等厚度水泥⼟搅拌墙工法
超深止水帷幕在武汉长江Ⅰ级阶地冲积相基坑支护工程中的选取和应用
邵勇
摘要:基坑支护工程中常选用CSM、TRD、三轴搅拌桩工法施作超深止水帷幕。通过对比CSM、TRD、三轴搅拌桩工法的优缺点，并以武汉长江Ⅰ级阶地冲积相区域的三个邻近基坑工程为例，介绍CSM、TRD水泥土搅拌墙及三轴搅拌桩止水帷幕的选取方法和应用效果。分析认为，在实际工程中应综合成桩深度、设备高度所要求的垂直条件、土层情况、施工成本、基坑开挖深度、降水需要和落底情况等因素，优选CSM、TRD水泥土搅拌墙或三轴搅拌桩止水帷幕，方能达到良好的基坑止水效果和安全性、经济性与效率的统一。研究成果可为具有类似工程地质和水文地质条件的基坑支护工程止水帷幕的设计提供参考。
关键词:CSM;TRD;三轴搅拌桩;水泥土搅拌墙;止水帷幕
大部分基坑工程事故与地下水有着密切关系，尤其是处于高地下水位和临近江河湖等地下水补给源的基坑工程，易发生流砂、管涌、突涌等现象，从而造成工程事故。武汉长江Ⅰ级阶地冲积相地层呈现典型的二元结构，上部由填土、淤泥、黏性土及砂土互层组成，下部为粉细砂(局部分布黏性土透镜体)、中粗砂夹砾石，砂层中赋存孔隙承压水。因此，在武汉临江约3 km范围内的高承压水头深基坑设计及施工中，地下水的止水处理是一个极其重要的环节，合理选择止水和降水方法来保证施工与工程安全需引起高度重视。
止水帷幕在基坑降水中的作用是延缓或阻止地下水流向基坑，避免因地下水位下降而引起的基坑外围地面沉降及其他问题，同时保证基坑内部基本干燥，创造良好的施工环境。蔡忠祥等在上海某项目采用CSM(Cutter Soil Mixing)工法构建了等厚度水泥土搅拌墙作为悬挂隔水帷幕。李成巍等在上海地区首次采用50 m深CSM工法等厚度水泥土搅拌墙作为落底式止水帷幕，隔断承压水含水层。王建军采用CSM工法等厚度水泥土搅拌墙解决了南昌某地复杂地层条件下深基坑工程的封闭隔水问题。王卫东等对临地铁的超深TRD(Trenchcutting Re-mixing Deep Wall)工法控制承压水的基坑工程设计开展了实践研究。魏祥等在武汉地区某深基坑工程中应用了TRD水泥土搅拌墙。谈永卫探讨了超深TRD等厚度水泥土搅拌墙与地下连续墙组合式隔水帷幕在深大基坑工程中的应用效果。丁振明等开展了SMW(Soil Mixing Wall)工法在富水非软土基坑支护工程中的应用研究。马郧等以武汉长江I级阶地基坑工程为例，研究了SMW+水泥土桩锚结构在基坑工程中的应用。目前对止水帷幕的研究还着重于某一种具体的工法，尚缺乏对不同止水帷幕优缺点的分析并探讨如何科学合理地选择止水帷幕。随着基坑支护设计理论水平的不断提高和工程案例的逐渐增加，可以对武汉地区基坑支护止水桩效果、可靠性及类型选择开展综合研究。本文选择武汉长江Ⅰ级阶地冲积相中邻近的三个基坑，通过对比CSM水泥土搅拌墙、TRD水泥土搅拌墙和三轴搅拌桩用作止水帷幕的选取方法和应用效果，为具有类似工程地质和水文地质条件的基坑支护工程止水帷幕的设计提供参考。
