做止水帷幕的方法有：深層攪拌樁、旋（擺）噴樁（墻）、地下連續(xù)墻、TRD工法連續(xù)墻（Trench Cutting Re-mixing Deep Wall Method）等[1-3]。旋（擺）噴樁（墻）由于成樁（墻）的均勻性無法保證導(dǎo)致止水效果不理想，加之施工過程中對環(huán)境的影響較大，該工法用作止水帷幕現(xiàn)已較少單獨(dú)使用，大多結(jié)合支護(hù)樁做樁間止水；地下連續(xù)墻由于造價高、工效慢、對較硬巖土層中成槽需輔助其它施工手段等原因，在一般民用建筑基坑工程中較少使用；TRD工法連續(xù)墻對復(fù)雜場地適應(yīng)性差、造價高、輔助設(shè)備較多，其應(yīng)用也受到較大的限制。

深層攪拌樁相對于其它止水帷幕工法以其造價低、工效高、適應(yīng)場地靈活、對環(huán)境影響小而成為止水帷幕施工的首選工法，特別是在民用建筑領(lǐng)域[1]。但早期傳統(tǒng)的深層攪拌樁機(jī)因動力較小、樁徑?。ㄒ话恪?00 mm）、處理深度淺（一般≤30 m）、樁與樁之間搭接多等原因，現(xiàn)在止水帷幕工程中應(yīng)用已較少。隨著工程機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，深層攪拌樁機(jī)已發(fā)展成大功率大直徑攪拌機(jī)、三軸攪拌機(jī)、五（多）軸攪拌機(jī)等，新型的攪拌樁機(jī)無疑在止水帷幕的整體性、均勻性、連貫性等方面有了較大的改善與提高。但當(dāng)攪拌樁機(jī)遇到較厚的中粗砂層或卵礫石層、土巖交接界面時，攪拌樁的成樁質(zhì)量就受到很大影響，從而影響止水帷幕效果。

雙輪銑削水泥土攪拌墻CSM工法（Cutter Soil Mixing），是應(yīng)用原有的液壓銑槽機(jī)的設(shè)備結(jié)合深層攪拌技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的地下連續(xù)墻或防滲墻施工設(shè)備，它將雙輪銑削成槽工藝和傳統(tǒng)深層水泥土攪拌工藝特點(diǎn)相結(jié)合，既發(fā)揮銑槽機(jī)對復(fù)雜巖土層的銑削功能特點(diǎn)又發(fā)揮了攪拌機(jī)對土層充分?jǐn)嚢璧膬?yōu)勢，在銑削攪拌的同時注入水泥漿液，與銑削下來的土體攪拌混合形成一定厚度的水泥土地下連續(xù)墻[4-6]。其工作原理為：當(dāng)施工機(jī)械向下攪拌土體時，兩個銑輪相向旋轉(zhuǎn)，同時動力系統(tǒng)施加向下驅(qū)動力銑削巖土地層；當(dāng)銑削攪拌至設(shè)計深度后，兩個銑輪做相反方向旋轉(zhuǎn)，動力系統(tǒng)提供驅(qū)動力提升銑輪，整個過程注漿系統(tǒng)通過注漿導(dǎo)管向地層中注入水泥漿液。由于有液壓雙輪銑削機(jī)頭的銑削功能，使得 CSM 工法可以適應(yīng)較為復(fù)雜的巖土地層，形成的水泥土地下連續(xù)墻均勻性、連續(xù)性、整體性更好。

1 工程概況

本項目場地位于廣州市海珠區(qū)大干圍工業(yè)區(qū)，大干圍河涌南側(cè)、珠江后航道北側(cè)，屬珠江沖積地貌。場地內(nèi)擬建7棟39層住宅、1棟商業(yè)中心和幼兒園，下設(shè) 2～3層地下室，基坑開挖深度 9.60～11.60 m，基坑支護(hù)總周長約640 m（圖1）。

