地下水泥土连续钢墙技术研究与现场试验

▍摘 要

[摘要]本文研究了地下水泥土连续钢墙的设计要点、施工设备及配套机具、施工关键技术，分析了水泥土连续钢墙受力变形特性、设计计算方法、劲性钢构件种类、平面连接及节点连接形式等关键设计要求。介绍了可以实现低净空、高装配率及机械化操作施工的设备和机具。并结合工艺试验，总结了成墙施工、型钢连接与插入下放控制、现场泥浆参数控制等施工关键技术。本文关于介绍地下水泥土连续钢墙(NS-BOX工法)的相关研究结论可为本工法的推广应用提供基础，并为今后类似工程提供借鉴。

[关键词]地下水泥土连续钢墙；设计要求；设备机具；施工关键技术

▍0 引言

随着地下空间的发展，深基坑工程呈现出了深度深、规模大、限制条件多、要求变形小的趋势。一些市政基坑已经达到近60m深度，且深基坑多位于城市市区内，周围环境较为复杂，对深基坑支护工程提出更严格、更复杂的技术要求，不仅要确保支护结构的稳定，还必须满足变形控制的要求。

对于基坑深度小于20m的基坑，多采用的排桩支护。深度大于30m的基坑或周边环境保护要求较高的区域则多采用地下连续墙围护结构，地下连续墙施工速度慢、占地面积大、施工净高要求较高、造价高昂。考虑到基坑深度处在20~30m范围内时，采用排桩支护形式安全风险较大，而采用地下连续墙支护又不经济，因此基坑深度处在20~30m范围支护形式的选择较少，此外对于一些深基坑工程施工条件也越来越受限制，尤其对施工低净空要求越来越高，如处在机场、高压线、高架桥、高层建筑等附近，施工中需要严格限制施工机械的高度。因此需要寻找施工更为快捷、占地面积更小、能够满足低净空要求、经济适用且对环境影响小的基坑支护技术。

地下水泥土连续钢墙是在地下水泥土连续墙中内插劲性连续锁扣型钢，形成可以止水及受力的连续钢墙。地下水泥土连续钢墙工法特点包括

(1)相对于地下连续墙，水泥浆替代原地墙中的混凝土，型钢代替原地下连续墙中的钢筋笼，可避免的大量的钢筋笼焊接工作量，劳动力成本大大减低；

(2)内插锁扣型钢吊装重量轻便，施工占地小，施工安全风险小，可进行节段拼装，实现低净空作业；

(3)在水泥土墙里内插锁扣型钢，在水泥土和双层锁扣的组合作用下，实现了地下围护的三道止水体系，有效的确保了水泥土连续钢墙围护的止水效果；

(4)构件预制装配率及机械化施工率高，锁扣型钢均为节段高强连接，有效的保证了地下连续钢墙质量，对周边环境影响较小。该工法即符合地下空间开挖绿色施工发展，也为复杂环境区域的基坑工程(开挖深度20~30m)提供一种新的支护方案选择。

地下水泥土连续钢墙工法在国外类似的工艺为NS-BOX工法，该工法最早起源于德国，后广泛推广于日本。NS-BOX系统应用于地下围护是指采用NS-BOX一种两端有平行翼缘的钢材构件代替钢筋笼放入沟槽中，水泥土代替原钢筋混凝土地墙中的混凝土形成的一道连续的钢结构水泥土墙，具有施工便捷、对环境影响小等特点。

目前该工艺也成功应用于日本多个工程案例 (见表1)。到目前为止，在约60多项工程中，完成了面积超过了18万平方米的NS-BOX钢制地下连续墙的建设。

地下水泥土连续钢墙在我国尚无应用的先例，然而在等厚度水泥土搅拌墙施工领域，我国积累了很多技术储备。在基坑止水方面CSM、TRD等新型工法和设备不断涌现，满足了水泥土搅拌桩墙要求成墙深度深、成墙速度快、墙体强度高的技术需求，解决了施工50m~60m深基坑的截水帷幕和在N>50的土层中进行施工的难题。并在上海、南昌、天津、杭州、苏州、武汉、南京等地的二十余个基坑工程中得到成功应用。

