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基于CSM工法的止水帷幕施工技术及设备研究现状

CSM工法 2024年3月11日 项敏 561


摘 要

摘要:传统的SMW搅拌桩基坑止水帷幕存在遇硬夹层易变形或难穿透、垂直精度差、搅拌盲区大等问题,特别是复杂地层情况下,其止水效果难以保证。为解决传统的三轴搅拌桩止水帷幕存在的上述问题,本文总结了近年来CSM双轮铣搅拌墙的工艺及设备,对比分析了其与传统SMW搅拌桩TRD工法桩的优缺点。结果表明:CSM工法设备具有强大的铣切搅拌能力,可实现良好的止水施工效果,特别是对沿海地区软下硬地层具有较好的适用性。


关键词:止水帷幕;防渗工艺;双轮铣搅拌墙;桩工机械;新技术


前 言


基坑涌水的原因主要归纳为地质因素、人为因素和截水帷幕因素。由于基坑开挖的深度越来越深,基底底部隔水层的层厚度也越来越薄,伴随岩溶地区的特殊地质条件,底部承压水突出基坑和基坑侧部发生突涌的概率也越来越高。深基坑涌水事故发生后,会给基坑本身及其周围环境带来严重影响,截水帷幕的施工质量是关键控制因素。常用的基坑止水帷幕包括水泥土搅拌桩、地下连续墙等形式。


双轮铳削深度搅拌工法简称CSM工法,其施工原理是通过用磨轮切岩土地层,注入水泥浆等固化剂,接着浇水平轴转动铳刨轮,土体与硬化剂充分搅拌混合并进行养护后,使得水泥土挡墙结构能达到一定强度。在一些工程中,可在防渗水泥土墙中插入钢筋、型钢、大直径管桩等结构物,实现止水帷幕与支护结构一体化。与传统深层搅拌法的区别在于,矩形加筋墙是由两组铁轮绕水平轴旋转而成,而不是由单轴或多轴搅拌头绕垂直轴旋转而成圆柱形咬合加筋墙。CSM工法目前主要在山东、武汉、浙江等沿海地区或软土发育地区应用,可切削入岩,具有良好的地层适应性,易于控制、成型墙体防渗质量高、深度大、施工效率高等优点。


1 双轮铣水泥土搅拌墙(CSM工法)工艺特点


为保证墙体施工过程中的连续性及接头质量,CSM工法采用墙体连接处多次套钻,同时其搅拌墙止水效果通过墙体之间的搭接以及设备施工过程中垂直度的不断修正来保证。制造双轮铣水泥土搅拌墙通常为顺槽式单孔全套打复搅式套叠形、往复式双孔全套打复搅式标准形两种型式,下面介绍CSM工法的施工流程。(1)障碍物清理。(2)测量放线。(3)开挖沟槽,沟槽尺寸通常为1000×1200mm,确保障碍物全部处理。(4)CSM机械到位,用经纬仪或垂线观察,保证工作机械垂直。(5)水膨润土浆液配比应适中。加入合适的外加剂-悬浮剂,防止墙内砂层等土质发生沉淀,造成后续水泥土搅拌过程中出现水泥土离析。(6)水泥浆液配合比要合理。水泥土搅拌墙施工时,同步每幅墙做一组70.7×70.7×70.7mm的试块,每组试样制备六个抗压试块,自然条件下养护28天后用抗压试验检测。(7)制备浆液及注入:将浆液制作系统安置于施工现场,附近布置水泥罐及膨润土储藏间。开机前,对浆液进行搅拌处理并进行储存。膨润土浆液需拌制均匀,时间5min~10min。水泥浆配制好后,停滞时间不得超过2小时。注浆时,通过2台注浆泵2条管路同Y型接头从H口混合注入。注浆压力不宜大于2.0MPa。(8)铣进搅拌,四喷四搅成桩。(9)清洗、移位。


