CSM工法应用案例
CSM墙落底式帷幕在武汉某深基坑工程的设计与应用
武汉同济医院内科综合楼CSM工法应用案例
夏红萤
摘要：武汉地区深基坑落底式帷幕目前主要采用嵌岩落底地下连续墙或TRD水泥土搅拌墙等方式。地下连续墙造价较昂贵；TRD水泥土搅拌墙受施工转角的影响，转角处是地下水渗漏的薄弱部位，在不规则形状尤其是转角比较多的基坑中，不能发挥其优势，本文通过武汉市同济医院内科综合楼深基坑工程设计实践，分析研究了CSM水泥土搅拌墙作为一种落底式帷幕在武汉地区一级阶地高承压水地层中的施工可行性、成墙质量及隔渗效果情况。经过技术方案、施工工艺、对环境的影响、经济性等方面的对比，应用CSM水泥土搅拌墙作为落底式帷幕，防渗效果好，可先行施工，施工速度快，且较地下连续墙和TRD水泥土搅拌墙经济，对周边环境影响相对较小，成为武汉地区落底式帷幕设计的另一种新选择。
关键词：深基坑；落底式帷幕；地下连续墙；TRD水泥土搅拌墙；CSM水泥土搅拌墙；降水井
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武汉同济医院内科综合楼项目位于硚口区解放大道同济医院内（图1），由1栋主楼和裙楼组成，设2层地下室。地下室基坑形状不规则，周长365m，基坑面积6600m²，基坑开挖深度13.5m。基坑周边临近用地红线外及医院内部的多栋建筑物（图2）。
本项目的主要挑战在于高承压水位条件下，确保深度13.5m的基坑开挖不会对周边严峻的环境产生影响。基坑支护设计中最主要的问题是，在约1年时间内和有限医院建设经费条件下，确保地下结构施工期间的基坑边坡安全，确保基坑外地下水位急剧下降从而避免引起不可接受的地面沉降，最大限度降低地面沉降带来的风险，同时减少基坑内部的渗水量以提供干燥环境便于地下室施工。在这种前提下，经过技术、经济指标比选，确定了采用大直径钻孔桩挡土结构结合一层支撑和CSM墙，CSM墙位于支护桩外侧（图3、图4）。
CSM工法是在2003～2004年由两家欧洲公司（Soletanche Bachy和Bauer）结合已有技术基础上发展的新技术。CSM基于深层搅拌技术，通过机械搅拌水泥浆液和原状土体，在地下形成相互搭接的矩形截面水泥土加固墙体。自近年引进国内以来，在天津、上海等高地下水位城市已有一些应用，本项目为首次在本地区应用。
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本项目的工作条件主要涉及基坑周边环境、岩土分布条件、水文地质条件、业主需求等。
2.1 土层分布
场地位于长江一级阶地，根据勘探孔资料，场地主要分为5个大的地层：①填土、②黏土、③粉砂粉土互层、④砂土（混砾卵石）、⑤泥岩。各岩土层的主要水文参数如表1。
2.2 地下水
本项目距离汉江约1 6 0 0 m，距离长江约3 0 0 0 m（图1），填土层赋存有上层滞水，主要接受大气降水和地表水的渗透补给，静止水位在自然地面下2.0m。③粉砂粉土互层和④砂土层（混砾卵石）赋存有承压水，与长江、汉江有密切的水力联系，其水位随之变化，水量很丰富，承压水位在自然地面以下5.0m。
2.3 周边环境条件
项目周边环境十分复杂，临近建筑物较多，都是7层以下浅基础的多层建筑（图2）。需要重点考虑基坑变形及降水引起的地面沉降对这些建筑物的影响，周边地下管线及道路也是需要考虑的重点。
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根据地区相关规定，需严格控制周边建筑物及地面沉降，不得大于30mm，要求采取落底式截水帷幕隔断地下水等措施控制基坑外地下水位不发生剧烈变化。通常情况下，在本地区有地下连续墙、TRD水泥土搅拌墙（以下简称TRD墙）等落底式帷幕完全隔断地下水的成功案例，但是作为本项目来说，它们分别有以下问题：
如采用地下连续墙，本项目地下室仅2层，基坑深度仅13.5m，而地下连续墙落底嵌岩时其深度达到50m左右，施工工期较长，综合成本较高，不经济，超过了建设单位的预算。地下连续墙施工过程中需配置大量的泥浆、取土成槽，容易污染环境。
如采用TRD墙，在适用性方面有以下三个缺点：
1）由于施工机械的特点，转角处不能连续成墙，需重新调整机械定位，施工速度慢；在转角处前后两次成墙搭接部位很容易发生地下水渗漏。本基坑平面形状十分不规则，其转角约20处之多（图4），这对于TRD墙来说效率低、效果差。
2）在本场地厚度约35m的砂土（混砾卵石）层这样复杂地层里的施工效率很低，施工工期长。
3）施工过程中产生大量的水泥置换土，给环境造成一定污染，本项目位于医院内部，产生的污染物不满足环境保护的严格要求。
有鉴于此，将目前在其他地区已经大量使用的CSM水泥土搅拌墙（以下简称CSM墙），作为一种截水帷幕新方案进行考察，分析其适宜性、经济性。
CSM墙有以下特点：
1）原位搅拌，不取土（地下连续墙或T R D墙需取土或置换土），对周边环境的施工扰动影响小。