地下水泥土连续钢墙的研发虽然在水泥土搅拌墙工艺基础上有一定技术储备，但国内尚未有地下水泥土连续钢墙具体实施案例。本文研究内容主要是地下水泥土连续钢墙的设计计算、施工工艺和配套设备机具方面的关键技术。

(1)地下水泥土连续钢墙设计关键技术

对于地下水泥土连续钢墙在设计理论方面，国内尚无完善的设计理论，关于其设计计算也没有一套成熟的方法可供参考。本文研究总结了地下水泥土连续钢墙受力特性、计算方法及劲性钢结构种类和性能、围护结构平面连接形式、连接节点设计等重要内容，为地下水泥土连续钢墙设计推广提供了理论基础。

(2)地下水泥土连续钢墙设备研发

对于地下水泥土连续钢墙在设备和机具方面，除了成槽设备具有一定的技术积累，其他设备国内尚无应用的先例，要实现高效率施工且满足低净空的要求，研发与工艺配套的装备机具是关键。本文介绍了一系列适应于地下水泥土连续钢墙成墙施工、型钢固定与导向、型钢下放配套组件、悬吊组件等配套机具和施工设备。

(3)地下水泥土连续钢墙施工关键技术对于地下水泥土连续钢墙在施工工艺方面，国内尚无相关案例，关于其施工流程、施工过程中需要重点控制的施工参数亦需要重点研究。地下水泥土连续钢墙不仅要考虑强度、止水防渗性能，还需考虑内插锁扣型钢施工的工艺要求。施工中内插型钢的连续性和垂直度直接关系到锁扣止水效果。通过机场联络线上海浦东站地下水泥土连续钢墙的工艺试验，总结了水泥土搅拌墙成墙、型钢连接与插放、泥浆参数控制等成套的施工工艺及施工流程，相关研究结论可为今后类似工程施工应用提供借鉴。

▍1 地下水泥土连续钢墙设计要点

1.1地下水泥土连续钢墙受力及变形特性地下水泥土连续钢墙中主要由钢结构承受弯矩和剪力。地下水泥土连续钢墙的受力机理和承载特性与柱列式型钢水泥土搅拌墙类似，连续锁扣型钢所承担的弯矩要远高于水泥土，连续锁扣型钢为水泥土连续钢墙结构中的主要抗弯构件，水泥土对弯矩的贡献则可以忽略不计。设计中通常不考虑水泥土的强度效应只考虑其止水防渗效果。墙体抗弯刚度只计算内插型钢的截面刚度。

当基坑开挖较浅且不设置支撑时，地下水泥土连续钢墙表现为悬臂式位移分布，向基坑方向水平位移，墙顶位移最大。随着基坑继续挖深，墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移。如果设置支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内突出，即抛物线型位移。对于围护结构墙趾进入硬土或风化岩层，其底部位移基本为零，当围护结构墙趾位于软土中且插入深度较小时，其墙趾变形呈“踢脚”形态且变形较大。

1.2地下水泥土连续钢墙设计计算

板式支护结构的设计计算方法，围护结构受力计算通常是按水泥土里的劲性钢结构的设计方法来设计。水泥土连续钢墙结构中，连续锁扣型钢两端翼缘端部间的型钢和水泥土交界面为最弱剪切面，应对该处进行局部抗剪计算(见下图2)。还应对锁扣型钢的抗弯、抗剪承载力进行验算。当型钢需要接长时，应对连接接头的抗弯和抗剪承载力进行验算。