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CSM工法是应用原有的液压铣槽机结合深层搅拌技术进行的地下连续墙或防渗墙施工方法，结合了液压铣槽机的设备技术特点和深层搅拌技术的应用领域，将设备应用到更为复杂的地质条件中，通过对施工现场原位土体与水泥浆进行搅拌，形成防渗墙、挡土墙、地基加固处理工程。TRD工法将满足设计深度的附有切割链条和刀头的切割箱插入地下，在进行纵向切割、横向推进成槽的同时，向地基内部注入水泥浆并达到与原状地基充分混合搅拌，从而在地下形成等厚度连续墙。三轴搅拌桩工法以多轴型钻掘搅拌机向一定深度进行钻掘，同时在钻头处喷出水泥固化剂并与地基土反复混合搅拌，在各施工单元之间采取重叠搭接施工，形成一道具有一定强度和抗渗性能的连续完整的地下墙体。
CSM、TRD和三轴搅拌桩工法均可单独用于止水帷幕或地基加固处理工程，其中通过CSM、TRD工法施作的止水帷幕为水泥土搅拌墙，通过三轴搅拌桩工法施作的止水帷幕为三轴搅拌桩。三种工法的工艺特点及主要优缺点如表1所示。
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在选取止水帷幕形式时，需要综合考虑成桩深度、设备高度所要求的垂直条件、土层情况、施工成本、基坑开挖深度、降水需要和落底情况等因素。本次研究选择武汉长江Ⅰ级阶地冲积相中邻近的三个基坑，即武汉市江岸区红桥村K7、K8和K15地块基坑(图1)，实证对比研究CSM、TRD水泥土搅拌墙与三轴搅拌桩用作止水帷幕的选取方法和应用效果。
2．1工程地质与水文地质条件
红桥村K7、K8和K15基坑均位于武汉长江Ⅰ级阶地冲积相Ⅰ3工程地质亚区，距离长江北岸线3．0～3．7 km(图1)。Ⅰ3工程地质亚区主要沿长江、汉江及府河两岸分布，是除滩地外适合工程建设的沿江地段，该亚区表层一般被松散人工杂填土所覆盖，其下依次为软—可塑状的互层土(黏土、粉质黏土、粉土互层)、中密—密实的砂土及砂卵石层，再往下则为基岩。互层土、砂土、砂卵石层中赋存孔隙承压水。在该亚区砂层埋深浅、承压水位高的地段开挖基坑时，易产生基坑底板突涌及基坑侧壁流土流砂现象，需做好降水及支护措施。
K7基坑位置由上到下依次发育杂填土、黏土、粉质黏土、粉砂和细砂，赋存两层地下水，上层为杂填土层中的滞水，其稳定水位埋深1．1～1．6 m，标高19．45～21．83 m;下层为砂层中的承压水，其水位受长江水位变化影响，在3#钻孔中测得水位埋深6．8 m，标高14．53 m。K8基坑位置由上到下依次发育杂填土、黏土、粉质黏土、粉质黏土与粉土互层、粉砂和细砂，杂填土层中赋存滞水，其稳定水位埋深1．0～1．7 m，标高18．81～20．55 m;砂层中赋存承压水，其水位受长江水位变化影响，临近的K6地块抽水试验测得承压水埋深7．6 m，标高12．83 m。K15基坑位置由上到下依次发育杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂和细砂，杂填土层滞水的稳定水位埋深0．6～2．5 m，标高17．78～20．70 m;砂层承压水的水位受长江水位变化影响，勘察期间测得其埋深7．0 m，标高12．92 m。总体来看，三个基坑的工程地质与水文地质条件相近，承压水头标高为K7＞K15＞K8。
2．2基坑周边环境状况K7、K8、K15地块位于武汉市江岸区花桥街道，其中K7地块位于三眼桥路以西、荷花池街以北，北边和西边邻香江花园小区，民房较密集，环境条件较敏感。K8地块位于三眼桥路以北、黄孝河路以西，北邻红桥K6地块，西临三眼桥路，周边环境较复杂。K15地块位于三眼桥路以北、黄孝河路以西，北边为待拆迁民房，西边的拆迁空地拟用作规划道路，现状建有施工道路，周边民房密集，环境条件较复杂。总体来说，K7基坑周边环境最为敏感，K8、K15基坑周边环境相当。
