不均勻軟土地質中槽壁加固關鍵技術研究

蘇小龍

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040)

0 引言

隨著《長江干線過江通道布局規劃(2020—2035年)》的發布，在新的建設現代化經濟體系、推動長江經濟帶高質量發展的重要時期，堅持共抓大保護、不搞大開發，堅定不移走生態優先、綠色發展之路，對過江通道布局提出新的更高要求。在產業密集和港航活動繁忙地區主要推薦采用一孔跨過通航水域的橋梁形式過江。南京及其下游地區江面開闊，航運繁忙，這為超大跨徑橋梁的推廣提供了極其有利的基礎條件。

1 工程概況

南京仙新路過江通道距上游南京長江二橋約5.9km，距下游南京四橋約4.3km。主線按城市快速路標準建設，采用雙向6車道，設計車速80km/h。跨江大橋主橋為主跨1 760m的單跨門形塔整體鋼箱梁懸索橋，主跨跨度位居中國第一，世界第三。主橋跨度布置為580m+1 760m+580m，矢跨比1/9(見圖1)。大橋南塔、南錨碇均位于小漓江生態公園內。南錨碇采用地下連續墻基礎，外徑65m，錨碇基坑開挖深度59.0m，為同類型基坑開挖深度之最。地下連續墻內側設置環形剛性混凝土內襯，內襯厚度在1.0～2.5m變化(見圖2)。

圖1 主橋橋型布置(單位：m)

圖2 錨碇地質縱斷面展開(單位：cm)

2 主要建設條件

2.1 水文及地質條件

錨碇場區內存溝塘，水位主要受大氣降水影響。錨碇處原為深槽，后施工棄土回填，淤積厚度不等的淤泥質粉質黏土、流塑～軟塑粉質黏土、粉土等，地形起伏較大。據鉆孔揭示及區域地質資料，南錨碇覆蓋層主要為全新統人工填土及軟土，厚 53～59m， 根據淤積厚度，錨碇區域分A，B區，其中B區厚度較深，下伏基巖為礫巖。南錨碇以中、微風化礫巖為基礎持力層(見表1)。

表1 土層物理力學性質

2.2 地下連續墻設計參數

地下連續墻采用水下C35混凝土，結構深度根據錨區地質情況分為2種，即A區段地下連續墻(深60m)和B區段地下連續墻(深63m)，厚1.5m；共劃分48個槽段，Ⅰ，Ⅱ期槽段各24個。Ⅰ期槽段長5.512m，三銑成槽；Ⅱ期槽段長2.8m，一銑成槽。Ⅰ，Ⅱ期槽段間采用銑接法搭接0.25m(見圖3)。

圖3 地下連續墻槽段結構

3 槽壁加固工藝選定

3.1 工法比較

根據原施工圖設計，地下連續墻槽壁加固采用φ800@600三重管高壓旋噴樁(以下簡稱“旋噴樁”)，共計666根。加固深度穿透淤泥質粉質黏土層，平均長48m。樁位偏差≤50mm，樁身垂直度允許誤差≤1/300。地下連續墻的槽壁加固要求有很高的施工精度，南京四橋、虎門二橋及深中通道均使用三軸攪拌樁作為槽壁加工方式，但加固深度均在20m以內。

對目前基建行業內的地基加固工藝進行調研，結合以往施工項目經驗，將超深三軸攪拌樁及CSM工藝與原設計的旋噴樁工藝進行工藝綜合評價，如表2所示。

表2 超深加固工藝綜合評價

根據經驗數據，φ800旋噴樁正常成樁的加固范圍在0.9～1.2m，旋噴樁的加固范圍主要由施工過程中的水壓、漿壓、氣壓決定，深層旋噴樁成樁效果在層厚不均勻、地質特征變化較大時易導致各土層成樁截面不一致，無法確定最終的加固效果。根據進一步的專業咨詢，>40m的加固深度時，旋噴樁成樁的垂直度難以保證，且無有效糾偏措施。

現有施工設備中，超深三軸攪拌樁有成功案例的最大加固深度為45m，但此種攪拌鉆機機身接近60m高度，施工風險較大。三軸攪拌樁在40m深度內能保證有較好的加固效果，且加固效果優于旋噴樁，但>40m時，工后形成的墻體質量不可控。

CSM工法墻采用雙輪銑削成槽工藝，加固范圍均勻，槽形規則，液壓銑削形成矩形槽段，環形加固墻體相鄰槽段可通過搭接實現。銑輪可跟蹤糾偏，墻體傾斜度控制精度高，墻體壁面平整。成墻偏差：墻中心偏位≤20mm，墻體垂直度偏差≤1/300墻深。設備成樁深度大，大于常規設備：已知有工程實例的最大加固深度達55m。設備的自動化程度高，觸摸屏控制系統，各功能部位設置大量傳感器，信息化系統控制，施工過程中實時控制施工質量。