在对地下水泥土连续钢墙进行支护结构的内力、变形和各项稳定性计算时，支护结构的计算深度应取型钢的插入深度，型钢端部以下水泥土不计。水泥土墙的深度除需满足型钢的插入要求外，还应满足基坑的抗渗流稳定性要求。

1.3地下水泥土连续钢墙设计构造

地下水泥土连续钢墙的垂直度偏差不应大于1/500。水泥土墙的厚度和深度应满足锁扣型钢的插入要求，墙体厚度宜比锁扣型钢高度大100mm，墙体深度宜比锁扣型钢的插入深度深0.5m~1.0m。由于水泥土连续钢墙主要受力构件是内插劲性钢构件，因此钢构件的设计十分重要，钢构件的设计构造和节点连接要求如下。

(1)地下水泥土连续钢墙劲性钢构件结构种类和性能

地下水泥土连续钢墙的主要构件是一种箱式钢结构，根据地下连续钢墙的厚度和承受外荷载能力的不同以及制造方法的差异可以把劲性钢构件分成几种，即:BX、BH、GH-R和BH-H等形式(见表2)。

GH—R构件又可分为2种结构形式：标准型和双销型(见图3)。后者用的插销式为了加固地下连续钢墙接头处的横向刚度。

(2)地下水泥土连续钢墙围护结构平面连接形式结合基坑规模和要求，地下水泥土连续钢墙可采用一字型和圆形(见图4)的平面布置形式。圆形基坑连续钢墙布置和标准一字型不同。由于圆弧角度，锁扣连接不能直接闭合，为此可在型钢锁扣之间增设钢板进行封闭止水。

(3)地下水泥土连续钢墙锁扣连接节点设计锁扣型钢的连接设计主要考虑止水效果、方便插入、连接约束作用等方面。锁扣型钢接头由C型锁扣和T型接头构成[见图5(a)]，咬合接头连接后示意图见图5(b)。

(4)地下水泥土连续钢墙竖向连接节点设计

随着基坑开挖工况的变化，地下连续钢墙的竖向受力也是变化的。为保证围护结构的承载能

力和安全性，需按等强连接原则设计型钢竖向连接。锁扣型钢竖向高强螺栓连接形式见图6。

(5)地下水泥土连续钢墙围护与结构连接节点设计

当采用叠合墙时，主体结构与水泥土地下连续钢墙之间的连接，可根据节点处的弯矩、剪力和构造要求来设计。围护和主体连接节点主要可采用焊接连接和套筒连接(见图7)。

▍2 地下水泥土连续钢墙配套设备和机具

为了提高锁扣型钢插放施工效率及接头连接质量，研发了适用于锁扣型钢定位导向、连续下放、悬吊搁置等配套机具。通过在上海浦东机场站试槽段试验施工，检验了配套机具的适用性，实现了连续锁扣型钢插放的机械化施工、高精度的定位及垂直度控制。

(1)成墙设备

地下水泥土连续钢墙成墙主要设备为锯链式 (TRD)设备(见图8)和铣削式(CSM)设备(见图9)。渠式切割水泥土搅拌墙(TRD)是通过将锯链式切割箱横向移动、链条刀具上下循环转动，刀头对土体进行切割成槽，同时在槽段内进行水泥浆液与切割土体的混合与搅拌，形成的连续的等厚度水泥土搅拌墙；铣削深搅水泥土搅拌墙是(CSM)在钻具底端配置马达驱动的铣轮，铣轮以水平轴向旋转搅拌方式，铣头经由导杆或钢丝绳悬挂与特制机架连接，当铣轮旋转深入地层削掘与破坏土体时，强制性搅拌已松化的土体结合注入水泥、水，混合形成水泥土墙体。

(2)移动式操作导向架机具

为精确控制插放锁扣型钢的垂直度，设计研发一种可移动的操作导向架(见图10)。该配套设备集锁扣型钢下放安装操作平台及锁扣型钢垂直导向控制于一体。主要由下部移动操作平台车、下部垂直导轮、操作架身、上部垂直导向导轮架等几部分组成。现场实施可通过调节导轮组件的进退进行型钢的垂直度控制。

