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SMC工艺在湖底明挖隧道基坑工程中的应用研究

CSM工法 2022年4月27日 项敏 417


摘 要


摘要:金鸡湖隧道主体工程二标段围堰封头处、放坡开挖段采用SMC施工工艺施作止水结构,具有止水效果好,施工速度快,槽孔垂直度度偏差小的特点。本文将针对金鸡湖隧道主体工程二标段双轮铣施工工作原理、工艺特点进行研究,详细介绍双轮铣水泥土搅拌墙的施工方法,提出了双轮铣施工质量控制要点,为工程施工提供参考。


关键词:SMC;双轮铣水泥土搅拌墙;湖底明挖隧道;止水结构


1 工程概况


苏州金鸡湖隧道工程下穿5A级风景区金鸡湖内,项目全长约5.35km:其中湖中段约3km(含轨交共建段)、陆上段约2.35km金鸡湖隧道湖中段采用围堰隔水,堰内明挖顺做施工方法进行施工,基坑周边采用双轮铣水泥土搅拌墙(SMC)作为隔水帷幕。双轮铣水泥土搅拌墙每幅宽度为2.8m,墙厚0.7m,每幅搭接长度0.3m,双轮铣水泥土搅拌墙每幅处理深度在17.325~41.045之间。


SMC工艺在湖底明挖隧道基坑工程中的应用研究


2 工程地质


金鸡湖隧道主体工程位于苏州市工业园区,横穿金鸡湖,河网密集,地表主要为冲-湖相、湖-沼相堆积。根据地质勘查资料,止水帷幕施工穿过7个工程地质层,包括③2粉质黏土层、③3粉土层、④1粉质夹粉砂、④2粉土夹粉砂、⑤1粉质黏土、⑥2粉质黏土、⑦2粉土夹粉砂层,现分述如下。


③2粉质黏土层:灰黄色,干强度,韧性中等,层厚0.2~4.4,层底标高-7.3~-3.51。

③3粉土层:灰黄色~灰色,稍密,饱和,夹少量薄层粉质黏土,工程特性一般,层厚0.7~5.4,层底标高-9.6~-6.37。

④1粉质夹粉砂:灰色,软~软塑,夹薄层粉土,工程特性中等,层厚1.1~5.2,层底标高-11.93~-8.93。

④2粉土夹粉砂:灰色,中密为主,饱和,夹薄层粉质黏土,干强度,韧性低,工程特性中等,层厚0.6~8.2,层底标高-16.2~-10.23,微承压水分布于此层。

⑤1粉质黏土:灰色,软~流塑,夹薄层粉土,干强度,韧性中等,工程性一般,层厚4.4~26.4,层底标高-40.2~-17.21。

⑥2粉质黏土:灰绿~青灰色,可塑~软塑,干强度,韧性中等,工程特性较好,层厚1.2~8.3,层底标高-36.18~-24.28。

⑦2粉土夹粉砂层:青灰色~灰色,中密为主,局部密实,干强度,韧性低,工程特性中等~较好,层厚1.0~16.8,层底标高-46.1~-32.38,承压水主要赋存于此层。


3 施工工艺


3.1工艺原理

SMC双轮铣水泥土搅拌墙施工工艺是将液压双轮铣槽机和传统的土体深层搅拌技术相结合,在施工机械向下掘进的过程中利用四个铣轮旋转铣削地层土体。在此过程中,四个铣轮方向相对相向旋转。同时,供气系统、注浆系统向槽内分别注入高压气体、铣削液或固化剂(水泥浆)和添加剂(膨润土)与地层原状土体搅拌混合。当铣头向下铣削并搅拌地层土体到设计深度后,通过机械的矩形方管慢慢提升铣轮,再次注入高压砌体、铣削液或固化剂。并与槽内的原状土搅拌混合,此时四个铣轮作相反方向相向旋转。最终形成由地基原状土体、铣削液或固化剂、添加剂、水等形成的水泥土混合物,成为等厚度均匀连续的水泥土搅拌墙。


3.2工艺特点

SMC双轮铣水泥土搅拌墙施工工艺采用开挖掘进、提升、注浆、供气、铣、削、搅拌一次成墙施工技术,无须设置施工导墙,基土不出槽和注入的水泥浆液(固化剂)混合,形成水泥土连续墙墙体。SMC成墙设备的主要工作部分为位于下方的四个铣轮和与其连接的导杆架,铣轮由液压马达直接驱动,可以同时正反向相向旋转。SMC一次成墙的单幅宽度可以达到2.8m,采用履带桩架式底盘配套矩形方管,导管最大深度可以达到60m。同时由于SMC双轮铣铣头部分安装了用于采集各类数据的传感器,操作人员在控制室通过屏幕观察液压铣轮的工作状态(铣头的偏直情况、铣削深度、注浆量与注浆压力等),并进行相应操作。


双轮铣成槽的垂直度由支撑矩形方管的三支点辅机的垂直度来控制,通过调整铣头的姿态,并控制铣头下降的速度,从而有效地将槽孔垂直度控制在3‰内。


由SMC设备施工的止水帷幕通过铣、削、搅、气、浆的共同作用,施工成型后的墙体和易性好、土体均匀密实;幅间连接为完全的铣削结合,结合面无冷锋且间距大,接头少、整体性强,因此墙体壁面平整、防渗性能好。

