CSM工法等厚度水泥土攪拌墻在南昌某深大基坑地下水控制中的應(yīng)用

王建軍

上海智平基礎(chǔ)工程有限公司 上海 200072

1 工程概況

1.1 基坑工程

南昌某老城區(qū)改造項目用地面積約69 000 m2，上部建筑由1幢超高層辦公樓、2幢高層住宅及多幢高層辦公和3層商業(yè)裙樓組成，地下部分以商業(yè)和車庫為主，整體設(shè)置2層地下室。項目分兩區(qū)實施，待I區(qū)地下結(jié)構(gòu)完成后開挖II區(qū)（圖1）。I區(qū)基坑開挖面積約29 000 m2，基坑形狀較不規(guī)則，轉(zhuǎn)角較多，普遍區(qū)域開挖深度8.4～13.3 m。

1.2 周邊環(huán)境

本項目周邊環(huán)境復(fù)雜，保護要求高。基坑西側(cè)、北側(cè)3倍挖深范圍內(nèi)存在十余棟多層磚混建筑，大部分為居民樓，對變形較為敏感，距離基坑最近的僅5 m；基坑北側(cè)孺子路、筷子街，南側(cè)南浦路下均埋設(shè)有大量的市政管線，北側(cè)部分入戶管線距離基坑僅約5 m，也是基坑工程期間重點保護的對象。

1.3 工程水文地質(zhì)條件

擬建項目場地在勘探深度范圍內(nèi)，由人工填土、第四系全新統(tǒng)湖積層、第四系上更新沖積層、第三系新余群組成。按照巖性及工程性質(zhì)，可以分為雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、細砂層、中砂層、礫砂層、圓礫層、粉砂質(zhì)泥巖，典型土層分布如圖2所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境平面

圖2 典型土層分布

場地淺層分布有較厚的雜填土，中部為深厚的砂層，下部為巖層。勘察報告顯示，本工程含水層局部具有微承壓性，主要貯存于第四系砂土及卵礫石層中，③1層粉質(zhì)黏土層和下伏④層基巖為弱透水層，含水層厚度約14 m，水量豐富，根據(jù)《南昌市區(qū)域水文地普查報告》資料，含水層綜合滲透系數(shù)約為100 m/d，滲透性較強，且與贛江和撫河直接連通，受到豐富的側(cè)向水力補給。

場地下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖，根據(jù)風(fēng)化程度可以分為強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化等3個亞層。④1強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，層頂埋深11.80～16.60 m；④2中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的巖石天然單軸極限抗壓強度標準值為6.2 MPa，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，層頂埋深為12.50～17.80 m；④3微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的巖石天然單軸極限抗壓強度標準值為7.8 MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

綜上所述，本項目基坑工程體量大，施工周期長，周邊環(huán)境保護要求高，微承壓水層深厚、水量豐富。在實施中，一方面要控制基坑開挖卸荷對周邊環(huán)境的影響；另一方面，能否有效控制地下水，既關(guān)系到基坑自身安全，又對周邊環(huán)境保護起到至關(guān)重要的作用[1-4]。

2 地下水控制設(shè)計

綜合考慮基坑規(guī)模、工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境保護要求，本基坑工程采用整坑順作。基坑周邊采用φ700～φ800 mm灌注樁排樁結(jié)合止水帷幕，考慮到強風(fēng)化巖層的破碎程度，設(shè)計要求止水帷幕有效段進入中風(fēng)化巖層不小于0.5 m。豎向設(shè)置2道混凝土支撐，采用對撐、角撐結(jié)合邊桁架的布置形式。典型基坑支護剖面如圖3所示。

圖3 基坑支護典型剖面

3 止水帷幕工藝選型

目前最為常見的止水帷幕工藝為三軸水泥土攪拌樁。但本項目有深厚含水層，且止水帷幕需穿透③4圓礫層（粒徑大于20 mm的顆粒含量達10%）、③5礫砂層，進入單軸飽和抗壓強度達6.2 MPa的強風(fēng)巖層。若采用三軸設(shè)備，即使輔助預(yù)鉆孔工藝，也難以施工到設(shè)計深度，嵌巖隔水效果難以保證，且鉆進效率低（單孔引孔平均時間約3 h，單樁成樁平均時間約3 h，日成樁僅3～4根），鉆具消耗大。