2．3基坑支护设计K7、K8、K15基坑周边距红线较近，坑壁土层软弱，均存在承压水问题，不能采用锚杆。K7基坑开挖深度为12．90～13．40 m，为控制变形，从经济性和安全性考虑，选钻孔灌注桩+内支撑支护。K8基坑开挖深度为9．10～10．70 m，为控制变形并兼顾土方开挖的便利性，选用双排桩支护，角部采用钻孔灌注桩+混凝土角撑支护。K15基坑开挖深度为12．4～14．9 m，因开挖深度大需采用二层内支撑，采用钻孔桩+两道混凝土内支撑的支护形式。2．4基坑止水帷幕的选取对于K7、K8、K15这三个基坑来说，杂填土中的滞水因水量有限、水压力小，侧壁止水帷幕升至地面附近即可阻隔滞水向基坑内流动。而赋存于砂土层的承压水与长江水力联系非常紧密，水量丰富，因基坑开挖均已揭穿黏土盖层，因此需采取中深井疏干降水。场区均为长江I级阶地沉降重点防控区，基坑降水降深要求高，若敞开式降水，则抽排水强度大、持续时间长，因降水引发的沉降将对周边道路、管线、民房等产生显著的破坏效应，因此必须采用止水帷幕，以最大限度减小对周边环境的影响。表2为K7、K8和K15三个基坑止水帷幕选取条件的对比情况。K7基坑周边环境最复杂，需重点保护邻近香江花园小区的西边;紧邻小区施工的作业环境较差，且基坑挖深较大，承压水头标高及设防水头最大，止水帷幕深度也较大，但是基坑周长及工程量相对较小，因此可选用造价较高但施工成墙质量较高的CSM水泥土搅拌墙。K7基坑可采用800 mm厚CSM水泥土搅拌墙，水泥用量为460 kg/m3;墙底进入强风化基岩形成落底式帷幕。K8基坑开挖深度相对较浅，承压水头标高及设防水头最小且不需要落底，但基坑周长最长，有一定的工程量，因此可选用造价经济且帷幕深度不大时成墙质量依然有保障的三轴搅拌桩。K8基坑可在双排桩间采用三排Φ850 mm三轴搅拌桩加固，兼作侧壁止水帷幕，水泥用量为360 kg/m3。K15基坑挖深和周长较大，其最明显的特点是基坑为狭长型，相当于两个规则矩形基坑拼接而成，因此可选用成墙深度较大的TRD水泥土搅拌墙，其可在较低净空区域施工，有效避开沿狭长基坑边线施工时的各种障碍物。K15基坑可采用800 mm厚TRD水泥土搅拌墙，水泥用量为460 kg/m3;墙底进入强风化基岩形成落底式帷幕。
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三个基坑在开挖阶段均未发生明显的孔状或缝隙状漏水、涌砂、漏空、裂缝或坍塌现象，整体止水效果良好(图2)。K7基坑监测结果显示，其周边建筑物沉降累计变化最大值为5．61 mm，支护桩顶沉降累计变化最大值为5．72 mm，立柱沉降累计变化最大值为4．52 mm，支护桩顶水平位移累计变化最大值为15 mm，均满满足规范要求。K8基坑监测结果显示，其周边建筑物沉降累计变化最大值为8．8 mm，支护桩顶沉降累计变化最大值为13．36 mm，支护桩顶水平位移累计变化最大值为36．5 mm，基坑场外地表沉降累计变化最大值为36．16 mm，均满足规范要求。K15基坑监测数据结果显示，其支护桩顶水平位移累计变化最大值为5．4 mm，支护桩顶沉降累计变化最大值为3．18 mm，周边建筑物沉降累计变化最大值为6．17 mm，周边管线沉降累计变化最大值为3．04 mm，其他监测数据也均无异常情况，基坑场外观测井绝对标高基本维持在7 m左右，场内观测井绝对标高基本维持在2m左右，满足施工要求。