双轮铣施工设备整机重心低、稳定性好,不需要轨道,可通过自身履带自行走。同时采用铣、削、搅三位一体实现一机一序一步到位。该设备铣头驱动装置在掘进铣削过程中全部进入预先开挖储浆沟内,具有低噪声、低震动特点,在松散地层中钻进效率20m³/h~40m³/h,在中硬岩石中钻进效率1m³/h~2m³/h,因此具有噪声小、施工效率高的优点。


3.3工艺流程及施工质量控制要点

3.3.1施工流程

SMC双轮铣水泥土搅拌墙施工时,首先做好前期场地清理及测量放样工作,机械安装调试完成后开沟铺板并移机定位。在做好浆液配置搅拌输送和气体制作储备输送的基础上,进行喷气注浆并铣削下沉至设计深度后,喷气搅拌提升并成墙移机,再次开沟铺板循环施工。


3.3.2施工质量控制要点

SMC双轮铣水泥土搅拌墙施工准备阶段应做好场地清理、测量放线、安装调试、开沟铺板等工作,其主要目的是为后续造墙阶段做好准备工作。


(1)场地清理。工程施工前首先应清场备料,确保施工场地的平整度和压实度以及施工作业面。因本项目地表土质过软,通过铺设钢板防止机械失稳,同时备足水泥和外加剂等物料。

(2)测量放线。根据建设方提供的坐标基准点、总平面布置图、围护结构施工图纸,按图放出桩位控制线,每隔50m布置一处临时控制桩,为保护控制桩及后续技术复核,应对控制桩作出明显标志。

(3)安装调试。双轮铣主机及支撑移动机就位并架设桩架,安装制浆注浆设备和制气设备,确保水路、电路和气路开通,并对设备进行调试。

(4)开沟铺板。开挖沟槽用于储浆,沟槽横断面深度为1m~1.5m,宽度为1.2m,以确保钻进过程中余浆储放和回浆补给,开挖长度要超前主机工作面11m。根据前述本项目工程地质情况,铺设路基箱以均衡主机对地基基础的压力。

(5)挖掘顺序。SMC水泥土搅拌墙施工有顺槽式单孔套打和往复式双孔套打两种方式。当基础面1m以上地质情况较好时,适用顺槽式单孔套打,当地基基础较弱时,适用往复式双孔套打施工效果较好,本工程采用往复式双孔套打施工。


3.3.3造墙管理

(1)铣头定位。根据地质情况选用适合该地层的铣头,随后将SMC机的铣头定位于墙体中线和每幅标线上,定位偏差要控制在±5cm以内。

(2)垂直的精度。根据施工机械配备的监测系统,对垂直度进行实时监测。在施工过程中,施工人员应对监测到的参数及时调整,确保所成墙体垂直度控制在3‰以内。

(3)铣削深度。在施工过程中,应沿墙体轴线每间隔50m布设一个先导孔,局部地质条件复杂部分应适当加密,根据芯样取样鉴定结果及墙体地层情况指导施工,并应掌握墙体底线高程,铣削深度控制在设计深度±0.2m范围内。

(4)铣削速度。SMC水泥土搅拌墙施工中,铣削速度的控制是确保工程质量的关键因素之一。向下掘进搅拌过程中,注浆压力按照0.75MPa~1.5MPa,辅助气压按照0.6MPa~1.0MPa进行注浆、供气。铣削过程铣头的旋转速度控制在26转/分钟,铣进速度控制为0.5m/min~1m/min,提升过程中的提升速度控制在0.6m/min~1.2m/min左右。掘进、提升过程中根据地质情况可进行多次上、下掘进、提升,以满足注浆量要求。

(5)浆液配合比。浆液配合比应根据现场地质勘探情况及配合比实验和试成墙来确定。最终水泥掺量空搅部位为8%,有效墙体部位为25%~28%。水灰比控制在1.1~1.6:1左右,下沉水灰比为2.0,上升水灰比控制在1.2左右。


3.4水泥土搅拌墙质量检测

3.4.1墙体外观检测

墙体外观检查项目见表1。

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3.4.2强度检测

强度检测采用浆液试块强度检测、钻取桩芯强度试验检测和原位试验检测方法进行强度检测。


3.4.3渗透性检测

水泥土搅拌墙渗透性试验采用柔性壁渗透试验仪器进行测定。

随建设工程步伐的加快,工程地质情况越来越复杂,传统的三轴搅拌桩等隔水帷幕止水效果较差,浪费大。SMC双轮铣水泥土搅拌墙工艺具有设备行走便利、施工过程可控性强、设备铣削能力强、成墙效果好的特点。在金鸡湖湖底明挖隧道中采用此工艺速度快(15m/天.台)、噪声小、止水效果较好,起到了良好的隔水效果。



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来源:《绿色环保建材》

作者:董庆
编辑整理:项敏
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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。

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导杆式 CSM工法主机

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悬吊式  CSM工法主机



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