(3)下放配套组件

锁扣型钢下放前，需在型钢雌头内放置好芯管，防止型钢插放时雌头内进入硬物或被泥浆灌

入硬化固结导致雌头失效。此外，为防止型钢止口在铣槽机工作时被铣削破坏，可采用带防护板芯管组件填充雌头圆筒内。

(4)悬吊组件

搁置吊梁组件由吊钩、搁置可调螺母、搁置槽钢、吊板等组成(见图12)。锁扣型钢组插放完毕后，将型钢固定在导梁上，待槽段内水泥土强度达到要求后，再拆除吊杆及吊梁。

(5)首根锁扣型钢斜撑调整固定装置

水泥土连续钢墙首根锁扣型钢的调整固定装置见图13，包括转轴固定底座、转轴、斜撑杆、首根型钢专用顶节段，通过首根锁口型钢专用顶节段对首根型钢的垂直度进行调整，并予以固定。

▍3 地下水泥土连续钢墙施工要点

3.1地下水泥土连续钢墙成墙施工流程

通过现场工艺试验结合室内试验，对成墙泥浆参数控制，水泥土墙成墙工艺，锁扣型钢插放控制等核心关键技术进行研究总结，形成一套地下水泥土连续钢墙施工技术，其施工流程见下图14。

3.2地下水泥土连续钢墙成墙施工关键技术

浆液参数控制、水泥土墙施工、锁扣型钢的连接与插放是地下水泥土连续钢墙施工关键技术。膨润土浆液和水泥浆液参数的合理控制可以保证后续锁扣型钢的顺利插入。水泥土土墙成墙质量、锁扣型钢的安装质量和垂直度直接关系到了水泥土连续钢墙围护的止水效果及承载能力。

(1)新拌制浆液参数控制

前期准备需要进行新鲜泥浆拌制，新拌制浆液包括膨润土浆液和水泥浆液。膨胀水化的时间对膨润土泥浆性能存在影响，为充分发挥膨润土泥浆的作用，施工前需对膨润土浆液进行提前搅拌发酵24小时，发酵后膨润土浆液比重宜控制在1.02~1.04，粘度宜控制在30~32s，膨润土浆液指标见表3。水泥浆液拌制宜控制水灰比1.5~2.0，对应比重1.35~1.28，水泥浆液具体指标见表4。

(2)水泥土墙成墙施工控制要点

1)水泥土墙施工顺序可采用顺槽式，相邻两幅之间的施工间隔时间不宜过长，二期墙体的施工应在一期墙体终凝之前完成。成槽单幅幅宽宜为2.8m，槽段搭接宽度宜控制在200~300mm。

2)地下水泥土连续钢墙成墙施工采用“两铣三喷(两次铣槽三次喷浆)”成墙模式，并采用“双浆液模式”下成墙及泥浆参数控制方法，保证水泥土墙成墙均匀性及锁扣型钢自重作用下的插入。

水泥土连续钢墙两铣三喷成墙及双浆液模式泥浆参数控制方法：

①第1铣对于粘性土区域采用喷水原土造浆，下沉进尺搅拌速度150mm/min~250mm/min；对于砂性土至槽底区域，为保证成槽后泥浆的均匀及砂粒的悬浮，铣削下沉同时注入5%~7%的新鲜膨润土泥浆，下沉进尺搅拌速度控制100mm/min~200mm/min。

