双轮铣深层搅拌法(CSM)防渗墙在复堤堵口中的应用

张晓臻

(福建省泰成建设工程有限公司，福建 龙岩 366300)

1 地下连续墙传统施工技术与工艺存在的问题

长期以来，在水利、市政与公路等工程建设中，地下连续墙施工技术被广泛应用于防渗墙、挡土墙或者桩基础等主体结构施工。传统的地下连续墙施工主要采用高压旋喷桩、射水成槽灌注混凝土、抓取成槽灌注混凝土等施工方法。但是，这种传统的施工方法存在以下几个问题。

(1)在施工过程中造成大量的施工废渣、废水，污染水源、影响施工环境。

(2)遇到特殊的地质条件(如软土、淤质土、强透水层)容易造成塌孔，甚至发生安全事故；如果遇到岩石地层导致施工难度大，影响工程进度。

(3)在处理相邻墙段的结合墙时，防渗漏水问题突出。还存在能耗大、工作效率低等问题。

总之，传统连续墙的施工技术与工艺在防渗、安全、节能、环保、效率方面都存在弱点和不足，已不能满足当前施工技术要求，通过改进施工技术与工艺、引进先进的施工设备，实现绿色环保智慧施工是工程实践中的重要研究内容。

2 双轮铣深层搅拌法施工技术

“双轮铣深层搅拌法”地下连续墙施工，简称CSM，弥补了传统地下连续墙施工技术的不足。该技术能满足质量稳定、安全实用、节能环保、提高工作效率的要求，并很好地解决了地下连续墙相邻墙结合处防渗漏水的问题[1- 2]。双轮铣(CSM)是一种新型工法的名称。双轮铣深层搅拌设备有2种：导杆式和悬吊式，导杆式双轮铣深层搅拌设备可以铣削掘进搅拌深度达45m，悬吊式双轮铣深层搅拌设备铣削掘进搅拌深度可达65m。

2.1 技术原理

CSM工艺原理：①通过二组双轮铣搅拌头对原状地层的铣削与搅拌；②通过空压机喷射高压气体；③通过注浆泵注入水泥浆。集铣削、注浆、搅拌于一体，由原状土、水泥浆、固化剂等材料构筑成具有力学性能及防渗效果的地下墙体[3]。这种工艺直接由地下连续墙原状土与水泥浆搅拌而成，不需要建造槽孔导墙及泥浆池，没有弃渣、废液；工艺简单、使用便捷，满足绿色环保、高效施工的要求。

2.2 施工流程

场地清理—整平压实—测量放样—开挖导槽—设备就位—安装调试—铣削掘进—喷浆搅拌—回转提升—成墙移机。根据工程量备好施工材料，清理施工现场，把安放双轮铣槽机械设备的场地整平压实，确保有足够的施工平面宽度。根据图纸在防渗墙位置测量放样，然后安装机械设备并定位调试，随后开始铣削掘进，喷浆搅拌，达到设计深度后提升喷浆搅拌头，成墙后移机到下个槽段继续施工[4- 6]。

2.3 技术要点

CSM工艺原理是根据设计图纸控制双轮铣搅头铣削长度、深度，根据地下连续墙的设计强度控制搅拌速度、喷射压力、浆液稠度与流量；利用原状土、水泥浆、固化剂等材料构筑具有一定力学性能及防渗效果的墙体。其主要技术要点如下。

(1)墙体轴线控制。为了确保地下连续墙的轴线偏差控制在±10cm以内，在开始铣削时应对铣头定位。

(2)墙体垂直度控制。在双轮铣深层搅拌设备铣头内部安装垂直度监测装置，控制传动杆铣头垂直度。

(3)铣轮转速控制。开机时由慢到快，控制铣进速度约为1.2～1.4m/min。到达设计深度时，延时约10s，在墙体深度以上2～3m范围以内重复提升1～2次，然后慢慢提升，速度控制在0.28～0.5m/min以内。

(4)铣削深度控制。其铣削深度控制在设计深度的±20cm以内。

(5)注浆量的控制。注浆量应通过实验段参数计算确定，一般通过提升速度、注浆压力与流量控制注浆量，注浆压力一般控制在2.0～2.5MPa。

(6)水灰比控制。防汛墙浆液水灰比一般控制在1.0～2.0之间。

2.4 技术亮点

(1)参数控制简单、施工精度高。双轮铣深层搅拌设备装有性能先进的监控系统，设备自动化程度高，可以实时采集显示墙体的垂直度、喷浆量、钻进与提升速率、施工深度等详细的施工参数，施工人员可以实时掌握和修正，参数控制直观、简单、施工精度高。

(2)搅拌方式独特、墙体质量好。双轮铣以大刀片垂直旋转的方式铣削、搅拌原位土体，单幅槽长度可达280cm，宽度可达64cm；形成的矩形槽段墙体平整、连续，墙体接头呈锯齿状无缝搭接；质量更有保证，力学性能及防渗效果好，墙体渗透系数可达n×10-8cm/s。

