CSM技术在邻近地铁施工项目中的应用

1.1工程概况

项目总建筑面积约765038m2,其中地下建筑面积238539m2,包括两栋超高层办公塔楼和一个酒店，设六层地下室。项目临近轨道交通9号线宜山路站至徐家汇站区间隧道及11号线徐家汇车站，地下室结构外边线与9号线区间最小净鉅离约10m,由于项目地墙深度达7 5 m,为保证地墙整体垂直度及成墙质量，减小基坑开挖施工对地铁隧道的影响，4-16区与4-n区外侧共49幅地墙采用CSM超深地下土体加固工艺。因项目较为复杂，本文仅介绍CSM施工技术并评价该工艺在本工程局部分区上的应用效果（图1）。

1.2 CSM工艺介绍

CSM工法墙工艺是一种创新性深层搅拌施工方法：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。

创新性能特点主要有以下几点：

一、可完成较大深度的施工。目前，CSM双轮铣深搅设备可削掘搅拌深度最深。

二、占地面积小、高度低、移动灵活。可广泛适用于交通繁忙的要道、城市高架下等复杂限高环境。

三、具有高削掘性能。地层适应性强，铣头刀具采用先进材料，不管是砂卵、砾石、还是粉土层都能切削掘进。

四、节能环保，符合绿色施工要求。可直接将原状地层作为建筑材料，弃土和弃浆量非常小，经过过滤的浆水可直接排放至市政管网中。

五、具有高削掘精度。双轮統深层搅拌铣头内部安装垂直度监测装置，可实时采集数据，便于操作人员实时修正。

六、低噪声和低振动。铣头驱动装置在切削掘进过程中全部进人削掘沟内，噪声和振动大幅度降低，构建和谐施工环境（图2〜图4）。

图2 工艺原理

图3 工艺来源及原理

图4 CSM工艺流程图

CSM工法墙由一系列的一期槽段墙和二期槽段墙相互间隔组成，所谓一期槽段墙是指成墙时间相对较早的批次墙体，二期槽段墙是指成墙相对较晚的批次。如图5所示，图中头字母为”P”的系列为一期槽段墙，头字母为“S”的系列为二期槽段墙。当一期槽段墙达到一定硬度后再施工二期槽段墙，这种施工方式被称为“硬铣工法”。

图5 “硬铣工法”槽段示意图

“硬铣工法”其优点在于：二期槽段墙施工时不会将泥块掺杂到相邻已经完成的一期槽段墙内，保证墙体质量；一期槽段墙硬化后，施工二期槽段时，设备接触地面范围内地耐力不会大幅度下降，利于保证设备稳定性。

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2.1地质情况

根据抽水试验报告，场地内第⑤3-1层和⑤3-2层具有弱微承压性，第⑦1层及第⑦2层为第I承压含水层，第⑨层为第D含水层，本场地缺失⑧层，第⑦层与第⑨层连通且水力联系明显。抽水试验阶段，⑦层承压水的水源补给速率较快，降水影响范围较大，止水帷幕设计和施工是本工程难点和重点之一。

2.2基坑围护设计

本基坑属于超深超大基坑工程，地下室普遍挖深达到31.5m,塔楼区挖深34.5m,总开挖面积达到55000m 2,基坑规模巨大，目前在上海地区属于最深最大的基坑工程之一，基坑设计施工难度大、风险高。基坑周边环境保护要求较高，加之本工程属于超深超大基坑工程，必须严格控制基坑开挖引起的地表沉降以及对周边设施的影响，保证周边环境及设施的安全。

为减小基坑大面积卸载对周边环境设施的影响，同时统筹考虑工程建设开发进度要求，根据时空效应的原理，将基坑分为19个区先后开挖施工，通过分块卸载和加载，减少基坑实施对相邻环境设施的影响（图6、图7）。

本工程基坑4-1区〜4-4区，以及4-11区为地下六层，基坑挖深31.5m,4-1 6区挖深23m,采用1200厚地下墙。由于该区域基坑开挖阶段需要长时间大体量抽降承压水，为减小降压对周边环境的不利影响，外圈地下墙加深至75 m,增加承压水绕流路径，其中下部17〜20m仅配构造筋。