等厚度水泥土攪拌樁地層適應(yīng)性強，成樁質(zhì)量好，適于本項目的止水帷幕施工。目前常見的等厚度水泥土攪拌墻工藝包括渠式切割（TRD工法）和銑削深攪（CSM工法）兩種。

TRD工法是采用鏈鋸型刀具切割土體、噴漿攪拌并橫向推進的成墻方法，根據(jù)工程實踐，其在單軸飽和強度不大于3 MPa的地層中成墻質(zhì)量優(yōu)越且有較高的成墻效率。一方面，本項目止水帷幕有小段底需進入單軸飽和抗壓強度達6.2 MPa的中風(fēng)化巖層底不小于0.5 m，且?guī)r層有一定起伏，TRD施工效率將受較大影響。另一方面，TRD工法由于設(shè)備較大，直線行進工效快，更適合形狀方正的基坑；而本項目基坑形狀不規(guī)則，轉(zhuǎn)角眾多，TRD設(shè)備轉(zhuǎn)動困難、耗時長，會在轉(zhuǎn)角處形成多個施工冷縫，需要特殊處理；冷縫若處理不當，將極易漏水，給基坑開挖帶來很大的安全隱患。

CSM工法是一種由地下連續(xù)墻液壓銑槽機的施工原理發(fā)展而來的等厚度水泥土攪拌墻施工技術(shù)。通過鉆桿下端的一對液壓銑輪，對原地層進行銑、削、攪拌，同時摻入水泥漿固化液，與被打碎的原地基土充分攪拌混合后，形成具有一定強度和良好止水性能的水泥土連續(xù)墻。CSM工法可廣泛適用于黏土、砂層、卵礫石層等各種軟硬地層，可以切削強度35 MPa以內(nèi)的巖石或混凝土。

CSM工法可以對原墻體進行完全的銑削，能夠完全避免因施工冷縫帶來的漏水風(fēng)險，對不規(guī)則輪廓的適應(yīng)性更強，和TRD工法相比，在本項目中具有工效和質(zhì)量上的顯著優(yōu)勢。綜合以上因素，本項目采用了CSM工法等厚度水泥土攪拌墻止水帷幕。

4 止水帷幕的施工

本項目止水帷幕設(shè)計CSM厚度為700 mm，施工深度13.40～16.70 m，且墻底有效段進入中風(fēng)化巖層不小于0.5 m。墻體的垂直度偏差不大于1/250，墻體厚度偏差不得超過20 mm，墻體深度不小于設(shè)計深度，平面偏差不大 于2 cm。

CSM工法在以上海為代表的軟土地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。南昌地區(qū)地層條件與軟土地區(qū)有較大區(qū)別，CSM工法的主要施工參數(shù)也應(yīng)根據(jù)土層條件進行針對性的修正，以滿足安全、經(jīng)濟的要求。

4.1 施工參數(shù)修正

為驗證CSM工法水泥土攪拌墻施工設(shè)備在本項目地層條件下的施工能力、成墻質(zhì)量以及施工參數(shù)，現(xiàn)場進行了試成墻試驗，在驗證施工工藝的同時對各項施工參數(shù)進行針對性修正。

試成墻施工期間下鉆膨潤土摻量1.8%，提升水泥摻量20%，水膠比1.5，下鉆流量為85 L/min，提鉆流量為132 L/min。28 d水泥土鉆芯法檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3～12 m粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫層中芯樣完整強度較高，上部3 m左右雜填土區(qū)域以及底部10.0～17.5 m區(qū)域，部分芯樣不完整，較為松散。

根據(jù)試成墻結(jié)果進行分析后，對部分施工參數(shù)進行針對性調(diào)整。固化液水泥摻量調(diào)整至不小于22%，固化液水膠比由1.5調(diào)整至1.3，挖掘液采用鈉基膨潤土拌制，每立方米被攪土體摻入50～100 kg的膨潤土，施工過程中泵送壓力控制在0.5～3.0 MPa，提升速度控制在30 cm/min以內(nèi)。

