基于双轮铣的超深水泥土搅拌墙施工试验研究

摘要：针对双轮铣水泥土搅拌墙施工工法(CSM工法)在软土深层复杂地质条件下无先例问题，率先开展CSM工法试验，成墙最大深度80 m，垂直度达到1/500以上。试验成墙效果检验显示CSM工法成墙施工对周边环境影响较小，成墙均匀性较好，对各土层抗渗性亦有较大提升。CSM工法成墙试验的成功实施为后续的工程应用提供了技术支撑，同时也为以后类似工程提供了可供借鉴的经验。

关键词：双轮铣;深层搅拌;CSM工法;试验研究

随着城市建设的高速发展，对于地下空间的需求在不断增加，地下空间向超深、超大的方向发展成为主流趋势。深大地下空间开发的前提和关键在于深大基坑的建造，深大基坑施工将不得不面对地质条件、水土压力分布复杂、深部砂层动水压力强，施工难度大、危险性较大等系列技术问题。在城市核心区进行基坑施工还得加强对周边环境的保护，主要在于控制围护结构变形引起的位移传播，从而减小对周围环境的影响。影响基坑施工安全的最重要一个阶段是开挖阶段，开挖过程中，基坑有效的止水措施是影响基坑安全最为重要的因素，但大部分地区地质条件复杂，有的止水要求达到80 m或更深的深度，有的则需穿过砂层进入岩层，还有的需要在有限的空间内完成挡土和止水，亟待研究开发新型深层土体止水、加固施工技术。目前国内深层土体止水、加固施工方式以垂直旋转搅拌拌合方式居多，一般是形成圆柱体形水泥土桩，通过互相搭接而形成水泥土桩连续体。双轮铣水泥土深层搅拌施工技术(简称CSM工法)是通过将深层搅拌技术与液压铣槽机有机结合而创新开发的一种新型的地下止水、挡土连续墙体施工方法，其适应地层广泛，成墙深度大，减少了搭接、节约了材料和工期，置换土大大减少，对促进深层加固技术突破和高效绿色环保施工大有裨益。

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试验背景工程上海徐家汇中心虹桥路地块位于徐家汇繁华地段，北临规划四路、南临虹桥路、东临恭城路、西临宜山路。工程共分为16个基坑开挖，开挖深度为10 m～33 m，基坑开挖总面积约52 000 m2。在该工程4－16区内及4－11区外侧设计采用CSM工法墙进行加固，共计49幅CSM工法墙，墙体厚度1．0 m，墙体宽度2．8 m，墙深75 m，以套铣方式进行接头搭接30 cm，沿地下连续墙边线外2 m布置。CSM工法墙施工区域典型的地质条件如图1所示。

由于这是首次在软土复杂地质条件下进行75 m超深CSM工法墙施工，无先例可循。因此，在正式进行CSM工法墙施工前，先行施工三幅原位成墙试验，以为后期施工提供技术参数。试成墙数量3幅，试验成墙深度大于75 m，计划成墙深度80 m，成墙厚度为1 m，成墙宽度为每幅CSM工法宽度2 800 mm，搭接宽度300 mm。试验控制参数如表1所示。

本次试验的主要目的为:

1)检验机械设备的成墙施工能力;

2)研究施工工艺工序和垂直度等关键参数控制标准;

3)研究成墙施工过程对环境的影响程度;

4)研究搅拌成墙后墙体质量。

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2．1工艺流程

CSM工法墙(CSM Cutter Soil Mixing)源于德国宝峨所生产的双轮铣铣削搅拌技术，通过对将地下原位土体和水泥浆进行铣削搅拌而形成可用于止水、挡土、加固等领域等厚度连续墙体，其对地层的适应性相较其他深层搅拌技术更高。其工艺流程如图2所示。

CSM工法墙和套铣工艺的地下连续墙一样，分为一期槽段墙和二期槽段墙。如图3所示，“P”为一期槽段墙，“S”为二期槽段墙。一期槽段墙先行施工，在已施工完成达到一定硬度后的两幅一期槽段墙中间进行二期槽段墙套铣施工，这种施工方法也通常称其为“硬铣工法”。本次试验成墙施工亦采用“硬铣工法”。

2．2铣削浆液准备与配制

2．2．1下钻施工铣削浆液

在下钻的过程中通常采用膨润土泥浆或者水，这取决于当地的地质条件。对于黏性土，通常采用水;对于低黏性土或者非黏性土，采用膨润土泥浆。膨润土的用量取决于地层中粉粒成分、黏粒成分及膨润土自身的品质，膨润土的用量需足够多以保证土体颗粒与浆液搅拌混合后的稳定

