CSM工法施工的水泥土攪拌墻在基坑加固止水工程中的應(yīng)用及效果研究

摘要：文章以北京市昌平區(qū)某住宅項(xiàng)目中的深基坑支護(hù)工程為實(shí)例，首先介紹采用CSM（雙輪銑深攪）工法施工的水泥土攪拌墻的技術(shù)要求及作業(yè)條件；其次提出具體的施工方案及工藝；最后通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)、水壓力監(jiān)測(cè)等手段，驗(yàn)證CSM工法施工的水泥攪拌墻在北京地區(qū)深基坑支護(hù)工程中應(yīng)用的可行性和可靠性，并探討了CSM工法施工的水泥土攪拌墻的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CSM工法；水泥攪拌墻；基坑加固；止水帷幕" ；防滲墻 ； 基坑圍護(hù)

中圖分類號(hào)：TU753" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：1674-0688（2024）02-0109-05

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)基坑工程向地下空間的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和國(guó)家對(duì)地下水保護(hù)政策的加強(qiáng)，近年來(lái)深基坑工程止水帷幕的應(yīng)用逐漸增多。傳統(tǒng)基坑止水帷幕施工工藝如SMW（三軸攪拌樁）工法、TRD（水泥加固土連續(xù)墻）工法在施工深度控制、地質(zhì)條件適應(yīng)性、施工效率、環(huán)保要求等各個(gè)方面均存在一定的問(wèn)題，行業(yè)需要探索新的工藝和工法，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)深基坑工程止水帷幕、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等施工的需要。CSM（雙輪銑深攪）工法是一種新型、高效、環(huán)保的等厚度水泥土攪拌墻施工技術(shù)，它結(jié)合了現(xiàn)有液壓銑槽機(jī)和深層攪拌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新。CSM工法目前在國(guó)外已有廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些工程案例，但相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。邱紅臣等［1］研究國(guó)產(chǎn)XCM80雙輪銑削攪拌機(jī)的相關(guān)參數(shù)和性能，總結(jié)相關(guān)施工裝備的技術(shù)創(chuàng)新情況，驗(yàn)證其在工程應(yīng)用中的可靠性。李國(guó)斌等［2］結(jié)合失敗案例，分析探討雙輪銑深層攪拌水泥土施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不適用情形并提出解決方法。牛潔雯等［3］結(jié)合施工實(shí)踐，從雙輪銑深攪工藝、施工方法、質(zhì)量控制、工藝優(yōu)勢(shì)等方面詳細(xì)介紹CSM技術(shù)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)技術(shù)分析、測(cè)量監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，研究采用CSM工法施工水泥土攪拌墻的效率和可靠性，為下一步的技術(shù)推廣和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

本基坑支護(hù)工程位于北京市昌平區(qū)東小口鎮(zhèn)地鐵8號(hào)線車輛段東南角，回南北路以北，科星西路以西，地鐵8號(hào)線平西府站以東，為公共租賃住房項(xiàng)目。場(chǎng)地西側(cè)為在建的BS-3停車樓，北側(cè)為公園悅府小區(qū)配套公建，東側(cè)為公園悅府小區(qū)的主入口。

擬建基坑?xùn)|西凈長(zhǎng)209.5 m，南北凈寬28.4 m，面積約5 950 m2?；又ёo(hù)為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，施工完成后使用年限為1年。開(kāi)挖深度標(biāo)準(zhǔn)段為16.135 m，局部加深最深為17.635 m，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)。結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中基坑周邊2～4 m的范圍內(nèi)最大荷載為30 kPa，嚴(yán)禁超限堆載，基坑肥槽為0.8 m。

基坑采用“止水帷幕+樁撐”體系，止水帷幕采用CSM工法施工，水泥土攪拌墻設(shè)計(jì)厚度為700 mm，最大設(shè)計(jì)深度為28 m，支護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，基本參數(shù)為[?]1 000@1 500*25.5 m，支護(hù)樁和冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25，冠梁位于地面以下500 mm處，在冠梁迎土側(cè)設(shè)置240 mm厚、1 000 mm高的M20水泥砂漿磚砌擋土墻，擋土墻設(shè)置構(gòu)造柱及壓頂梁。深基坑支護(hù)工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖見(jiàn)圖1。