2.3工法墙的比选

(1)TRD工法：又称为等厚度水泥土地下连续墙，是一种新型水泥土搅拌墙施工技术，采用链锯型切削刀具插人土中横向掘削，注人固化剂与原位土体混合搅拌，形成水泥土搅拌墙。主要适用于N<100的软、硬质土层，Qu^5MPa的软岩、粒径小于100mm的软砥石层成墙厚度55 0~850mm,深度可达60m；成墙质量好，沿深度方向水泥土搅拌均匀；成墙作业连续无接头，止水可靠；垂直度偏差不大于1/200；内插型钢间距可灵活调整；对圆弧形、短折线形基坑边界的适应能力较差。

(2)超深三轴搅拌桩：常规三轴搅拌桩受制于桩架高度，一般仅能施工30 m以内的搅拌桩。特殊地质条件下，既要隔断⑦层承压水或加大渗漏路径，又要节省部分费用的话，深层搅拌桩是一种选择，可以接长钻杆，实现了超深搅拌桩的施工工艺。一般可达50m,通过套打进行较好质量的搭接；施工效率单幅一般在3.5~4 h内；对于起隔水作用的搅拌桩，进人粉砂性土层范围内的桩长，可通过二次复搅，提高搅拌桩质量；成本相对较低；

(3)CSM：与其他深层搅拌工艺比较，CSM对地层的适应性更高，可以切削坚硬地层(卵砾石地层、岩层)。双轮液压铣槽机成槽深度国内目前可达120m,成槽垂直度最高达1/1000,无需反复提斗，稳定性好，泥浆携渣，保护环境，且成槽适应能力强，但对设备磨损较大，成本较高。对于徐家汇中心项目，地墙深达75m,基坑地墙须隔断承压含水层，而第⑦层土粉砂性土较硬，Ps值通常可达到20MPa左右。

根据项目实际需要，为配合75m深的地墙，保障成墙质量并满足深度要求，75m地墙槽壁加固选择CSM工法墙。

悬吊式 CSM工法设备

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因为项目紧邻运营两条运营隧道，CSM工艺也是首次运用在环境如此复杂的超深基坑项目中，在进行正式施工前，先进行3幅地墙的试成墙试验，通过实验及时发现CSM墙的抗压强度及墙体渗透性是否满足对周边环境的保护要求，掌握CSM墙体和养护过程中周边环境（地铁隧道）的变形发展趋势，及时反馈信息，有效判断其对周边环境的影响程度。

CSM工法墙共计49幅（4-16区内25幅，CSM水泥土搅拌墙共62延长米，4-11区外侧2 4幅，CSM水泥土搅拌墙共6 1延长米），施工顺序按照“1，3，5，2，7……”跳幅铣削搭接。设计沿地墙边线外2m布置，每幅墙宽2.8m厚度1.0m,套铣接头形式搭接30cm,深度75 m。4-11、4-16区均紧贴运营车站，前期在4-16区先行施工三幅原位试成墙，施工CSM工法主要为隔离运营地铁车站，并为后期施工提供技术参数（图8、图9）。

3.1施工质量检测结果及分析

钻孔取芯检测：

（1）各土层芯样抗压强度汇总表

3.2渗透性试验

（1）室内渗透试验成果

本次在地下连续墙成墙14d及28d后取样进行了室内渗透试验，试验成果如表2所示。

（2）原位渗透试验成果

本次在地下连续墙成墙中1#孔、4#孔分别进行了现场注水试验，试验成果如表3所示。

3.3结论

钻孔取芯检测：

（1）从6个孔CSM水泥土搅拌墙钻孔取芯情况来看，除浅部芯样缺失较多外，总体芯样率较高，水泥土搅拌墙均匀性较好。

（2）28d及60d取芯芯样抗压强度在0.39~1.31MPa之间。

渗透性检测：

通过室内及原位渗透试验与勘察报告中土层渗透系数相比较，CSM墙对各土层抗渗性有一定提升，砂性土提高比较明显。

3.4监测数据分析

4-16区内CSM水泥土搅拌墙施工时间为2017年8月22日至2017年10月20日，4-1 1区内施工时间为2 0 1 7年1 0月2 5日至2 0 1 7年1 2月2 4日，共完成2 4幅墙，施工区域对应地铁结构为11号线车站，采用人工测量结合自动化设备进行了全过程监测，内容包括：道床沉降和车站侧墙倾斜（图12、图13）。

