基于雙輪銑的超深水泥土攪拌墻施工試驗(yàn)研究

荀為卓

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

0 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，對于地下空間的需求在不斷增加，地下空間向超深、超大的方向發(fā)展成為主流趨勢。深大地下空間開發(fā)的前提和關(guān)鍵在于深大基坑的建造，深大基坑施工將不得不面對地質(zhì)條件、水土壓力分布復(fù)雜、深部砂層動水壓力強(qiáng)，施工難度大、危險(xiǎn)性較大等系列技術(shù)問題。在城市核心區(qū)進(jìn)行基坑施工還得加強(qiáng)對周邊環(huán)境的保護(hù)，主要在于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的位移傳播，從而減小對周圍環(huán)境的影響。影響基坑施工安全的最重要一個(gè)階段是開挖階段，開挖過程中，基坑有效的止水措施是影響基坑安全最為重要的因素，但大部分地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，有的止水要求達(dá)到80 m或更深的深度，有的則需穿過砂層進(jìn)入巖層，還有的需要在有限的空間內(nèi)完成擋土和止水，亟待研究開發(fā)新型深層土體止水、加固施工技術(shù)。目前國內(nèi)深層土體止水、加固施工方式以垂直旋轉(zhuǎn)攪拌拌合方式居多，一般是形成圓柱體形水泥土樁，通過互相搭接而形成水泥土樁連續(xù)體。雙輪銑水泥土深層攪拌施工技術(shù)(簡稱CSM工法)是通過將深層攪拌技術(shù)[1]與液壓銑槽機(jī)有機(jī)結(jié)合而創(chuàng)新開發(fā)的一種新型的地下止水、擋土連續(xù)墻體施工方法，其適應(yīng)地層廣泛，成墻深度大，減少了搭接、節(jié)約了材料和工期，置換土大大減少，對促進(jìn)深層加固技術(shù)突破和高效綠色環(huán)保施工大有裨益。

1 CSM工法試驗(yàn)概況

試驗(yàn)背景工程上海徐家匯中心虹橋路地塊位于徐家匯繁華地段，北臨規(guī)劃四路、南臨虹橋路、東臨恭城路、西臨宜山路。工程共分為16個(gè)基坑開挖，開挖深度為10 m～33 m，基坑開挖總面積約52 000 m2。在該工程4-16區(qū)內(nèi)及4-11區(qū)外側(cè)設(shè)計(jì)采用CSM工法墻進(jìn)行加固[2]，共計(jì)49幅CSM工法墻，墻體厚度1.0 m，墻體寬度2.8 m，墻深75 m，以套銑方式進(jìn)行接頭搭接30 cm，沿地下連續(xù)墻邊線外2 m布置。CSM工法墻施工區(qū)域典型的地質(zhì)條件如圖1所示。

由于這是首次在軟土復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行75 m超深CSM工法墻施工，無先例可循。因此，在正式進(jìn)行CSM工法墻施工前，先行施工三幅原位成墻試驗(yàn)，以為后期施工提供技術(shù)參數(shù)。試成墻數(shù)量3幅，試驗(yàn)成墻深度大于75 m，計(jì)劃成墻深度80 m，成墻厚度為1 m，成墻寬度為每幅CSM工法寬度2 800 mm，搭接寬度300 mm。試驗(yàn)控制參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)控制參數(shù)

本次試驗(yàn)的主要目的為：1)檢驗(yàn)機(jī)械設(shè)備的成墻施工能力；2)研究施工工藝工序和垂直度等關(guān)鍵參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)；3)研究成墻施工過程對環(huán)境的影響程度；4)研究攪拌成墻后墻體質(zhì)量。

2 CSM工法施工技術(shù)

2.1 工藝流程

CSM工法墻(CSM Cutter Soil Mixing)源于德國寶峨所生產(chǎn)的雙輪銑銑削攪拌技術(shù)，通過對將地下原位土體和水泥漿進(jìn)行銑削攪拌而形成可用于止水、擋土、加固等領(lǐng)域等厚度連續(xù)墻體，其對地層的適應(yīng)性相較其他深層攪拌技術(shù)更高。其工藝流程如圖2所示。

CSM工法墻和套銑工藝的地下連續(xù)墻一樣，分為一期槽段墻和二期槽段墻。如圖3所示，“P”為一期槽段墻，“S”為二期槽段墻。一期槽段墻先行施工，在已施工完成達(dá)到一定硬度后的兩幅一期槽段墻中間進(jìn)行二期槽段墻套銑施工，這種施工方法也通常稱其為“硬銑工法”。本次試驗(yàn)成墻施工亦采用“硬銑工法”。