1.2 水文地質(zhì)情況

本場(chǎng)地屬于北運(yùn)河水系，擬建場(chǎng)地內(nèi)無(wú)地表水。根據(jù)相關(guān)巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)第一層潛水初見(jiàn)水位埋深為6.00～6.30 m，初見(jiàn)水位高程為33.47～34.30 m；穩(wěn)定水位埋深為4.60～4.90 m，穩(wěn)定水位高程為34.87～35.70 m；主要含水層為②黏質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土，年變化幅度一般為1.00～2.00 m。第二層承壓水初見(jiàn)水位埋深為10.30～10.50 m，初見(jiàn)水位高程為29.47～29.80 m；穩(wěn)定水位埋深為5.20～5.30 m，穩(wěn)定水位高程為34.57～35.00 m；承壓水頭高度為5.1～5.2 m；主要含水層為④層細(xì)砂。第三層承壓水初見(jiàn)水位埋深為15.80～15.90 m，初見(jiàn)水位高程為23.97～24.40 m；穩(wěn)定水位埋深為6.10～6.20 m，穩(wěn)定水位高程為33.67～34.10 m；承壓水頭高度為9.7 m；主要含水層為⑥層細(xì)砂。

2 技術(shù)要求及作業(yè)條件

2.1 技術(shù)要求

本項(xiàng)目要求止水帷幕的厚度不小于700 mm，幅間咬合搭接不小于300 mm，底邊最大埋深為28 m；止水帷幕28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，止水效果滲透系數(shù)不大于1.0×10-7 cm/s。水泥為強(qiáng)度等級(jí)不低于P.042.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，止水帷幕漿液水泥用量不小于580 kg/m3，穩(wěn)定液膨潤(rùn)土用量不小于50 kg/m3。

2.2 作業(yè)條件分析

（1）場(chǎng)地作業(yè)空間不足，設(shè)備選型需考慮作業(yè)條件的限制?；游鱾?cè)緊鄰在建BS-3停車樓，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離BS-3結(jié)構(gòu)外皮2.3 m，基坑北側(cè)為地鐵8號(hào)線區(qū)間正線隧道，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線距離地鐵區(qū)間正線圍護(hù)結(jié)構(gòu)3.5 m。施工設(shè)備地上作業(yè)空間小，對(duì)地下連續(xù)墻定位及控制精度要求高，施工要求嚴(yán)格控制對(duì)地層的擾動(dòng)。

（2）水文地質(zhì)條件差，基坑施工對(duì)止水帷幕的止水效果要求高?；铀趫?chǎng)地的地下水位較高，穩(wěn)定地下水位埋深約4.6 m，承壓水水位埋深約16 m，基坑最大開(kāi)挖深度為17.635 m，坑底進(jìn)入地下承壓水位約1.6 m，地下水頭壓力較大。場(chǎng)地內(nèi)潛水、承壓水含水層主要是黏土層和砂層，土層自穩(wěn)能力差，因此基坑施工對(duì)止水帷幕的止水效果要求高。

（3）施工工藝及設(shè)備選型需要綜合考慮施工效率、控制精度、施工質(zhì)量、環(huán)保等要求，需要與業(yè)主、設(shè)計(jì)方及設(shè)備廠家一起進(jìn)行方案比選，綜合確定具備最優(yōu)效益的方案。

3 施工方案及工藝

3.1 方案確定與設(shè)備選型

經(jīng)與各參建方進(jìn)行多次溝通和方案比選，基坑止水帷幕施工方案最終確定為采用CSM工法施工的700 mm厚水泥土攪拌墻。設(shè)備選型采用TX-10/55型液壓銑削攪拌鉆機(jī)，主機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備規(guī)格型號(hào)見(jiàn)表1。

3.2 工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)

CSM工法施工的水泥土攪拌墻的工藝流程如圖2所示。

3.2.1 測(cè)量放線

根據(jù)本工程的施工總平面軸線控制網(wǎng)，選用極坐標(biāo)法進(jìn)行建筑物定位放線測(cè)量，測(cè)量要點(diǎn)如下。

（1）為便于施工測(cè)量，根據(jù)甲方移交的測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，在場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)下一級(jí)測(cè)量的控制樁點(diǎn)和控制線，形成測(cè)量控制網(wǎng)。測(cè)量?jī)x器選擇全站儀，測(cè)量精度控制在±2 mm內(nèi)。