性。稳定则意味着搅拌头上部的石子和砂颗粒不至于大量沉淀并且阻碍搅拌头的提升。

2．2．2提升施工铣削浆液

用于CSM墙施工通常所采用的浆液组成包含:水泥、膨润土和水。也可以根据需要适当加入一些添加剂，如:粉煤灰、缓凝剂等。水泥一般采用普通硅酸盐水泥。添加剂主要有液化剂、稳定剂、缓凝剂等，用于改善泥浆的性能。

2．2．3配合比设计及液化土体的浆液

根据在类似地质条件下的施工经验，所设计的CSM墙28 d强度为最小1．2 MPa，推荐在需要处理的地层中，采用水泥掺入量(25%)和水灰比1．2～1．5。在黏性土中切削，下钻时可以采用水替代膨润土泥浆，但在砂性土中，应采用膨润土泥浆。上海砂性土中所采用的膨润土泥浆的配比为5%，即约50 kg膨润土配1 m3水。在向下铣削施工过程中，注入水或者膨润土泥浆来液化土体，其流量约为0．6 m/m33～1 m/m33。

2．3施工关键技术

2．3．1施工准备

1)施工场地清除障碍物，平整并压实，作业面大于11 m。当地表承载力不足时，应采取必要措施防止机械失稳，备足施工用相关材料。

2)施工前，先根据设计图纸和业主提供的坐标基准点，精确计算出双轮铣削等厚水泥土搅拌墙中心线坐标并放样，进行坐标复核，并做好护桩，通知相关单位进行测量放线复核。

3)接通水、电、气，机械设备就位，安装制浆、注浆和制气设备，并运转试车。

4)开挖储浆池或储浆沟，以解决施工过程中的余浆储放和回浆补给。

德国宝峨MC64双轮铣深层搅拌机

2．3．2移机定位

移位要做到安全、平稳。设备到达作业位置后，双轮铣铣轮与槽段中心位置对正，调整机械设备垂直度达到1/500以内。2台经纬仪对X，Y两个方向进行校正，平面允许偏差为±20 mm。

2．3．3水泥浆制备

固化液拌制采用P．O42．5级普通硅酸盐水泥，水灰比拟定1．2～1．5，亦即每1 000 kg水泥，加水1 200 kg～1 500 kg制备浆液。每立方米被搅拌土体掺入18%～25%的水泥，具体根据设计要求确定。

拌浆系统

辅助系统

除砂系统

2．3．4双轮铣下沉、提升搅拌铣轮下沉注水或膨润土切铣原位土体至设计深度，下沉速度控制在5 m/h内，主机内操作人员根据显示屏上操作系统，控制X，Y方向垂直度(见图4)，垂直度控制在1/500内。至设计深度后，铣轮提升并同步注水泥浆液，搅拌成墙，提升速度控制在10 m/h。对砂质土层进行搅拌，重复喷浆范围为底部2 m～3 m。铣轮下沉至设计标高后，继续喷浆搅拌5 min以上，确保浆液与土体拌合均匀，然后反向转动铣轮，提升至墙顶设计标高。施工过程注入浆液应连续，不得间断。

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在背景工程徐家汇中心虹桥路地块项目上进行深度达80 m的CSM工法墙试验，根据周围环境、地质及水土条件、试验本身的特点及相关工程的经验，遵照安全、经济、合理的原则，按照设计要求布孔埋设了若干监测仪器进行相关数据采样分析。主要检验以下几点:

1)通过监测来揭示CSM工法成墙施工过程中环境和地层的变形发展程度。

2)通过监测数据对比分析，判断CSM施工工艺和施工参数是否符合既定要求。

3)检测CSM墙体抗压强度及渗透性。采样和试验数据较多，限于论文篇幅，本文此处仅阐述监测、检测分析结果。

3．1施工环境监测

按照设计要求设置监测项目主要有:土体深层水平位移监测、土体分层竖向位移监测、地表竖向位移监测。本次监测工作开展是在CSM试成墙施工期间对周围土体全方位多角度进行动态监测，从监测数据可以看出施工过程中对周围土体的影响较小。总结监测数据，得到以下结果:

1)深层土体水平位移表现为向成墙方向位移，水平位移量随距离增大而减小。

2)从深层土体水平位移累计数据上看，T04孔最终位移1．5 mm，深度3．5 m，该孔距离成墙边线15 m，而此次成墙深度80 m，估算施工对周边环境影响范围不超过0．2H(H为成墙深度)。

3)此次成墙深度80 m，土体深层位移测试深度30 m，距离成墙区域较近测孔监测数据可以看出，测试深度10 m以下土体均向成墙方向位移，且位移量差异不大;随着距离成墙区域越远则表现为测孔上部土体向成墙方向位移。

4)从分层竖向位移测点的累计值上看，深度9 m～23 m测点表现为向下位移，23 m以下竖向位移变化不大。

3．2施工质量检测

施工质量检测主要包含钻孔取芯检测(如图5所示)和渗透性试验。钻孔取芯检测CSM墙14 d及28 d的抗压强度性。室内渗透性试验测定取芯试块的渗透系数，原位渗透性试验测定墙体的渗透系数。总结检测和试验数据，得到以下结果:

1)共计钻取了6个孔进行CSM墙体取芯检测，除浅层局部芯样有缺失外，总体芯样完整性较高，说明该次试验成墙具有较好的均匀性。

2)对钻取出的芯样进行强度试验，显示其抗压强度在0．4 MPa～1．3 MPa之间。

3)进行了系列渗透性试验，将其测试数据与地勘报告中的渗透系数比较，CSM搅拌墙的整体抗渗性有一定提升，其中在砂性土土层抗渗性提高更明显。

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本文针对双轮铣超深等厚度水泥土搅拌墙施工工法(CSM工法)在软土深层复杂地质条件下施工无先例问题，率先开展CSM工法成墙试验，在徐家汇中心项目虹桥路地块项目上首获工法试验成功。本次CSM工法墙试验，最大深度为80．03 m，垂直度达到1/500以上。本文对该试验进行研究，详细阐述了CSM工法工艺流程、施工浆液准备与配制和关键施工技术。同时结合监测、检测数据对周边环境的影响以及墙体自身质量指标进行了研究，结果显示CSM工法成墙施工过程中对周围土体的影响较小，影响范围不超过0．2H(H为成墙深度)，该次试验成墙具有较好的均匀性，整体抗渗性有一定提升，其中在砂性土土层抗渗性提高更明显。本文CSM工法成墙试验的顺利实施为后续的规模化施工提供了技术支撑，亦为以后类似工程提供了宝贵的可鉴经验和可供参考的工程实例。

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CSM工法

CSM工法 Cutter Soil Mixing （铣削深层搅拌技术）是一种创新性深层搅拌施工方法。此工艺源于德国宝峨公司双轮切铣技术，是结合现有液压铣槽机和深层搅拌技术进行创新的岩土工程施工新技术。通过对施工现场原位土体与水泥浆进行搅拌，可以用于防渗墙、挡土墙、地基加固等工程。与其他深层搅拌工艺比较，CSM工法对地层的适应性更高，可以切削坚硬地层（卵砾石地层、岩层）。

双轮铣深搅设备(CSM)特点

 

施工效率高：

双轮铣拥有两个大扭矩齿轮箱，铣轮上切割齿布局设计合理、切削能力强、施工效率高；

地层适应范围更广：

能够在坚硬的地层进行深层搅拌施工，克服了传统的多轴搅拌系统不能在坚硬地层施工的缺点；源于双轮铣技术，该工法具有一定的入岩能力，能够截断地下水通过墙底风化岩进行渗透的途径；

墙体垂直度更好：

双轮铣设备中具有高精度垂直度传感器，施工中可以通过电脑动态监测成槽的垂直度，利用双轮铣设备所配置的纠偏系统及时调整，确保墙体精度；

墙体质量更好：

通过电脑控制水泥浆液注入量、水泥浆和土体混合均匀，从而墙体均匀度及质量好、材料利用率高，较其他搅拌工艺，可以节约材料；

施工过程更加环保：

直接将原状地层做为建筑材料，弃土和弃浆量总量小，节能环保，符合基础施工技术发展的趋势；

施工阶段扰动低：

施工阶段几乎没有震动，采用原位搅拌，对周边建筑物基础扰动小，可以贴近建筑物施工；

墙体的深度更大：

导杆式双轮铣深搅设备，施工深度可达53m，

悬吊式双轮铣深搅设备，施工深度可达80m。

导杆式 CSM工法主机

悬吊式  CSM工法主机

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