通過施工質量、施工工效及文明施工等方面的綜合對比，雖然旋噴樁及超深三軸攪拌樁在造價方面遠低于CSM工法墻，但其成樁(墻)能力不足、傾斜度控制不佳且加固質量無法保證，為盡可能減小地下連續墻施工風險，提高基坑開挖期間安全系數，本項目最終選定CSM工法墻作為槽壁加固方式。

3.2 仿真計算分析

分析采用CSM工法將槽壁加固至48m深度時槽壁的變形與穩定性，以及在施工荷載作用時槽壁的變形與穩定性。

以地質勘察最不利地層作為計算依據。CSM加固區力學參數參考經驗值，取值如下：壓縮模量Es=50MPa，黏聚力c=100kPa，內摩擦角φ=30°。泥漿相對密度選擇為1.08。其他數據選擇地質勘察推薦值。

3.2.1計算工況與數值模型

最不利工況：BC40銑槽機作業(對比280t履帶式起重機吊裝110t鋼筋籠工作工況，選最不利)。

BC40銑槽機作業時，接觸面積為1m×6m(見圖4a)，按上述工況建立三維模型。

圖4 CSM工法驗算及施工設備布置

3.2.2計算結果

1)工況1 未施加荷載，如圖5所示。

圖5 工況1下槽壁加固后水平變形云圖

未施加荷載時，對于1號地質剖面而言，槽壁水平位移約23mm；對于2號地質剖面而言，槽壁水平位移約18mm。評估槽壁水平位移18～23mm。

2)工況2 BC40銑槽機作業，如圖6所示。

圖6 工況2下槽壁加固后水平變形云圖

BC40銑槽機作業施加在槽壁附近時，對于1號地質剖面而言，槽壁水平位移約32mm；對于2號地質剖面而言，槽壁水平位移約36mm(BC40銑槽機對槽壁影響要大于SCC2800C履帶式起重機的影響)。

3.2.3計算結果匯總(見表3)

表3 計算結果統計

可看出槽壁的位移較小，最不利時約為36mm，槽壁較穩定。

3.3 CSM節段劃分

采用CSM工法墻，槽壁加固單幅墻尺寸2.8m×0.7m，墻體穿過淤泥質粉質黏土，平均樁長48m。CSM工法墻在地下連續墻內側共計75幅，幅間搭接長度23.74cm；外側共計80幅，幅間搭接長度21.69cm，總計155幅；內、外側CSM工法墻與地下連續墻間預留5cm間隙。

4 CSM施工及控制

4.1 工藝流程

場地清理→安裝調試、檢測→開溝鋪板→移機就位→銑削攪拌下沉→提升噴漿攪拌成墻→移動設備施工下槽段。

4.2 施工參數

下沉速度：深度在25m以內時為0.8m/min，>25m時為0.6m/min。提升速度為0.6m/min。采用 P·O42.5 水泥，水泥摻量22%；提升時噴漿60%～70%。

4.3 管控要點

4.3.1施工順序

本項目采用1臺金泰SC60設備施工。現場采用“一噴一攪”模式，即銑頭在削掘下沉過程中噴射注入膨潤土漿，提升時噴射注入水泥漿液并攪拌1次。結合總體施工安排及現場工序開展需要，CSM的成墻順序為：順槽施工，先外圈后內圈。

根據原位試驗情況，工法墻可達到3幅/d的施工速度，因錨碇處地質狀況不佳，采用順槽施工，一方面可避免設備跳槽施工時頻繁移動造成的墻體局部擾動，墻體搭接效果更好，保證墻體質量，也便于施工設備穩定；另一方面作業面成片展開，為后續導墻分段施工提供了有利的先決條件。

4.3.2場地準備

場地準備在CSM工法的實施過程中極為關鍵，銑頭具備常規土質切削能力，但若地層中夾孤石等，將大大增加施工難度。在本項目中，局部區段內因雜填土中含混凝土塊，導致設備銑頭損壞，最后通過長臂挖掘機將雜填區段預挖5m溝槽并回填后方順利完成攪拌墻施工。

4.3.3垂直度

對于垂直度的控制，一方面在垂直2方向各設1臺監控全鉆儀，實時人工觀測監測；另一方面同時以設備儀表的數據作為參考，適時調整垂直度。

設備安裝完成后，先用水準儀及水平尺調整機器的水平，后用經緯儀從2個方向調整鉆桿的垂直度，調整完畢后，將控制器置零。在鉆進過程中由設備銑頭及鉆桿內的垂直度控制儀自動成像傳輸至駕駛室的監控屏，適時控制調整。移機過程中，從2個方向抽查鉆桿垂直度。