通过双轮铣水泥土搅拌施工成墙后,可在槽段内插入H型钢,承受开挖过程的弯矩。基坑内部结构施工完成后,再将H型钢用震动锤拔取出来,H型钢可重复使用,降低工程造价。除了H型钢,还可插入钢管、管桩、斜桩、斜撑等进行组合支护,用于土体加固、地质改良和土壤修复等各种工程。


2 国内外CSM工法施工设备研究现状


2.1国外CSM施工设备研制现状

同为成墙工艺,液铣槽机(双轮铣)最早由德国发明,目前仍为最为先进的地下连续墙施工设备。国内最厚的地下连续墙是采用液压铣槽机施工完成的,厚度达到1.5m。但液压铣槽机施工存在的主要问题是设备的施工成本高,配套设备多,只适用于大型的工程项目。


多轴深层搅拌设备由日本发明,目前三轴和五轴的深层搅拌设备居多,应用广泛,多用于软土地基加固、防渗墙施工,临时基坑支护等,甚至有十一轴搅拌桩机量产。采用多轴深层搅拌插入H型钢作为浅基坑的临时支护的实例非常多。但多适用于松软地基,如地质条件复杂则难以施工。钻杆的旋转动力来源顶部,钻杆承受的扭矩大、容易损耗。


CSM设备则是将液压铣槽机的技术加以引申。最大的不同是通过将液压铣槽机的铣轮与凯式方形导杆相连接,将该设备加装在适当改造的旋挖钻机、履带式起重机或履带式深层搅拌钻机等设备上。将铣轮驱动所需的液压系统和注浆用的管路安装在凯式方形导杆内。采用履带底盘获取动力或安装独立动力站的方式形成一套完整的成槽施工设备,降低了设备的整体造价。


国外德国宝峨公司2003年研发成功了这种工法设备,通过转动双轮铣搅拌头,对原状土壤进行充分搅拌,并注入水泥浆,从而构筑一道具有一定力学性能及防渗效果的墙体。有铣槽机、双轮铣槽机、双轮铣深搅设备等CSM工法桩机。双轮铣深搅设备比双轮铣槽机整机价格低。


2.2国内CSM施工设备研制现状

国内长三角地区较早引进这种工法并研制相关的设备,通过双轮铣头铣削土壤进齿,在铣轮破碎土壤的同时,泵通过导杆输送高压水泥浆及空气至铣削头,与掘松的原状物充分搅拌,从而形成防渗墙、挡土墙或对地层进行改良,适用于淤泥、砂土、砾石、中硬岩、混凝土,工法流程图见图1。

基于CSM工法的止水帷幕施工技术及设备研究现状

国内许多工程应用了CSM工法施工止水帷幕。包括地铁车站、建筑物基坑、高层建筑地下室、地下停车场、地下商业街、水库大坝、港口、矿山、环保工程等深基坑工程防渗墙、挡土墙的施工。用于防止边坡坍塌、坑底隆起;防止地层变形、减少构筑物沉降、提高地基承载力;形成防渗帷幕,截流防渗、堤坝除险。国内设备研制主要有:


(1)徐工集团工程机械股份有限公司,型号XCM系列双轮铣搅拌机。已完成长沙绿地马栏山基坑支护项目、徐州荣盛城四期项目等。


(2)上海强劲地基工程股份有限公司。铣削深度可达50m以上,铣削厚度700—800mm。已完成南京滨江总部基地等项目。


(3)上海金泰工程机械有限公司,有SC系列液压铣削搅拌钻机。铣销搅拌深度35—55m,最小厚度700mm。还有温州振中基础工程机械科技有限公司,ZDM55最大铣削深度55m,采用步履桩架作为工作平台,可实现三轴、五轴搅拌钻机“一机两用”。


上述桩机设备分别基于旋挖钻机、履带式起重机或履带式深层搅拌钻机,桩机性能差异较大。


3 不同止水帷幕施工工法对比


3.1 SMW工法特点与CSM工法成本对比

多轴搅拌桩工法(SMW工法)采用步履式底盘,移位较便捷,多用于软土层施工,且受主机高度限制,成孔深度多在30m以内,施工能力较差。与常规使用的三轴深层搅拌桩工法相比,CSM双轮铣深层搅拌工法相异之处在于使用两组铣轮以垂直旋转搅拌方式,形成矩形槽段的改良土体,而三轴或多轴搅拌钻具以水平轴向旋转形成圆形的改良柱体,三轴搅拌的接头多,如图2所示。