②第1次铣削到底后进行提升，考虑施工功效，第1次提升采取快速提斗带浆搅拌提升，上提速度控制在5~6m/min。

③第2次铣槽自地面至槽段底部全断面喷射注入5~7%新鲜膨润土浆(正常喷浆)，下沉进尺搅拌速度150mm/min~350mm/min。

④第2次铣槽至底部后开始提升搅拌喷射水泥浆，提升成墙搅拌时，水泥浆液流量宜控制在250L/min~400L/min，提升速度应与流量相匹配。

(3)锁扣型钢插入与连接控制要点

1)锁扣型钢宜在水泥土墙成墙搅拌完成2h内插入，插入前应检查其平整度、套箍、端头板和接头质量。

2)锁扣型钢的插入应采用牢固的定位导向

架，在插入过程中应采取措施保证锁扣型钢垂直度和防止滑落。锁扣型钢插入到位后应用悬挂构件控制锁扣型钢顶标高，并采用高强螺栓与已插好的锁扣型钢牢固连接。

3)高强螺栓的接头应从螺栓群中间顺序向外侧进行紧固，螺栓群紧固顺序为先翼板后腹板，应由内向外顺序进行。

▍4 试验情况介绍

4.1试验场地及地质情况

为研究地下水泥土连续钢墙现场实际施工工艺及效果，结合在建机场联络线上海浦东机场站项目，在机场联络线上海浦东机场站III区临近封堵墙位置30m范围槽段内，先后进行6组地下水泥土连续钢墙现场工艺试验，成槽深度从50m到75m，试验场地布置见图15。

本工程最大钻探深度为85m。本工程场地临近东海，主要为软土及砂性土层，地表以下40m至钻探底标高近45m范围(未见底)都为⑦2层砂性土层，且含承压水。试验点位地质剖面见图16。

4.2试验参数

首先依据工程经验及水泥浆液配比小样室内试

验，初步确定现场水泥浆液配比。然后进行水泥土连续钢墙试验，根据现场试验反馈情况再不断调整相应参数，试验主要控制参数指标为：水、水灰比、膨润土掺量等，现场试验通过调整这几个重要参数指标从而得出最优参数组合。进行的6组试验参数如下表5。

4.3试验效果

G1成槽深度75m，采用一次铣槽2次喷浆的成槽模式，最终成槽槽段泥浆比重为1.60，型钢自重作用下仅仅插入26m。在G1成槽基础上，原位进行G2铣槽搅拌，型钢累计插入3根半(约46m)。G3成槽深度75m，采用2次铣槽4次喷浆的成槽模式，最终成槽槽段泥浆比重为1.35，型钢自重作用可插入50m。G4~G6成墙深度分别为65m、65m、50m。G4试验型钢插入36m，G5试验型钢插入48m，G6试验型钢插入48m。试验效果最好的是G5及G6，G5试验中型钢达到了48m自重下放的效果并横向连续下放3根，实现了锁扣连续连接。

结合本次试验锁扣型钢插入深度的试验效果，对成槽后的泥浆水泥掺量，水灰比，水泥浆比重，膨润土泥浆掺量进行对比，得到槽段泥浆最优参数组合见表6。

▍5 总结与展望

本文总结了地下水泥土连续钢墙设计计算、配套机具设备、施工工艺等方面的关键技术。为地下水泥土连续钢墙推广应用提供了一定的理论基础。同时通过机场联络线上海浦东机场站地下水泥土连续钢墙的工艺试验，检验了地下水泥土连续钢墙的施工工艺流程及施工效果，可为今后类似工程施工提供参考。

地下水泥土连续钢墙在闹市区复杂环境下施工优势明显，适用于地下车站、地下车库、地下道路等地下工程的基坑围护结构。尤其在施工场地狭小，净空受限等特殊复杂环境下。该工法安装方便，材料成本低，经济性较高。

地下水泥土连续钢墙施工过程中废弃浆液少，施工过程对环境影响较小，符合绿色施工发展的大趋势。随着对地下水泥土连续钢墙的深入研究，未来可以考虑内插锁扣型钢的回收，以进一步降低成本。

来源：《第四届全国岩⼟⼯程施⼯技术与装备创新论坛论⽂集》