2.2 銑削漿液準(zhǔn)備與配制

2.2.1 下鉆施工銑削漿液

在下鉆的過程中通常采用膨潤土泥漿或者水，這取決于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件。對于黏性土，通常采用水；對于低黏性土或者非黏性土，采用膨潤土泥漿。膨潤土的用量取決于地層中粉粒成分、黏粒成分及膨潤土自身的品質(zhì)，膨潤土的用量需足夠多以保證土體顆粒與漿液攪拌混合后的穩(wěn)定性。穩(wěn)定則意味著攪拌頭上部的石子和砂顆粒不至于大量沉淀并且阻礙攪拌頭的提升[3]。

2.2.2 提升施工銑削漿液

用于CSM墻施工通常所采用的漿液組成包含：水泥、膨潤土和水。也可以根據(jù)需要適當(dāng)加入一些添加劑，如：粉煤灰、緩凝劑等。水泥一般采用普通硅酸鹽水泥。添加劑主要有液化劑、穩(wěn)定劑、緩凝劑等，用于改善泥漿的性能。

2.2.3 配合比設(shè)計(jì)及液化土體的漿液

根據(jù)在類似地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的CSM墻28 d強(qiáng)度為最小1.2 MPa，推薦在需要處理的地層中，采用水泥摻入量(25%)和水灰比1.2～1.5。在黏性土中切削，下鉆時(shí)可以采用水替代膨潤土泥漿，但在砂性土中，應(yīng)采用膨潤土泥漿。上海砂性土中所采用的膨潤土泥漿的配比為5%，即約50 kg膨潤土配1 m3水。在向下銑削施工過程中，注入水或者膨潤土泥漿來液化土體，其流量約為0.6 m3/m3～1 m3/m3[4]。

2.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 施工準(zhǔn)備

1)施工場地清除障礙物，平整并壓實(shí)，作業(yè)面大于11 m。當(dāng)?shù)乇沓休d力不足時(shí)，應(yīng)采取必要措施防止機(jī)械失穩(wěn)，備足施工用相關(guān)材料。

2)施工前，先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和業(yè)主提供的坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，精確計(jì)算出雙輪銑削等厚水泥土攪拌墻中心線坐標(biāo)并放樣，進(jìn)行坐標(biāo)復(fù)核，并做好護(hù)樁，通知相關(guān)單位進(jìn)行測量放線復(fù)核。

3)接通水、電、氣，機(jī)械設(shè)備就位，安裝制漿、注漿和制氣設(shè)備，并運(yùn)轉(zhuǎn)試車。

4)開挖儲漿池或儲漿溝，以解決施工過程中的余漿儲放和回漿補(bǔ)給。

2.3.2 移機(jī)定位

移位要做到安全、平穩(wěn)。設(shè)備到達(dá)作業(yè)位置后，雙輪銑銑輪與槽段中心位置對正，調(diào)整機(jī)械設(shè)備垂直度達(dá)到1/500以內(nèi)。2臺經(jīng)緯儀對X，Y兩個(gè)方向進(jìn)行校正，平面允許偏差為±20 mm。

2.3.3 水泥漿制備

固化液拌制采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比擬定1.2～1.5，亦即每1 000 kg水泥，加水1 200 kg～1 500 kg制備漿液。每立方米被攪拌土體摻入18%～25%的水泥，具體根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。

2.3.4 雙輪銑下沉、提升攪拌

銑輪下沉注水或膨潤土切銑原位土體至設(shè)計(jì)深度，下沉速度控制在5 m/h內(nèi)，主機(jī)內(nèi)操作人員根據(jù)顯示屏上操作系統(tǒng)，控制X，Y方向垂直度(見圖4)，垂直度控制在1/500內(nèi)。至設(shè)計(jì)深度后，銑輪提升并同步注水泥漿液，攪拌成墻，提升速度控制在10 m/h。對砂質(zhì)土層進(jìn)行攪拌，重復(fù)噴漿范圍為底部2 m～3 m。銑輪下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，繼續(xù)噴漿攪拌5 min以上，確保漿液與土體拌合均勻，然后反向轉(zhuǎn)動銑輪，提升至墻頂設(shè)計(jì)標(biāo)高。施工過程注入漿液應(yīng)連續(xù)，不得間斷。

3 試驗(yàn)成墻效果檢驗(yàn)