4-16区施工对应车站侧墙倾斜测点为QX01-QX07,在试桩之前2017年8月16日，测得车站侧墙倾斜波动幅度为一0.16〜+0.19 mm，CSM实验于8月22日开始，到10.20实验结束到车站倾斜最大累计波动幅度为一0.21〜+0.11 mm,处于可控范围，但施工完成2个月后仍持续发生变形，最大累计沉降量达一0.52mm(QX06),直至2018年1月3日起开始数据回落。施工对隧道结构影响在可控范围，工后沉降及后期固结影响较施工期间略大(图14、图15)。

4-16区施工对应11号线车站沉降测11S09-11S14,从8月试桩开始隧道逐渐发生隆起，至试桩完成累积最大隆起2.1mm，最大累计变形达6mm(1 1 S 1 0)。地铁结构变形未出现报警。与车站侧墙倾斜情况类似，在施工完成后发生持续隆起，3个月后数据发生回落并趋于稳定。平面位移情况：施工前测得线路水平位移累计波动幅度为一1.2 5〜0.05mm,1 0月2 5日测得累计波动幅度为一1.2-+0.85mm,CSM施工对个别测点有一定影响，施工结束2个月后测得累计波动幅度为一O.3〜+O.9mm,相较施工时有所回落(图16)。

从4-11区的监测数据来看，情况基本与4-16区一致，从10月25日开始在CS M工法墙施工过程中对周围土体影响较小，表现为向成墙方向位移，至施工结束波动幅度在-0.03mm〜1.68mm之间，之后数据趋于稳定并有小幅回升。

根据对应工况及监测数据可知，当邻近地铁区域施工时，不仅在施工过程中会对地铁隧道造成一定影响，还可能因为后期固结等原因继续对地铁结构产生影响，但最终可以从根本上控制隧道侧移发展使其达到稳定。在工程实际施工过程中发现，随深基坑槽壁加固的施工，隧道会产生相应的沉降和平面位移，这种沉降和水平位移是由于隧道周围土体应力状态改变的结果。施工引起的后续沉降会持续较长时间，土体性状一旦发生改变将难以回到初始状态。施工单位要尽最大可能缩短整个工程施工工期、严格控制施工时间以及选取最佳施工参数，这一点对保护地铁隧道安全十分重要。

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从CSM水泥土搅拌墙钻孔取芯情况以及渗透性检测结果来看，水泥土搅拌墙均匀性较好。并对各土层抗渗性有一定提升，砂性土提髙比较明显。除此之外，地铁对隧道的变形要求极为严格，绝对最大位移不能超过20mm，隧道变形曲率必须大于15000m。而地铁隧道沿线的深基坑的槽壁加固施工活动将引起墙后土体沉降及坑外土体向坑内滑移，从而地铁隧道的产生侧向及竖向变形，会对地铁运行产生不良影响。因此，我们不但要保证基坑施工的安全可靠，更应重视对地铁区间隧道的保护，采取对应措施，以确保地铁的正常营运。本次CS M槽壁加固施工对隧道结构产生了一定影响，监测数据未报警，在可控范围内，后续施工应考虑在保证垂直度的情况下控制铣轮下沉速度以及探索合适水灰比以提高施工质量，加快施工时间减小对周边环境影响。

背景工程CSM工法试验，实际施工深度为75m,垂直度达到1/500以上，成功检验了设备的机械性能以及对上海土层的适应能力，同时研究了对隧道结构的影响以及抗压强度及渗透性两项技术指标，为复杂环境下围护结构施工提供机械储备和技术支撑。应用CSM工艺对临近地铁侧进行加固，较有效控制和减少基坑的变形，对保护邻近地铁围护施工具有一定意义。