(3)工序优化集成、施工速度快。传统的防渗墙成墙方法，如抓取成槽法，需要经过导墙建造、泥浆制备、挖槽弃渣、清孔换浆、生产运输和灌注水下混凝土等诸多工序，施工环节多、工效低；高压旋喷成墙，因桩径小，形成同槽幅宽的防渗墙所需时间更长，工作效率则更低。而双轮铣深层搅拌法，在设备就位后，通过钻进和提升，铣削、注浆搅拌原位土体直接成墙，单幅成墙长度可达280cm，成墙效率大大提高，在密实砂卵石地层施工，每天可完成约400m2，是传统施工方法的2～3倍，如单纯在软土层施工，其工作效率更高。

(4)能源消耗减少、施工更环保。双轮铣深层搅拌法施工，施工设备投入少，节约了动力能源、减少了碳排放。因充分利用原位土体喷浆搅拌成墙，不置换土体、无施工废渣，不制备泥浆、无施工废液，不灌注混凝土、无砂石料消耗，能有效节约资源、保护环境。以每万平米防渗墙施工为例，双轮铣与其他传统的成墙方式相比较，可减少工程弃渣5000m3、减少砂石材料消耗5900m3、减少外加剂和掺和料消耗近100t。双轮铣深层搅拌与液压抓斗能耗对比见表1。

(5)设备性能优异、适用范围广。①可完成较大深度地下连续墙的施工。②可广泛适用于不同地质条件，地层适应性强[7]。双轮铣设备导杆采用加压系统，铣头刀具采用合金材料，设备扭矩大，削掘性能高，可削掘密实土层、砂卵砾石层、15MPa岩层等硬质地层，入岩能力强，能够截断地下水通过墙底风化岩进行渗透的途径；③可贴近建筑物施工。双轮铣深层搅拌施工，在钻进提升过程中搅拌原位土体成墙，不存在塌孔风险，施工震动对周边建筑物基础扰动小，不影响建筑物安全。

3 工程实例探讨

3.1 工程简介

莲北圩位于饶河下游左岸、鄱阳湖东北岸，坐落在鄱阳县莲湖乡境内。圩堤起自四望湖，沿饶河止于小鸣湖，堤线总长17.425km。莲北圩保护面积4166.67hm2，保护耕地面积1533.33hm2，受益人口5.08万人，属江西省鄱阳湖区保护面积万亩以上的单退圩堤。进入汛期以来，江西省遭受多轮强暴雨洪水，五河来水剧增，鄱阳遭遇超1998年的特大洪涝灾害侵袭。2020年7月12日，莲北圩水位超进洪水位20.00m，进洪堰在进洪过程中，桩号7+190～7+430堤段发生溃决，溃口长约240m，圩内1533.33hm2耕地受淹，群众生产生活秩序受到严重破坏，造成历史性损失。当前，鄱阳湖水正高位缓退，2020年8月某省水利规划设计研究院受鄱阳县水利局委托，开展鄱阳县莲北圩复堤堵口方案设计工作，并及时出具了溃口封堵方案。根据溃口封堵设计方案，开展前期准备工作，并制定本施工方案，待外河水位下降，具备条件即可开始堵口施工。

表1 双轮铣深层搅拌与液压抓斗能耗对比

3.2 工程地质情况

根据施工前期地勘资料及施工先导孔钻探取芯显示，莲北圩复堤地质钻探芯样分4层，第一层为本次回填黏土(高程范围13.0～20.5m)，第二层为砂层(冲坑回填砂与原状砂界限不明，芯样无法判断具体分界点，高程范围-5.8～13.0m)，第三层为砂砾石层(砾石直径5～8mm，高程范围-6.6～-5.3m)，第四层为基岩层(红砂岩，基岩面高程为-6.6～-6.1m)。

3.3 施工组织与安排

根据探明的工程地质情况，组织安排莲北圩复堤堵口施工。本工程采用CSM工法进行堵口防渗墙施工，选用导杆式双轮铣深层搅拌设备，采用PO42.5级普通硅酸盐水泥等施工材料，组织施工队伍进行堵口施工。设计堵口堤防施工长度275m，堤顶宽度7m，在堤防顶迎水面2m位置新建防汛墙，墙厚0.60m，平均墙深33.5m，墙体面积约9300m2。根据导杆式双轮铣深层搅拌设备的正常工作效率，一般每天可完成约400m2；所以计划安排一台导杆式双轮铣搅拌设备能满足施工要求。墙体施工从上游向下游每2.8m长分段推进施工，墙体施工工期安排30d。施工前沿防渗墙轴线每隔50m进行先导孔钻芯取样，获取施工参数。若发现实际地质情况与地勘报告不符，应及时向业主单位反映并与相关单位研究调整方案。设备就位后，先进行成墙试验，以确定设备、工艺及各项参数，试验段孔数应不少于4孔，Ⅰ序孔和Ⅱ序孔各2孔。经检查验收合格后，按照试验参数进行后续施工。