4.3.4下鉆、提鉆、注漿

本項目采用雙漿液注漿，注漿護壁進行銑削下鉆，以防塌孔。注漿下鉆攪拌時速度不宜過快，宜≤0.8m/min， 以確保水泥土攪拌均勻，下鉆水灰比應符合設計要求，隨時檢查桅桿垂直度，結合地質勘察報告根據實際進尺速度、設備壓力表值及設備抖動情況確定各地層深度，并調整注漿量，確保各地層注漿量滿足理論土層水泥摻量要求。當雙輪銑鉆至設計深度時提鉆，提鉆噴漿時提鉆水灰比應符合設計要求，機頭提升速度應≤0.6m/min，確保水泥土攪拌均勻，成墻有效。

4.3.5殘土處理

雙輪銑提鉆階段時銑頭2組銑輪向內側旋轉，只噴射水泥漿形成水泥土墻體。鉆進過程中會置換出來一部分水泥殘土，應及時用挖掘機將槽內殘土挖出，集中堆放，待固結后外運處理。

4.3.6強度驗證

目前，針對CSM工法墻暫無施行的規范、技術規程及標準，但該工藝是以傳統的水泥土攪拌墻工藝為基礎，結合了當前雙輪銑削工藝。其工藝本質依然是水泥土攪拌墻工藝。

近些年該工藝在房建、市政基礎工程中得到應用，其工藝標準多參考JGJ/T 199—2010《型鋼水泥土攪拌墻技術規程》及GB 50202—2018《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》。

對于墻體強度的檢驗方法，參照上述規范，每槽段制件數量≥8組，待齡期達7d后進行強度驗證，并留有余樣進行28d強度驗證。實測28d強度平均值為1.06MPa。由于水泥土墻深度較大，難以在墻底取芯檢測水泥土墻強度，但從實施過程及后續錨碇基坑開挖時對地下連續墻內側的槽壁加固墻體開挖效果看，水泥土墻的強度達到了預期要求。

5 基于CSM的地下連續墻施工優勢

5.1 工期縮短

槽壁加固作為地下連續墻施工的前置工序，其能否順利實施及實施效果都直接影響地下連續墻的各項子工序開展，包括泥漿處理系統布置、導墻及外圍施工平臺等。原計劃采用旋噴樁工期為120d，在工藝變更后，實際工期壓縮至48d，提前72d。此外，CMS工法墻施工場地相較于旋噴樁環保效果良好。主要體現在錨碇環形區域內部的后期處理極為便利，大幅度避免了在旋噴樁施工完成后整個區域的場地清理及硬化等作業，實現了后置工序的提前插入。

5.2 引導效果佳

銑槽機通過雙輪銑頭上的糾偏板實現成槽過程中的傾斜率控制。在本項目實施的地下連續墻，傾斜率均控制在1/500以內，這一點在錨碇基礎開挖過程中得以驗證，地下連續墻墻體“劈叉”現象較少，且偏差小。一方面得益于CSM的高精度成墻質量，為地下連續墻的傾斜率控制提供了有利基礎；另一方面，CSM成墻的均勻性也使雙輪銑的糾偏板有可靠的“著力點”。

5.3 地下連續墻槽段長度加長

原Ⅰ期槽段寬度為5.512m，在基于CSM工法的槽壁加固情況下，完成地下連續墻前3個槽段施工后，結合首槽施工的傾斜度、擴孔率及地下連續墻成墻過程的綜合評價，對后續一期槽段寬度予以調整，槽段徑向長度加長80cm，槽段總數由48幅調整為44幅，區域劃分總體遵循原劃分線(見圖3a)，同一區段內地下連續墻深度不變。在保證地下連續墻達到設計要求的情況下，通過減少槽段數量進而減少豎向接縫，進一步提升了地下連續墻的整體性及止水性。

6 結語

CSM工法已是一種很成熟的工藝，發達國家在積極推廣該工藝的應用。而在國內，CSM工法墻作為防滲墻和擋土墻均有一定數量的成功案例，取得了良好效果。但CSM工法作為地下連續墻錨碇的槽壁加固工藝，在仙新路過江通道南錨碇施工中的應用在橋梁領域尚屬首次。

對比傳統三軸攪拌樁及旋噴樁，CSM工法通過墻體尺寸的增加將槽段接頭數量減少了一半以上，此外還有優異的成墻垂直度控制、精確的水泥拌入量、可靠的成墻質量。就本項目所使用的CSM工法及其在地下連續墻施工及基坑開挖時的表現狀況，筆者認為CSM工法墻所需的水泥量在本項目所使用的水泥摻量基礎上可減少30%。

CSM工法高度結合了雙輪銑的機械性和傳統的水泥土改良技術，使得工法墻能達到更大的施工深度、更均勻可靠的墻體質量并具備了在困難地層中施工的能力。此外，該工法具備內插H型鋼條件，也可實現中等深度軟土地層下的“強支護”結構與止水結構的集成。隨著CSM工法理論日趨完善和施工工藝標新立異，CSM工法大深度高質量成墻的能力將在超大跨度橋梁基礎領域發揮更大作用。