在背景工程徐家匯中心虹橋路地塊項(xiàng)目上進(jìn)行深度達(dá)80 m的CSM工法墻試驗(yàn)，根據(jù)周圍環(huán)境、地質(zhì)及水土條件、試驗(yàn)本身的特點(diǎn)及相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，遵照安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則，按照設(shè)計(jì)要求布孔埋設(shè)了若干監(jiān)測儀器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采樣分析。主要檢驗(yàn)以下幾點(diǎn)：

1)通過監(jiān)測來揭示CSM工法成墻施工過程中環(huán)境和地層的變形發(fā)展程度。

2)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，判斷CSM施工工藝和施工參數(shù)是否符合既定要求。

3)檢測CSM墻體抗壓強(qiáng)度及滲透性。

采樣和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，限于論文篇幅，本文此處僅闡述監(jiān)測、檢測分析結(jié)果。

3.1 施工環(huán)境監(jiān)測

按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置監(jiān)測項(xiàng)目主要有：土體深層水平位移監(jiān)測、土體分層豎向位移監(jiān)測、地表豎向位移監(jiān)測。本次監(jiān)測工作開展是在CSM試成墻施工期間對周圍土體全方位多角度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出施工過程中對周圍土體的影響較小。總結(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)果：

1)深層土體水平位移表現(xiàn)為向成墻方向位移，水平位移量隨距離增大而減小。

2)從深層土體水平位移累計(jì)數(shù)據(jù)上看，T04孔最終位移1.5 mm，深度3.5 m，該孔距離成墻邊線15 m，而此次成墻深度80 m，估算施工對周邊環(huán)境影響范圍不超過0.2H(H為成墻深度)。

3)此次成墻深度80 m，土體深層位移測試深度30 m，距離成墻區(qū)域較近測孔監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，測試深度10 m以下土體均向成墻方向位移，且位移量差異不大；隨著距離成墻區(qū)域越遠(yuǎn)則表現(xiàn)為測孔上部土體向成墻方向位移。

4)從分層豎向位移測點(diǎn)的累計(jì)值上看，深度9 m～23 m測點(diǎn)表現(xiàn)為向下位移，23 m以下豎向位移變化不大。

3.2 施工質(zhì)量檢測

施工質(zhì)量檢測主要包含鉆孔取芯檢測(如圖5所示)和滲透性試驗(yàn)。鉆孔取芯檢測CSM墻14 d及28 d的抗壓強(qiáng)度性。室內(nèi)滲透性試驗(yàn)測定取芯試塊的滲透系數(shù)，原位滲透性試驗(yàn)測定墻體的滲透系數(shù)。總結(jié)檢測和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)果：

1)共計(jì)鉆取了6個(gè)孔進(jìn)行CSM墻體取芯檢測，除淺層局部芯樣有缺失外，總體芯樣完整性較高，說明該次試驗(yàn)成墻具有較好的均勻性。

2)對鉆取出的芯樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，顯示其抗壓強(qiáng)度在0.4 MPa～1.3 MPa之間。

3)進(jìn)行了系列滲透性試驗(yàn)，將其測試數(shù)據(jù)與地勘報(bào)告中的滲透系數(shù)比較，CSM攪拌墻的整體抗?jié)B性有一定提升，其中在砂性土土層抗?jié)B性提高更明顯。

4 結(jié)語

本文針對雙輪銑超深等厚度水泥土攪拌墻施工工法(CSM工法)在軟土深層復(fù)雜地質(zhì)條件下施工無先例問題，率先開展CSM工法成墻試驗(yàn)，在徐家匯中心項(xiàng)目虹橋路地塊項(xiàng)目上首獲工法試驗(yàn)成功。本次CSM工法墻試驗(yàn)，最大深度為80.03 m，垂直度達(dá)到1/500以上。本文對該試驗(yàn)進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述了CSM工法工藝流程、施工漿液準(zhǔn)備與配制和關(guān)鍵施工技術(shù)。同時(shí)結(jié)合監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)對周邊環(huán)境的影響以及墻體自身質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示CSM工法成墻施工過程中對周圍土體的影響較小，影響范圍不超過0.2H(H為成墻深度)，該次試驗(yàn)成墻具有較好的均勻性，整體抗?jié)B性有一定提升，其中在砂性土土層抗?jié)B性提高更明顯。本文CSM工法成墻試驗(yàn)的順利實(shí)施為后續(xù)的規(guī)模化施工提供了技術(shù)支撐，亦為以后類似工程提供了寶貴的可鑒經(jīng)驗(yàn)和可供參考的工程實(shí)例。