监测结果表明，K8基坑相比K7、K15基坑整体位移偏大，这是由于其采用了双排桩支护结构，与桩撑支护结构相比，其变形控制效果不占优势;同时坑外地表有一定的沉降量，与其采用悬挂式侧壁止水帷幕有关;基坑抽排地下水对周边的影响比采用落底式帷幕的K7和K15基坑大，与基坑止水帷幕的深度有直接关系，也和三轴搅拌桩的连续性和整体性较CSM和TRD工法差有一定的关系。但由于K8基坑挖深较浅，承压水头标高及设防水头最小，周边没有非常近距离的敏感建筑物，因此可以适当放宽位移控制条件，以达到经济性和安全性的统一。采用CSM和TRD落底式止水帷幕的K7、K15基坑整体位移控制在毫米级以内，也充分说明这两种止水帷幕在武汉长江Ⅰ级阶地冲积相基坑支护工程中的应用是比较成功的。
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4.1 无侧限抗压强度分析
对水泥土试块进行 28 d 无侧限抗压强度试验, 其强度均在 2. 50 MPa 以上,均高于设计要求和《型钢水泥土搅拌墙技术规程》( JGJ / T199 – 2010 ) 中不宜小于 0. 50 MPa 的规定。通过与某相似地质条件下,三轴水泥土搅拌桩和 TRD 工法水泥土搅拌墙 28d 无侧限抗压强度进行数据对比,SMC 双轮铣水泥土搅拌墙抗压强度均高于其他两种工艺,表明其铣削搅拌能力更强,搅拌更加均匀。
4. 2 止水效果分析
施工完成后, 立即进行基坑内部疏干、降水工作,并对基坑外部水位变化进行实时监测。通过对所取芯样渗透系数试验结果进行分析, 渗透系数小于 2 × 10 – 6 cm / s, 满足设计要求。降水 12 d 后,开挖地下水位以下土方, 通过现场监测发现, 连续降水 1 h 后, 基坑内部水位下降 1. 5 m, 基坑外部水位变化小于100 mm, 且在土方开挖及后期使用过程中, 水泥土搅拌墙壁无渗漏情况发生。从实际情况可以判断, SMC 双轮铣水泥土搅拌墙充分发挥了止水效用, 有效确保了基坑施工阶段干作业的施工环境。
4. 3 监测结果分析
整个深基坑监测周期历时 12 个月,委托第三方监测机构对基坑水平位移、竖向位移、周边环境等项 目进行检测工作。经观测发现,所有观测点变形数据均小于预期值,变形量较小( 表 2 ),且未对周边建筑及环境产生明显影响。
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(1)在武汉长江Ⅰ级阶地冲积相区域实施基坑工程并揭露承压含水层时，应优先采用中深井疏干降水，并视基坑挖深、降水幅度及周边环境条件而采用悬挂式或落底式止水帷幕。在实际工程中，应综合成桩深度、设备高度所要求的垂直条件、土层情况、施工成本、基坑开挖深度、降水需要和落底情况等因素，选取CSM、TRD水泥土搅拌墙或三轴搅拌桩止水帷幕，方能达到良好的基坑止水效果和安全性、经济性与效率的统一。
(2)建议结合更多工程案例，统计各项监测结果，在相关统计和经验总结的基础上，应用地下水数值模拟技术，为相似地质条件下的止水帷幕选型和设计提供更科学、可量化与直观易用的解决方案。
⽔泥⼟铣削搅拌墙 CSM工法
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项 敏
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