（2）測(cè)量控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在堅(jiān)實(shí)不變形的地基上，同時(shí)避開(kāi)各類地下管線，盡量遠(yuǎn)離坑洞、料場(chǎng)及臨時(shí)設(shè)施，測(cè)量控制點(diǎn)應(yīng)采用混凝土結(jié)構(gòu)或加鋼護(hù)筒保護(hù)。

（3）在水泥土攪拌墻外1.0 m或1.5 m處設(shè)一道控制線，作為泥漿溝、墻體位置的控制依據(jù)。

（4）測(cè)量完成的坐標(biāo)點(diǎn)位，只有經(jīng)總包單位、監(jiān)理單位查驗(yàn)合格后，才能進(jìn)行下一道工序。

（5）在施工區(qū)域內(nèi)設(shè)置3個(gè)高程控制點(diǎn)，施工前先復(fù)測(cè)高程控制點(diǎn)，確定無(wú)誤后方可使用?；油谕脸尚秃笠约罢麄€(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工完畢后，應(yīng)分別復(fù)核校正。

3.2.2 場(chǎng)地平整及開(kāi)挖導(dǎo)槽

根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)位要求，在地面放樣并定位導(dǎo)槽開(kāi)挖輪廓線，將導(dǎo)槽開(kāi)挖作業(yè)范圍內(nèi)的場(chǎng)地進(jìn)行平整或硬化，硬化范圍根據(jù)機(jī)械設(shè)備需要的作業(yè)空間綜合考慮后確定，總體不小于10㎡。設(shè)備行走和作業(yè)范圍內(nèi)的場(chǎng)地地基的堅(jiān)實(shí)程度必須滿足作業(yè)要求，避免因地基沉降而導(dǎo)致設(shè)備傾斜、傾覆，必要時(shí)可提前進(jìn)行混凝土硬化或在地面鋪設(shè)厚鋼板。導(dǎo)槽機(jī)械開(kāi)挖前，地面以下0.6 m范圍內(nèi)采用人工配合風(fēng)鎬等設(shè)備的方式進(jìn)行清理，避免損壞地下管線。導(dǎo)槽寬度為1 m，深度為1.5～2 m。

3.2.3 設(shè)備就位

將設(shè)備銑頭定位在設(shè)計(jì)標(biāo)線上，偏差控制在±3 cm范圍內(nèi)，垂直度控制在3‰范圍內(nèi)。通過(guò)在導(dǎo)桿上的標(biāo)示刻度控制銑頭下沉深度，通過(guò)樁中心線和樁邊線2根固定線控制樁軸線。

3.2.4 水泥漿液配制

漿液配制采用強(qiáng)度等級(jí)不低于P.042.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，等厚度水泥土攪拌墻水泥漿液的水泥用量不小于580 kg/m3，穩(wěn)定液膨潤(rùn)土用量不小于50 kg/m3，水泥漿的水灰比控制在0.8～2.0。為防止?jié){液離析，放漿前必須攪拌30 s后再倒入存漿桶；漿液性能試驗(yàn)指標(biāo)為比重、黏度、穩(wěn)定性以及初凝和終凝時(shí)間。凝固體的物理性能試驗(yàn)指標(biāo)為抗壓、抗折強(qiáng)度?，F(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢員對(duì)水泥漿液進(jìn)行比重檢驗(yàn)，監(jiān)督漿液質(zhì)量和存放時(shí)間，水泥漿液隨配隨用，攪拌機(jī)和料斗中的水泥漿液需不斷攪動(dòng)。施工中使用的水泥漿液需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格過(guò)濾，過(guò)濾方法為在灰漿攪拌機(jī)與集料斗之間設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。漿液存放的有效時(shí)間應(yīng)符合以下規(guī)定：當(dāng)氣溫在10 oC以下時(shí)，不宜超過(guò)5 h；當(dāng)氣溫在10 oC以上時(shí)，不宜超過(guò)3 h；漿液溫度控制在5～40 oC，超出規(guī)定應(yīng)廢棄。