圖1 基坑支護(hù)總平面圖Fig.1 General plan of foundation pit support

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 巖土層概況

該場地屬珠江三角洲沖積平原地貌，場地內(nèi)第四系覆蓋層主要為人工填土層Q4ml，海陸交互沉積相粉質(zhì)黏土和砂土層Q4mc，殘積粉質(zhì)黏土層Q4el，下伏基巖為上白堊系K的泥質(zhì)粉砂巖?，F(xiàn)將各巖土層特征分述如下：

（1）人工填土層（Q4ml）

①人工填土層（Q4ml）：場地內(nèi)人工填土層主要為雜填土，由人工堆填的建筑垃圾和砂土組成，局部夾生活建筑垃圾及植物根系，呈松散，堆填年限5年以上。

（2）沖洪積層（Q4al+pl）

②-1淤泥層：主要呈灰黑色，流塑，飽和。珠江沖積形成，味腥，局部發(fā)臭，含少量腐植物，含較多有機(jī)質(zhì)。

②-2粉質(zhì)黏土層：灰黑色、灰黃色，可塑，珠江沖積形成，主要由粉質(zhì)黏土黏粒組成，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部含少量粉細(xì)砂。實測標(biāo)貫擊數(shù)N= 5～6擊，平均4.76擊。

②-3中粗砂層：灰白色、灰黃色、灰色，松散-稍密，局部中密，飽和。珠江沖積形成，石英質(zhì)，粒徑較均勻，大多為細(xì)粒砂，含較多黏粒，部分夾粉質(zhì)黏土薄層，級配不良。

（3）殘積層（Q4el）

③粉質(zhì)黏土層：褐紅色、土黃色，硬塑，為原巖風(fēng)化殘積土，主要由黏粒組成，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

（4）基巖（K）

本層主要為泥質(zhì)粉砂巖，根據(jù)巖石風(fēng)化程度的不同分為全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖及微風(fēng)化巖。

場地各巖土層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗測試結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistical results of SPT

2.2 水文地質(zhì)概況

本場區(qū)地下水賦存于②-3中粗砂層及風(fēng)化基巖裂隙之中，按賦存方式分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

第四系孔隙水主要賦存在中粗砂層，具微承壓水，屬中等-強(qiáng)透水層。

基巖裂隙水主要分布在強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，富水性較好，由于大部分全風(fēng)化巖缺失，因此富含在中粗砂層中的地下水直接與基巖水貫通，因裂隙發(fā)育程度及充填程度的差異，基巖裂隙水富水程度與滲透性也不盡相同，裂隙發(fā)育、連通性好，則滲透性強(qiáng)，反之，滲透性差。

3 基坑支護(hù)設(shè)計

3.1 巖土參數(shù)取值

本基坑支護(hù)設(shè)計采用的巖土計算參數(shù)見表2。

表2 基坑支護(hù)設(shè)計巖土計算參數(shù)Table 2 Soil parameters for foundation pit support design

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

基坑設(shè)計采用旋挖灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索+雙輪銑削水泥土墻（CSM）止水帷幕的聯(lián)合支護(hù)體系，典型剖面如圖2所示，設(shè)計參數(shù)見表3。

圖2 基坑支護(hù)典型剖面圖Fig.2 Typical section of foundation pit support

表3 基坑設(shè)計參數(shù)表Table 3 Parameters of foundation pit design

3.3 試驗及檢測

雙輪銑削攪拌水泥土墻樁身強(qiáng)度及完整性應(yīng)采用鉆芯法進(jìn)行檢測（施工后不小于28 d齡期），抽檢數(shù)量不宜少于總墻數(shù)的5%，不得少于10幅，且每個支護(hù)剖面不少于1幅。攪拌樁芯樣應(yīng)立即密封并及時進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，每幅墻的取芯數(shù)量不宜少于5組，每組不宜少于3塊試塊。鉆芯完成后的空隙應(yīng)及時注水泥漿（水灰比 0.5～0.8）填充。

