CSM工艺在金鸡湖明挖隧道中的应用

王学敬

(中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安 271000)

1 前言

随着我国基建事业的快速发展[1]，城市交通网络趋于完善，交通网规划密度加大。地下工程交通建设可节约城市占地，拓展城市建设空间，增加容积率。但是，城市中一般都存在河流、湖泊等地表水系，为了缩短线路建设长度，减少区间行进时间，规划建设项目难以避免需要穿过城市地表水系。

2 工程概况及地质条件

(1)工程概况

苏州金鸡湖隧道工程下穿5A级风景区金鸡湖，隧道全长5.35 km，其中位于金鸡湖湖中3 km(含轨交共建段)，两侧陆上长2.35 km。金鸡湖隧道湖中段采用围堰隔水，围堰内采用明挖顺作施工方法进行施工，基坑周边采用双轮铣水泥土搅拌墙作为止水帷幕。双轮铣水泥土搅拌墙每幅宽度为2.8 m，墙厚0.7 m，每幅搭接长度0.3 m。双轮铣水泥土搅拌墙每幅处理深度在17.325～41.045 m之间。

(2)地质条件

金鸡湖隧道主体工程位于苏州市吴中区，横穿金鸡湖，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，见表1。

表1 工程地质

3 施工难点分析

(1)处理深度大

苏州金鸡湖隧道双轮铣水泥土搅拌墙设计深度达40 m以上，对成墙的垂直度要求较高。

(2)抗渗止水难度大

工程地质复杂，多为粉质黏土、粉土、粉砂和粉土夹粉砂，孔隙率较大，对水泥土搅拌墙的成墙质量要求高，否则难以保证抗渗止水效果。

4 CSM工艺

4.1 工艺原理

CSM液压双轮铣槽机结合深层搅拌技术[2]，在掘进注浆、供气、铣、削和搅拌过程中[3]，通过矩形方管施加向下的作用力，四个铣轮相向旋转铣削地层；同时通过供气和注浆系统向槽内分别注入压缩空气、水泥浆和膨润土添加剂。达到设计要求深度后，通过矩形方管，慢慢提起作反方向旋转的4个铣轮，同时注入压缩空气和固化液，由地基土、水泥浆、膨润土添加剂形成混合物固化液，成为等厚度密实的水泥土搅拌墙。

4.2 工艺特点

由液压马达直接驱动的4个铣轮和与其连接的导杆架[4]为CSM成墙设备的主要工作部分，铣轮可以同时正反向相向旋转。CSM双轮铣铣头部分安装了用于采集各类数据的传感器[5]，操作人员可直接控制铣头的偏直情况、铣削深度、注浆量与注浆压力等工作状态。CSM工艺具有以下特点:

(1)成槽垂直度控制好

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[6]，通过调整铣头的姿态和铣头下降的速度，有效将槽孔垂直度控制在3‰以内。

(2)墙体壁面平整、防渗性能好

由CSM设备施工的止水帷幕通过铣、削、搅、气、浆的共同作用，成型后的墙体和易性好、土体均匀密实，幅间接头为完全的铣削结合[7]，整体性强、防渗性能好。

(3)噪声小、施工效率高

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。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的储浆沟内，具有噪声小、振动低的特点，在松软地层和中硬岩石中钻进效率分别可达20～40 m/h、1～2 m/h。

5 关键施工技术及质量管控要点

5.1 施工流程

CSM施工工艺流程见图1。

图1 工艺流程

5.2 施工准备及顺序安排

(1)场地清理

清除地面和地下障碍物，平整并压实作业场地。

(2)测量放线

根据测量控制点和围护结构设计图纸，按图测量放线。

(3)安装调试

CSM设备就位后，架设桩架，安装设备，接通水、电、气，调试设备。

(4)开沟铺板

开挖横断面深度为1～1.5 m、宽度为1.2 m的储浆沟槽，开挖长度超前主机工作面约11 m。地基基础较软时铺设路基箱，防止机械设备失稳。

(5)挖掘顺序

顺槽式单孔套打及往复式双孔套打施工顺序见图2～图3。

图2 顺槽式单孔套打施工顺序(单位：mm)

图3 往复式双孔套打施工顺序(单位：mm)

CSM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1 m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。