2）对转角适应性强，不同时间施工的墙体搭接品质高。
3）适用于多种土层，水泥掺入量低，经济效益高，绿色环保无污染。
表2列出了三种适用方案的经济性指标，可以看出，在同等深度条件下，CSM墙造价要比其他方案最低节省300元/m3，因此，仅从截水帷幕方面来说，CSM墙是比较经济的，这对于医院项目有限的资金来说是最优的一种方案。
综合比较以上可能采用的截水帷幕方案，最终确定选取适用、经济、环保的CSM墙作为本项目的落底式帷幕。
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4.1 模型简化
本项目中的C S M墙设计宽度0.7 m，设计单幅长度2.8 m，相邻两幅搭接长度0.3 m，设计深度50m，要求其底部嵌入泥岩面以下1.0m，要求其垂直度允许偏差最大为1/300。考虑到该工法首次在本地区使用，难以达到理想施工状态（图5），为安全起见，分析其最不利工况（图6），即相邻两幅CSM墙向相反方向均达到最大允许偏差1/300时，两幅CSM墙的底部将没有搭接，产生约4m高度的空隙。为便于分析，认为CSM墙底部4m全部渗漏作为简化模型（图7），由此估算基坑内降水井的数量。
4.2 模型分析与优化
分析结果显示，当CSM墙底部约4m全部考虑为渗漏时，需开启7口抽水井进行降水，才能达到将地下水位降至基坑底标高以下约1.0m（即-14.000），以实现基坑内干燥的施工作业环境。
从A-A剖面的水位等值线图可知，在防渗墙底出现渗漏这一不利工况下，CSM墙延长了地下水的渗流路径，使得基坑外地下水位没有发生剧烈下降，由此可判断因地下水位下降而引起的地面沉降是很小的，CSM墙起到了隔断地下水防止发生过大地面沉降的作用。
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5.1 试成墙
CSM墙作为在本地区首次应用的一种新工艺技术，在正式施工前需要进行试验从而确定墙体强度和机械施工参数，本项目中在基坑内部进行了试成墙，其参数为：宽度0.7m，长2.8 m，深度5 0 m，水泥掺量2 0%（重量百分比），水灰比1.5，成墙垂直度偏差最大允许值1/300。
试成墙完成养护28天后，进行了钻芯取样检测，对钻取的6个芯样进行抗压强度试验，结果表明，实测最低强度标准值6.5MPa。
5.2 正式施工
根据试成墙的施工参数及检测结果，最终确定正式施工CSM墙的水泥掺量18%（重量百分比），其他参数与试成墙参数相同。将基坑周边一圈CSM墙按2.8m一幅进行分幅，按搭接宽度0.3 m以图11中1→2→3→4→5以此类推的施工顺序进行施工。
5.3 施工监测
(1)强度检测
CSM墙施工完成并养护28天后，选取3个地点，进行钻芯取样检测，通过对27个试块的抗压强度试验，结果表明实测最低强度标准值6.0MPa。
(2)地下水位监测
从基坑开挖开始，到地下室结构后浇带封闭结束，进行了大约6个月的地下水位观测，观测结果如图1 2。项目实施过程中，通过基坑内部观测井和分布于基坑外的6口观测井对基坑内外的水位进行观测，需要开启基坑内离3#观测井（图8）最近的4口降水井进行降水，才能将该范围处的地下水位降低至-14.000（即基底以下1.0m左右）。
结果显示，除东侧坑外3#观测井（图8）的水位低于初始水位外，其他几口观测井的地下水位几乎与初始水位一致，这说明了临近3#观测井的部分CSM墙发生渗漏；这也解释了为何需要开启离3#观测井最近的4口降水井。尽管如此CSM墙仍达到预期的效果，实际开启的降水井数量比按最不利工况需要开启的数量（7口）少。也达到了尽量减小地下水抽取量从而减少周边地面沉降的目的。
(3)周边地面沉降变形监测
通过11 0个建筑物、地面与地下管线沉降监测点，对周边建筑物、道路、地下管线等跟踪监测，结果显示，沉降变形最大值为1 7 m m，而基坑东侧发生C S M墙地下水渗漏的3#观测井附近的沉降变形最大值为12mm，满足允许的变形要求。
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本项目实施的CSM墙具有技术、经济、环境等方面的优势。利用CSM墙实现了尽量减少对周围影响的目标。在开挖过程中，基坑内部渗水量较小。施工监测反映的周边较小的地下水位下降和地面沉降也表明了CSM墙解决方案的效果比较好。
CSM墙技术具有广泛的应用前景，可以适用于各种类型的土层。CSM墙的质量和均匀性取决于施工过程的几个影响因素，尤其是搭接宽度和垂直度的控制。因此，施工质量控制和监测工作是必不可少的，同时为防止不利情况下基坑发生突涌，设计时应考虑一定数量的备用降水井作为预防措施，特别是在周边环境很复杂、地下水很丰富的基坑中。根据本项目在CSM墙技术应用方面的经验，它作为截水帷幕已经成功应用于武汉地区的多个类似工程中，成为一种有较大优势的新选择。
项 敏
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