4 雙輪銑削水泥土攪拌墻（CSM 工法）施工

4.1 工藝

雙輪銑削攪拌水泥土墻（CSM工法）施工工藝是將液壓銑槽機(jī)和深層攪拌技術(shù)二者結(jié)合創(chuàng)新的巖土工程施工新技術(shù)。通過對施工現(xiàn)場原位土體切銑的同時與水泥漿進(jìn)行充分?jǐn)嚢韫探Y(jié)形成的水泥土墻，可以用于防滲墻、擋土墻、地基加固等工程。與其他傳統(tǒng)的深層攪拌樁工藝相比，CSM工法可在較硬的全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖甚至中風(fēng)化巖和較厚致密的砂礫及卵石地層中形成水泥土固結(jié)體，該工法對復(fù)雜地層的適應(yīng)性更強(qiáng)。

4.2 設(shè)備

CSM工法施工設(shè)備主要有：履帶式雙輪攪拌機(jī)（總裝重量約120 t、用電功率約150 KW）、中臺及后臺輔助設(shè)備（用電功率約300 KW）組成。雙輪攪拌機(jī)主要由動力頭、雙輪銑頭、鉆桿、注漿管等組成，根據(jù)設(shè)計的鉆進(jìn)深度、水泥土墻厚度以及地層等條件，銑頭的配置也有所不同。鉆桿分方形和圓形兩種形式，視地層而定，一般較硬的巖土層、卵礫石層選用扭矩大的方形鉆桿；淤泥、砂層等選用扭矩小的圓形鉆桿。中臺及后臺輔助設(shè)備主要有：漿液拌合站、注漿泵、儲漿罐、水泥筒倉、空氣壓縮機(jī)、挖掘機(jī)等（圖3）。

圖3 雙輪銑削攪拌機(jī)及銑頭示意圖Fig.3 Photo of CSM machine and schematic diagram of milling head

4.3 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試樁試驗的目的是檢驗設(shè)計參數(shù)是否合理，以及設(shè)備施工參數(shù)是否正確，為全面施工提供更加準(zhǔn)確地設(shè)計信息和施工工藝參數(shù)。試驗主要內(nèi)容包括最佳的水灰配合比、注漿壓力、鉆進(jìn)和提升速度，根據(jù)試驗的結(jié)果，確定最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)。

（1）將試樁數(shù)據(jù)與設(shè)計值相比較，判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合要求，以確定和優(yōu)化下一步的施工參數(shù)，做到信息化施工。

（2）將現(xiàn)場試樁結(jié)果用于信息化反饋優(yōu)化設(shè)計，使實際達(dá)到優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工高效的目的。

試樁結(jié)果見表4。

表4 試樁施工記錄表Table 4 Test pile construction record

4.4 施工工藝流程

CSM 雙輪銑水泥土攪拌墻施工工藝流程如圖4：

圖4 施工流程圖Fig.4 Construction flow chart

雙輪銑削攪拌水泥土止水墻與支護(hù)樁的施工順序一般為先施工止水帷幕，待齡期14 d后再施工支護(hù)樁，施工完成28 d后方能進(jìn)行基坑土方開挖。

（1）墻位定點(diǎn)放樣：平整場地，采用測量成果定點(diǎn)放樣，雙輪銑削攪拌水泥土墻每幅長度為2 800 mm，厚度700 mm，放線過程注意控制好中軸線定位。

（2）預(yù)挖導(dǎo)溝槽：雙輪銑削攪拌水泥土墻施工前，應(yīng)先開挖導(dǎo)溝槽，溝壁應(yīng)能穩(wěn)定，防止銑削鉆機(jī)側(cè)翻，導(dǎo)溝寬度控制為1.0～1.5 m，深度0.8～1.0 m，開挖過程同時排除地下障礙物。

