CSM工藝在金雞湖明挖隧道中的應用

王學敬

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 前言

隨著我國基建事業(yè)的快速發(fā)展[1]，城市交通網(wǎng)絡趨于完善，交通網(wǎng)規(guī)劃密度加大。地下工程交通建設可節(jié)約城市占地，拓展城市建設空間，增加容積率。但是，城市中一般都存在河流、湖泊等地表水系，為了縮短線路建設長度，減少區(qū)間行進時間，規(guī)劃建設項目難以避免需要穿過城市地表水系。

2 工程概況及地質條件

(1)工程概況

蘇州金雞湖隧道工程下穿5A級風景區(qū)金雞湖，隧道全長5.35 km，其中位于金雞湖湖中3 km(含軌交共建段)，兩側陸上長2.35 km。金雞湖隧道湖中段采用圍堰隔水，圍堰內采用明挖順作施工方法進行施工，基坑周邊采用雙輪銑水泥土攪拌墻作為止水帷幕。雙輪銑水泥土攪拌墻每幅寬度為2.8 m，墻厚0.7 m，每幅搭接長度0.3 m。雙輪銑水泥土攪拌墻每幅處理深度在17.325～41.045 m之間。

(2)地質條件

金雞湖隧道主體工程位于蘇州市吳中區(qū)，橫穿金雞湖，地表主要為沖－湖相、湖－沼相堆積。根據(jù)地質勘查資料，止水帷幕施工穿過7個工程地質層，見表1。

表1 工程地質

3 施工難點分析

(1)處理深度大

蘇州金雞湖隧道雙輪銑水泥土攪拌墻設計深度達40 m以上，對成墻的垂直度要求較高。

(2)抗?jié)B止水難度大

工程地質復雜，多為粉質黏土、粉土、粉砂和粉土夾粉砂，孔隙率較大，對水泥土攪拌墻的成墻質量要求高，否則難以保證抗?jié)B止水效果。

4 CSM工藝

4.1 工藝原理

CSM液壓雙輪銑槽機結合深層攪拌技術[2]，在掘進注漿、供氣、銑、削和攪拌過程中[3]，通過矩形方管施加向下的作用力，四個銑輪相向旋轉銑削地層；同時通過供氣和注漿系統(tǒng)向槽內分別注入壓縮空氣、水泥漿和膨潤土添加劑。達到設計要求深度后，通過矩形方管，慢慢提起作反方向旋轉的4個銑輪，同時注入壓縮空氣和固化液，由地基土、水泥漿、膨潤土添加劑形成混合物固化液，成為等厚度密實的水泥土攪拌墻。

4.2 工藝特點

由液壓馬達直接驅動的4個銑輪和與其連接的導桿架[4]為CSM成墻設備的主要工作部分，銑輪可以同時正反向相向旋轉。CSM雙輪銑銑頭部分安裝了用于采集各類數(shù)據(jù)的傳感器[5]，操作人員可直接控制銑頭的偏直情況、銑削深度、注漿量與注漿壓力等工作狀態(tài)。CSM工藝具有以下特點:

(1)成槽垂直度控制好

雙輪銑成槽的垂直度由支撐矩形方管的三支點輔機的垂直度來控制[6]，通過調整銑頭的姿態(tài)和銑頭下降的速度，有效將槽孔垂直度控制在3‰以內。

(2)墻體壁面平整、防滲性能好

由CSM設備施工的止水帷幕通過銑、削、攪、氣、漿的共同作用，成型后的墻體和易性好、土體均勻密實，幅間接頭為完全的銑削結合[7]，整體性強、防滲性能好。

(3)噪聲小、施工效率高

雙輪銑施工設備整機重心低，穩(wěn)定性好；不需要軌道，可通過自身履帶自行走。該設備銑頭驅動裝置在掘進銑削過程中全部進入預先開挖的儲漿溝內，具有噪聲小、振動低的特點，在松軟地層和中硬巖石中鉆進效率分別可達20～40 m/h、1～2 m/h。

5 關鍵施工技術及質量管控要點

5.1 施工流程

CSM施工工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

5.2 施工準備及順序安排

(1)場地清理

清除地面和地下障礙物，平整并壓實作業(yè)場地。

(2)測量放線

根據(jù)測量控制點和圍護結構設計圖紙，按圖測量放線。

(3)安裝調試

CSM設備就位后，架設樁架，安裝設備，接通水、電、氣，調試設備。

(4)開溝鋪板

開挖橫斷面深度為1～1.5 m、寬度為1.2 m的儲漿溝槽，開挖長度超前主機工作面約11 m。地基基礎較軟時鋪設路基箱，防止機械設備失穩(wěn)。

(5)挖掘順序

順槽式單孔套打及往復式雙孔套打施工順序見圖2～圖3。

圖2 順槽式單孔套打施工順序(單位：mm)

圖3 往復式雙孔套打施工順序(單位：mm)

CSM水泥土攪拌墻施工有順槽式單孔套打和往復式雙孔套打兩種方式。當基礎面1 m以上地質情況較好時，適用順槽式單孔套打；當?shù)鼗A較弱時，適用往復式雙孔套打。