3.2.5 銑削下鉆攪拌

開(kāi)動(dòng)設(shè)備，緩慢下降銑頭使其與地基土體接觸，按規(guī)定要求注漿、供氣。將銑輪的旋轉(zhuǎn)速度控制在25～30 r/min，銑頭下沉速度控制在0.2～1.0 m/min。銑頭掘進(jìn)至設(shè)計(jì)深度時(shí)，在墻底深度以上2～3 m的范圍保持10 s左右，并且重復(fù)提升1～2次，重復(fù)提升的作用是清除墻體沉渣，保持墻底槽體的輪廓。在攪拌狀態(tài)下，將銑輪速度控制在20～27 r/min，緩慢提升銑頭，提升速度控制在1.0～1.5 m/min；注意避免在銑頭提升過(guò)程中形成真空負(fù)壓，使孔壁坍陷，影響墻體質(zhì)量。

3.2.6 提鉆噴漿攪拌成墻

當(dāng)銑頭即將鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度時(shí)，應(yīng)放慢轉(zhuǎn)進(jìn)速度，加強(qiáng)測(cè)量，到達(dá)預(yù)定深度后，準(zhǔn)備提鉆。提鉆時(shí)應(yīng)保持噴漿，漿液水灰比需滿足設(shè)計(jì)要求，提鉆速度不應(yīng)大于0.5 m/min，確保水泥土攪拌均勻和成墻效果達(dá)到要求。

3.2.7 墻體連接

每幅墻體之間的連接咬合是地下連續(xù)墻施工的關(guān)鍵工序，必須保證連接處的墻體攪拌充分、均勻。墻體之間咬合帶搭接長(zhǎng)度不小于300 mm，轉(zhuǎn)角處搭接為500～800 mm，嚴(yán)格控制上下幅墻體之間的連接質(zhì)量。根據(jù)本項(xiàng)目的水泥土攪拌墻的布置，按一個(gè)起點(diǎn)連續(xù)施工至終點(diǎn)的順序成槽，與地鐵相鄰段成槽時(shí)，采用跳打施工，其他部分可采用連續(xù)施工，每幅槽段的搭接時(shí)間不超過(guò)48 h，以免出現(xiàn)冷縫。墻體連接布置圖如圖3所示。

3.2.8 場(chǎng)地清理

當(dāng)銑削刀具提離地面一定距離后（一般為3 m以上），將余料導(dǎo)回至溝槽內(nèi)補(bǔ)充填墻料。多余的混合料需及時(shí)清理至指定地點(diǎn)存放或外運(yùn)，避免在場(chǎng)地內(nèi)凝結(jié)而影響下一循環(huán)的施工。

4 施工效果分析

4.1 水泥土攪拌漿液試塊強(qiáng)度試驗(yàn)

按照預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)方案，在銑削式水泥土攪拌墻的長(zhǎng)度方向取3個(gè)位置（墻體頂部、底部和中部）的漿液制作試塊，每個(gè)位置制作3組水泥土試塊，每組有3個(gè)抗壓試件，分類別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，試塊的強(qiáng)度指標(biāo)為1.03～1.26 MPa，滿足設(shè)計(jì)方案中強(qiáng)度≥0.8 MPa的要求。

4.2 水泥土攪拌墻原位鉆孔取芯強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥土攪拌墻成墻后，按照實(shí)驗(yàn)方案對(duì)墻體進(jìn)行取芯試驗(yàn)。首先對(duì)需要取芯的位置進(jìn)行編號(hào)分組，分2組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯，第一組在成墻并養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)取芯，共取3組，每組3個(gè)試件；第二組在成墻并養(yǎng)護(hù)45 d時(shí)取芯，共取3組，每組3個(gè)試件。檢查試件的顏色、長(zhǎng)度、水泥土拌合的均勻性等，未發(fā)現(xiàn)斷層且芯材色澤勻稱，經(jīng)檢測(cè)，成墻28 d和成墻45 d時(shí)墻身取芯部位的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值分別為0.93～1.31 MPa和0.97～3.55 MPa，均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

4.3 水泥土攪拌墻滲透性試驗(yàn)

水泥土攪拌墻滲透性系數(shù)采用鉆孔注水試驗(yàn)方法確定。選用上述2組取芯孔進(jìn)行原位壓水試驗(yàn)，測(cè)定墻體的滲透系數(shù)。每個(gè)孔位隔5 m進(jìn)行一次壓水滲透性試驗(yàn)，實(shí)測(cè)滲透系數(shù)均小于1.0×10-7 cm/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 地層孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