4.2 有效深度控制

本工程CSM等厚度水泥土攪拌墻厚700 mm，長度共約1 017 m，投入1臺SC-50雙輪銑設(shè)備，銑輪外徑（含齒輪）1.38 m，兩輪中心距1.40 m。考慮到雙輪銑設(shè)備兩輪相切布置的自身特點，其兩輪之間下方存在一個未能充分切削攪拌的類三角形盲區(qū)。經(jīng)與設(shè)計溝通，通過控制輪底進入中風(fēng)化巖層不少于1.2 m，確保有效墻深進入中風(fēng)化巖層不少于0.5 m（圖4）。

圖4 銑輪與巖面關(guān)系剖面示意

為確保底部成墻質(zhì)量，采用底部懸停復(fù)攪技術(shù)，即當首次成槽下沉至墻底時，停留在墻底攪拌噴漿5 min后再進行提升，并對墻底以上不小于5 m范圍進行復(fù)攪，以確保等厚度水泥土攪拌墻底部成墻質(zhì)量。

4.3 接頭質(zhì)量控制

CSM單幅墻長度為2.8 m，幅間咬合搭接不小于0.4 m。為確保水平向搭接質(zhì)量，采用三步序跳幅成墻工藝（圖5）。第一步，施工首幅墻體至設(shè)計樁底標高；第二步，移機至第三幅墻體位置，與第一幅墻體搭接400 mm套銑施工至設(shè)計樁底標高；第三步，重復(fù)第二步動作，完成第二幅墻體的搭接套銑施工。之后重復(fù)上述動作，完成成墻的施工。搭接幅咬合施工時，須待兩側(cè)先施工槽段墻體達到初凝后，方可進行，且相鄰墻段噴漿工藝的施工間隔時間不應(yīng)大于10 h。

圖5 攪拌墻順槽及跳槽施工示意

5 實施效果

本項目基坑工程已順利完成施工。CSM工法等厚度水泥土攪拌墻施工完成后進行了28 d齡期鉆孔取芯，鉆取墻芯采用φ110 mm鉆頭，全墻長范圍內(nèi)連續(xù)取樣，取芯結(jié)果顯示芯樣膠結(jié)度好，水泥攪拌均勻，攪拌墻底部與巖層的接觸密實，成形較好（圖6）。對28 d芯樣制備標準樣，無側(cè)限抗壓強度標準值為0.82～1.20 MPa，均滿足設(shè)計0.8 MPa要求。

圖7為基坑施工期間實景照片，可見從基坑開挖至基礎(chǔ)底板施工完成期間，圍護樁側(cè)壁干凈平整、無滲水，止水效果好。基坑開挖期間，坑內(nèi)水位降至基底以下1 m，坑內(nèi)降深約6 m，實測坑外水頭最大降深不足1 m，大部分時間在0值上下波動。考慮到天然水頭的周期性變化，由坑內(nèi)降水引起的坑外水頭變化很小，CSM工法等厚度水泥土攪拌墻很好地發(fā)揮了隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系的作用，有效保護了周邊環(huán)境。

圖6 CSM工法攪拌墻現(xiàn)場取芯

圖7 基坑施工期間現(xiàn)場實景

6 結(jié)語

本項目基坑工程體量大、工期長、形狀不規(guī)則，緊鄰大量多層居民樓和市政管線，周邊環(huán)境保護要求高。開挖范圍內(nèi)存在深厚微承壓含水層，與贛江存在密切的水力聯(lián)系，水量豐富且側(cè)向補給迅速。因此在控制基坑開挖卸荷對周邊環(huán)境影響的同時，更要處理好長期抽降地下水對周邊環(huán)境的影響。實踐證明，在經(jīng)由試成墻調(diào)整施工參數(shù)，采取垂直度控制、入巖深度復(fù)核、接頭套接處理等措施后，CSM工法可以較好地適用于南昌地區(qū)，且成墻后上下均勻，質(zhì)量滿足設(shè)計要求，實測止水效果可靠，可以有效地解決類似復(fù)雜地層條件下深基坑工程中所面臨的封閉隔水問題，有效控制坑內(nèi)降水對環(huán)境的影響。

通過該項目的實踐過程也發(fā)現(xiàn)，雖然CSM工法等厚度水泥土攪拌墻對土層的適應(yīng)性較好，但為確保成墻的質(zhì)量，即使在已經(jīng)具備成功實施經(jīng)驗的地區(qū)，通過試成墻針對性地調(diào)整施工參數(shù)、改善施工工藝還是十分必要的。