5.3 關鍵施工技術

(1)銑頭定位

根據(jù)地質情況選用適合該地層的銑頭，通過墻體中線和每幅標線控制CSM設備的銑頭定位，偏差應在±5 cm以內。

(2)垂直度控制

采用經(jīng)緯儀作三支點樁架垂直度的初始零點校準[8]，由三支點輔機的垂直度控制槽的垂直度，保證墻體垂直度在3‰以內。

(3)銑削深度

沿墻體軸線布設先導孔(先導孔間距50 m，局部地質復雜地段可適當加密)，有效控制不同地層墻體底線高程，控制銑削深度偏差在±5 mm內。

(4)銑削速度

開啟CSM設備，緩慢下降銑頭，使其與基土接觸并進行掘進攪拌，控制注漿壓力0.75～1.5 MPa，控制輔助氣壓0.6～1.0 MPa進行注漿、供氣。控制向下銑削過程銑頭的旋轉速度為26 r/min左右，銑進速度控制為0.5～1 m/min。鉆至基底延續(xù)10 s，對基底以上2～3 m范圍重復提升1～2次。隨后根據(jù)攪拌均勻程度，控制銑輪速度在22～26 r/min，控制提升速度在0.6～1.2 m/min。掘進、提升過程中根據(jù)地質情況可進行多次上下掘進、提升，并滿足注漿量要求。攪拌時間－鉆進、提升關系見圖4。

圖4 攪拌時間-鉆進、提升關系

(5)注漿

制漿桶內制備的漿液經(jīng)送漿泵和管路輸入儲漿桶，然后由注漿泵經(jīng)管路送至銑頭。由裝在操作臺上的無極電機調速器、自動瞬時流速計和累計流量計[9]監(jiān)控注漿量大小。注漿量根據(jù)鉆進速度與掘削量在80～320 L/min調整，同時按照要求進行一、二次注漿，注漿壓力控制在1.5～2.5 MPa。若注漿時出現(xiàn)異常情況，應停泵檢查，故障排除后再繼續(xù)作業(yè)。當停機時間大于30 min，應對注漿泵和輸漿管進行清理。

水泥摻量:水泥摻量視地質情況而定，空攪部位一般為8%，有效墻體部位為25% ～28%。

水灰比:控制在1.1∶1～1.6∶1左右，一般下沉時水灰比為2.0，上升時水灰比控制在1.2左右。

(6)供氣

壓縮氣體由手動閥和氣壓表經(jīng)管路配至銑頭，控制氣體壓力為0.3～0.8 MPa，全程不得間斷。

(7)成墻厚度

控制測量刀片外徑，定期檢查修復。當?shù)镀p接近1 cm時必須進行修復，無法修復則更換，確保成墻厚度。

(8)墻體均勻度

嚴格控制掘進過程中注漿均勻性和由氣體升揚置換墻體混合物的沸騰狀態(tài)，保證成墻質量。

(9)墻體連接

墻體連接是雙輪銑水泥土攪拌墻最為重要的一道工序，施工時嚴格控制樁位，使墻體整體連續(xù)作業(yè)，控制搭接長度30～40 cm，確保墻體平面平整度和墻體連接質量。

5.4 質量檢測

已完工墻體的質量檢測應在施工28 d后進行，被檢測墻體的分布應隨機、合理、均勻。

(1)墻體外觀檢測

墻體外觀檢查項目見表2。

表2 墻體外觀檢查項目 mm

(2)強度檢測

強度檢測采用漿液試塊強度檢測、鉆取樁芯強度試驗檢測和原位試驗檢測方法進行。樁身28 d抗壓強度不小于1.0 MPa。

(3)滲透性檢測

水泥土攪拌墻滲透性試驗采用柔性壁滲透試驗儀器進行測定，滲透系數(shù)小于1×10－7cm/s[10]。

5.5 施工注意事項

(1)在銑、削過程中，操作人員要隨時監(jiān)控銑頭處傳感器反饋的銑頭工作狀態(tài)，及時糾偏，保證成墻的垂直度。

(2)為避免順幅施工一側銑削水泥土墻體、另一側銑削土體造成墻體偏位，采用跳幅施工方式，相鄰墻幅應有足夠的搭接長度，確保墻段之間的銑削搭接效果。

(3)為保證冷接縫施工質量，CSM止水帷幕施工至轉角部位，應對已成型墻體充分切割，再進行成墻攪拌，形成十字搭接形式。

6 結論

傳統(tǒng)的三軸攪拌樁止水帷幕止水效果差、浪費大，且在深層地基處理和止水帷幕中不適用。CSM工藝在金雞湖湖底明挖隧道中發(fā)揮了設備行走便利、施工過程可控性強、設備銑削能力強、施工速度快、無噪聲[11]等優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)三軸攪拌樁施工形成的止水帷幕，CSM工藝接頭少、浪費小、垂直度偏差小[12]、成墻效果好，起到了良好的隔水效果。