5.3 关键施工技术

(1)铣头定位

根据地质情况选用适合该地层的铣头，通过墙体中线和每幅标线控制CSM设备的铣头定位，偏差应在±5 cm以内。

(2)垂直度控制

采用经纬仪作三支点桩架垂直度的初始零点校准[8]，由三支点辅机的垂直度控制槽的垂直度，保证墙体垂直度在3‰以内。

(3)铣削深度

沿墙体轴线布设先导孔(先导孔间距50 m，局部地质复杂地段可适当加密)，有效控制不同地层墙体底线高程，控制铣削深度偏差在±5 mm内。

(4)铣削速度

开启CSM设备，缓慢下降铣头，使其与基土接触并进行掘进搅拌，控制注浆压力0.75～1.5 MPa，控制辅助气压0.6～1.0 MPa进行注浆、供气。控制向下铣削过程铣头的旋转速度为26 r/min左右，铣进速度控制为0.5～1 m/min。钻至基底延续10 s，对基底以上2～3 m范围重复提升1～2次。随后根据搅拌均匀程度，控制铣轮速度在22～26 r/min，控制提升速度在0.6～1.2 m/min。掘进、提升过程中根据地质情况可进行多次上下掘进、提升，并满足注浆量要求。搅拌时间－钻进、提升关系见图4。

图4 搅拌时间-钻进、提升关系

(5)注浆

制浆桶内制备的浆液经送浆泵和管路输入储浆桶，然后由注浆泵经管路送至铣头。由装在操作台上的无极电机调速器、自动瞬时流速计和累计流量计[9]监控注浆量大小。注浆量根据钻进速度与掘削量在80～320 L/min调整，同时按照要求进行一、二次注浆，注浆压力控制在1.5～2.5 MPa。若注浆时出现异常情况，应停泵检查，故障排除后再继续作业。当停机时间大于30 min，应对注浆泵和输浆管进行清理。

水泥掺量:水泥掺量视地质情况而定，空搅部位一般为8%，有效墙体部位为25% ～28%。

水灰比:控制在1.1∶1～1.6∶1左右，一般下沉时水灰比为2.0，上升时水灰比控制在1.2左右。

(6)供气

压缩气体由手动阀和气压表经管路配至铣头，控制气体压力为0.3～0.8 MPa，全程不得间断。

(7)成墙厚度

控制测量刀片外径，定期检查修复。当刀片磨损接近1 cm时必须进行修复，无法修复则更换，确保成墙厚度。

(8)墙体均匀度

严格控制掘进过程中注浆均匀性和由气体升扬置换墙体混合物的沸腾状态，保证成墙质量。

(9)墙体连接

墙体连接是双轮铣水泥土搅拌墙最为重要的一道工序，施工时严格控制桩位，使墙体整体连续作业，控制搭接长度30～40 cm，确保墙体平面平整度和墙体连接质量。

5.4 质量检测

已完工墙体的质量检测应在施工28 d后进行，被检测墙体的分布应随机、合理、均匀。

(1)墙体外观检测

墙体外观检查项目见表2。

表2 墙体外观检查项目 mm

(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。桩身28 d抗压强度不小于1.0 MPa。

(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，渗透系数小于1×10－7cm/s[10]。

5.5 施工注意事项

(1)在铣、削过程中，操作人员要随时监控铣头处传感器反馈的铣头工作状态，及时纠偏，保证成墙的垂直度。

(2)为避免顺幅施工一侧铣削水泥土墙体、另一侧铣削土体造成墙体偏位，采用跳幅施工方式，相邻墙幅应有足够的搭接长度，确保墙段之间的铣削搭接效果。

(3)为保证冷接缝施工质量，CSM止水帷幕施工至转角部位，应对已成型墙体充分切割，再进行成墙搅拌，形成十字搭接形式。

6 结论

传统的三轴搅拌桩止水帷幕止水效果差、浪费大，且在深层地基处理和止水帷幕中不适用。CSM工艺在金鸡湖湖底明挖隧道中发挥了设备行走便利、施工过程可控性强、设备铣削能力强、施工速度快、无噪声[11]等优点，相较于传统三轴搅拌桩施工形成的止水帷幕，CSM工艺接头少、浪费小、垂直度偏差小[12]、成墙效果好，起到了良好的隔水效果。