基坑開(kāi)挖階段，在基坑內(nèi)、外側(cè)同時(shí)埋設(shè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)計(jì)進(jìn)行地層孔隙水壓力監(jiān)測(cè)，基坑內(nèi)側(cè)水壓監(jiān)測(cè)計(jì)埋設(shè)深度分別為6 m、12 m、18 m，基坑外水壓監(jiān)測(cè)計(jì)埋設(shè)深度分別為6 m、9 m、18 m、21 m。井點(diǎn)降水開(kāi)啟后，基坑內(nèi)的水壓變動(dòng)明顯，基坑外側(cè)水壓基本不變，井點(diǎn)降水3～4 d后，基坑內(nèi)側(cè)水壓為0 MPa，基坑外側(cè)水壓穩(wěn)定不變。實(shí)際開(kāi)挖記錄的基坑內(nèi)情況為坑底無(wú)積水，止水帷幕止水效果良好?；铀畨罕O(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖如4所示。

以上試驗(yàn)結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求，工程質(zhì)量達(dá)標(biāo)。在基坑開(kāi)挖階段，坑內(nèi)無(wú)積水，支護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定，施工過(guò)程順利。

5 CSM工法施工的水泥土攪拌墻的應(yīng)用前景

CSM工法施工的水泥土攪拌墻及其施工設(shè)備與傳統(tǒng)的SMW（三軸攪拌樁）、TRD（水泥加固土連續(xù)墻）相比有明顯優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)目前水泥土深攪技術(shù)的不足，該工藝的推廣和應(yīng)用前景廣泛。

（1）CSM工法控制精度高，CSM工法施工的攪拌墻質(zhì)量可靠，沒(méi)有“冷縫”，連續(xù)墻體整體性好，抗?jié)B能力強(qiáng)，目前其他成熟的工藝設(shè)備無(wú)法做到。

（2）CSM工法施工的地下連續(xù)墻的厚度可達(dá)0.7～1 m，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)成墻厚度為1.5 m、墻幅寬2.8～3.0 m的施工記錄。設(shè)備主機(jī)采用履帶式或步履式底盤(pán)，液壓柴油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可360°旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用靈活，便于轉(zhuǎn)角施工。

（3）該技術(shù)具有地層適應(yīng)能力強(qiáng)、施工速度快、成墻質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在復(fù)雜地層中使用，尤其適用于深度在80 m以內(nèi)的深基坑工程，符合目前國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展形勢(shì)。

（4）CSM水泥土攪拌墻可與“H”形鋼結(jié)合使用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)地下連續(xù)墻?；庸こ掏瓿珊罂苫厥铡癏”形鋼重復(fù)使用，減少資源消耗，降低工程成本［4］。

（5）CSM工法應(yīng)用于地下軌道交通工程的地鐵車站、換乘站、盾構(gòu)進(jìn)出洞的土體加固及基坑支護(hù)工程，能提高項(xiàng)目的施工效率，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)；該技術(shù)可拓展應(yīng)用于防滲墻施工、地基土加固和改良等工程領(lǐng)域。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)北京地區(qū)某深基坑支護(hù)工程中CSM工法施工的水泥土攪拌墻的應(yīng)用及其效果進(jìn)行分析，為下一步的技術(shù)推廣和工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)和提供理論支持。因?yàn)閲?guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)較少，所以CSM工法相關(guān)技術(shù)的可靠性方面還需要更多的研究驗(yàn)證，以推動(dòng)其不斷走向成熟。將來(lái)可重點(diǎn)關(guān)注以下2個(gè)方面。

（1）CSM工法所需的鉆桿高度可達(dá)60 m以上，因此設(shè)備的穩(wěn)定性較低，在市區(qū)、機(jī)場(chǎng)、軌道交通沿線等安全等級(jí)較高的地段施工時(shí)存在一定的安全隱患，而且其配套設(shè)備較多，不太適用于工程規(guī)模較小的項(xiàng)目施工。后續(xù)需要進(jìn)一步研究設(shè)備整合優(yōu)化的可能性，以提升設(shè)備對(duì)地上、地下環(huán)境的適應(yīng)性。

（2）CSM工法適用于大多數(shù)地質(zhì)情況，與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的成熟技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢(shì)，但其施工設(shè)備在遇到巖石尤其是硬巖地層施工時(shí)，適應(yīng)性問(wèn)題還未得到完全解決，需要結(jié)合硬巖掘進(jìn)的相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步研究CSM工法施工設(shè)備對(duì)特殊地層的適應(yīng)性。

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