基于CSM工法的止水帷幕施工技术及设备研究现状

CSM双轮铣搅刀片以垂直旋转的方式决定了对土体的搅拌更均匀充分、土体对水泥浆更好地包裹,两个铣轮由液压系统直接驱动可以提供更大的铣削动力,且CSM双轮铣搅墙的接头少,如图3。

基于CSM工法的止水帷幕施工技术及设备研究现状

常规的三轴或多轴搅拌桩通过钻杆顶置驱动力直接使钻杆旋转实现切削搅拌,施工受设备的限制大,其深度一般在45m以内。通常三轴搅拌桩按单截面全孔套打,桩径0.85m,每幅间距1.2m;CSM双轮铣搅墙按墙宽0.7m,每幅宽2.8m,幅间搭接0.4m,每幅间距2.4m。CSM双轮铣搅搭接比例小于20%,但三轴搅拌桩的搭接比例高达33.3%。并且CSM双轮铣搅墙平面尺寸为长方形,可形成有效的止水断面。以文献的长300m、深20m的止水帷幕墙工程案例进行成本分析,三轴搅拌桩工程量共250幅,CSM双轮铣搅墙工程量共125幅。经过对比施工费用[14],CSM双轮铣搅墙的直接施工成本费用比三轴搅拌桩高约7%,水泥材料费少28%;目前,因CSM工艺运用少,设备数量少,人工机械费和进退场费比三轴搅拌桩工艺要高。


3.2 TRD工法特点

水泥加固土地下连续墙工法机(TRD工法)将带有链条及刀头的切割箱插入地下至设计深度,纵向切削土体后可直接横向推进切削成槽,同时向地基内注射水泥浆液,与原状土充分混合搅拌,形成品质均匀、连续性高、止水性高的地下连续墙体,成槽示意图见图4。

基于CSM工法的止水帷幕施工技术及设备研究现状

止水帷幕深度大于30m的情况下,国内TRD工法应用较多,很好隔绝地下水,能够应用于标准贯入值30-120之间的软土质、硬质土层。优点是施工机械稳定、施工工艺成熟、施工垂直度有保障,施工连续性好,切割过程中能够充分搅拌水泥土,减少施工缝隙,降低地下水流动,阻断污染源,能够配合多类型型钢、钢管以及预制构件施工。缺点是施工协调要求高,施工过程中缺乏不同深度定点泥浆取样装置,无法准确判断水泥土固化液均匀性,转折点施工需要变化角度,重新拔起切割机进行切割,一次转向需要3~4天(小编注:现在施工优化后为1-2天),浪费工期。尤其是面对形状不规则的超深基坑,施工过程更为复杂且施工周期较长。这三类工法的设备施工技术参数对比如表1所示。

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4 总结与展望


(1)双轮铣深搅工艺比传统单轴、三轴或多轴的搅拌桩施工的成桩质量更好,其搅拌施工成墙为等厚墙,克服了传统截水帷幕的桩间薄弱问题。


(2)克服了传统的多轴搅拌系统不能在坚硬的地层进行施工这一问题,可在坚硬地层施工。


(3)通过双轮铣水泥土搅拌墙CSM技术施工成墙后,在槽段内插入H型钢、钢管、管桩等,来承受开挖过程的弯矩,实现止水和支护一体化。


(4)双轮铣深搅工艺能够铣削坚硬地层并且具有较为理想的施工效率,解决传统止水桩难以进入强风化岩层或硬土层导致止水效果不好的问题,特别是对沿海地区砂层下为风化岩层等地层具有较好的适用性,同时还可实现大深度施工,在未来的地下防渗墙、挡土墙等施工领域发展前景广阔。

 

来源:《广州建筑

作者:董晓斌

编辑整理:项敏
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⽔泥⼟铣削搅拌墙 CSM工法


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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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