（3）設(shè)備就位：由于履帶式主機(jī)重量大，機(jī)架高，施工場地必須平整、鉆機(jī)行走路線地基必須穩(wěn)固。施工前保證銑頭與槽段位置對正，并用經(jīng)緯儀或線錘進(jìn)行觀測以確保鉆機(jī)的垂直度；水泥土攪拌墻定位偏差應(yīng)小于50 mm，保證成墻后水平偏位不得超過20 mm，墻身垂直度偏差不得超過1/400。調(diào)試注漿系統(tǒng)連接完好，管路試灌通暢。

（4）漿液調(diào)配：雙輪銑設(shè)備通過中臺及后臺輔助設(shè)備輸灌漿液，本工程設(shè)計采用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，用量不少于380 kg/m3，并視土質(zhì)條件不同可外摻50～100 kg/m3高效膨潤土，漿液水灰比采用1∶1～1.8∶1，灌漿壓力1～3 MPa。

通過不同地層條件時可調(diào)整在削掘下沉過程或提升攪拌過程的不同水泥摻入量及水灰配合比。

（5）銑輪下沉：銑輪就位后往下鉆切銑削攪拌原位土體，至設(shè)計深度；一般下沉速度為 0.3～0.5 m/min，不宜大于0.8 m/min，視土層情況控制鉆進(jìn)速度。下沉過程通過空壓機(jī)送氣，氣壓 0.5～0.7 MPa。

當(dāng)土層堅硬難以鉆進(jìn)、或砂層過厚時，可在下鉆攪拌過程中添加灌注膨潤土漿液，提鉆攪拌過程中再灌注水泥漿液或水泥漿-膨潤土混合漿液；在銑削入巖區(qū)段時，按鉆機(jī)自身的鉆進(jìn)速度下鉆，供漿流量可相應(yīng)減少。

銑削攪拌過程中應(yīng)采用自動供漿系統(tǒng)，一般情況下下鉆銑削攪拌過程灌注稀漿，按較大的水灰比（≥1.3）配制漿液，原則上根據(jù)土層差異以及下鉆或上提的不同速度調(diào)整供漿流量，保證總的供漿量和供漿均勻性。

（6）銑輪提升：銑輪提升過程中提攪速度宜為 0.5～1.5 m/min，灌注濃漿，按較小的水灰比（≤1.3）配制漿液，銑削提升攪拌與灌注水泥漿液同步進(jìn)行，形成二攪二噴，最后攪拌成水泥土墻。

（7）搭接：每幅墻體搭接長度宜控制為400 mm。

5 施工效果

本基坑支護(hù)工程采用雙輪銑削水泥攪拌墻做止水帷幕，基坑開挖后止水效果非常好，開挖后出露的水泥土墻墻體攪拌均勻、質(zhì)量優(yōu)良，在厚的中粗砂層部位未有漏水現(xiàn)象（圖5）。

圖5 現(xiàn)場基坑開挖效果Fig.5 Site photo of site foundation pit excavation

經(jīng)鉆孔取芯對雙輪銑攪拌水泥土墻進(jìn)行檢測，無論是在砂層還是在淤泥層和黏土層中，水泥土墻芯樣完整，取芯率≥96%（圖6）。

圖6 水泥土墻抽芯芯樣Fig.6 Core sample of cement-soil wall

6 結(jié) 論

（1）雙輪銑削攪拌水泥土墻（CSM）可應(yīng)用在淤泥、黏土、深厚的砂層以及較堅硬的風(fēng)化巖等地層中，適應(yīng)性較廣。

（2）CSM工法形成的水泥土墻墻身完整均勻，墻體整體性好，施工質(zhì)量可控，尤其對于在砂、巖復(fù)雜地層條件下或止水要求高的工程，效果明顯。

（3）CSM施工設(shè)備自重較大，對于施工場地的穩(wěn)定性要求較高；銑削攪拌鉆進(jìn)及其配套的漿液制備等輔助設(shè)備占用場地較大；目前綜合造價偏高（綜合參考單價750～800元/m3）等不利因素是該工法今后需不斷完善和努力改進(jìn)的方向。