根据设计有关资料、工地现场查勘情况以及工程的性质和特点，本工程施工总工期计划为150d，即2020年10月10日开工，2021年3月10日前竣工。

3.4 施工工艺主要控制点

首先准确定位铣头，将双轮铣搅拌钻机的铣头定位于墙体中心线上。偏差控制在允许范围内。同时控制垂直精度，采用经纬仪进行三支点桩架垂直度的初始零点校准，如果发现垂直度不能保证，现场操作员可以通过自动平台触摸屏，及时调整铣头的状态。在掘进过程中，要严格按照试验获取的参数操作：防渗墙浆液水灰比一般控制在1.0～2.0(本工程水灰比通过室内试验确定)。注浆压力一般为2.0～2.5MPa，水泥浆液严格按配合比制作，浆液不能发生离析。现场质检员对水泥浆液进行检验，内容为：比重、黏度、稳定性、初凝、终凝时间[8- 9]。凝固体的物理性能试验为：抗压强度、渗透系数。水泥浆液随配随用，保证浆液质量满足要求。掘进速度控制在约1.2～1.4m/min，通过在导杆上标示刻度来控制深度，确保达到设计深度。提升不能太快，以避免形成真空负压，孔壁塌陷，造成墙体空隙。控制在约0.28～0.5m/min，全程气体不得间断。还要经常检查铣头刀片磨损情况，测量刀片外径，以保证成墙厚度。

特殊情况处理：供浆必须连续。一旦中断将铣削头掘进至停供点以下0.5m(因铣削能力远大于成墙体的强度)，待恢复供应时再提升。因故停机超过30min时要清洗泵体和输浆管路。

施工记录与要求：及时填写现场施工记录，每掘进1幅位记录一次在该时刻的浆液比重、下沉时间、供浆量、供气压力、垂直度及桩位偏差。

3.5 施工注意事项

3.5.1 施工准备阶段

(1)防渗墙施工前，根据工程用途、规模、工期、安全、环境保护要求等情况，结合施工条件(包括机械设备和材料的运输路线、施工场地、作业空间等)，地质情况(包含地层构成、土性、地下水等)及周围环境条件等因素编制施工方案。

(2)施工现场进行场地平整并确保足够的宽度，及时清除施工区域表层的硬、杂物，现场道路地基的承载能力应满足双轮铣深搅设备平稳操作和移动的要求。

(3)双轮铣搅拌墙施工前，应按照搅拌墙布置图测量放样并复核验收。根据确定的施工顺序，安排配套机具、水泥等物资的放置位置。

(4)双轮铣深搅设备及其他辅助设备安装后要先调试，确保设备能够正常运转。

(5)施工前应进行成墙试验，获取搅拌下沉和提升速度、水泥浆液水灰比等工艺参数。

3.5.2 搅拌施工

(1)双轮铣搅拌墙与等厚度水泥土搅拌墙施工时铣轮就位应对中，平面允许偏差应为±20mm，并对立柱导向架进行设备自调，同时用2台经纬仪在X、Y 2个方向进行校正。

(2)按照试验确定的参数控制搅拌下沉速度和提升速度，并保持匀速下沉或提升，以保证双轮铣搅拌墙的成墙质量。

(3)水泥浆液水灰比应按试验获取的参数拌制，并应通过滤网倒入具有搅拌装置的贮浆桶或贮浆池，防止浆液产生离析。浆液泵送量应与搅拌下沉或提升速度相匹配，保证搅拌墙中水泥掺量的均匀性[8]。

(4)施工时泵压应控制在2.0～2.5MPa，气压控制在0.5～0.8MPa。

(5)经常检查铣轮的宽度，铣轮磨损量≤10mm。以保证搅拌墙的设计宽度。

(6)若长时间停止施工，应及时对压浆管道及设备进行清洗。

总体质量目标：单元工程验收全部合格。

墙体抗压强度：R=1～5MPa。墙体渗透系数：K≤1×10-6cm/s。墙顶高程、深度、墙厚：不小于设计值。搭接：满足最小有效墙厚要求。

4 实施效果分析

采用双轮铣深层搅拌防渗墙施工技术，对鄱阳县莲北圩复堤堵口工程共9500m2的防渗墙进行了施工，防渗墙施工成墙28d后，进行了开挖检查、取芯检验、注水试验。结果表明：双轮铣深层搅拌防渗墙，墙体密实、均匀、连续、平整，芯样完整，不同地层芯样强度均满足设计要求，墙体渗透系数8×10-8cm/s，防渗止水效果良好，完全达到了预期效果。

5 社会经济效益比较和前景

经过对防渗墙不同施工工艺成本的比较，双轮铣深层搅拌法经济性优于高压旋喷防渗墙，节省成本约15%，工作效率是高喷的2～3倍，按面积比较，双轮铣经济性略低于抓取法，但其墙体较抓取法厚，按成墙体积比较，经济性则比塑性混凝土防渗墙高出约30%，工作效率约是抓斗的2倍。

通过对鄱阳县莲北圩复堤堵口防渗墙的施工检测，结果表明：双轮铣深层搅拌法(CSM)能够保证工程质量、加快施工进度、施工安全保障性高、有效减少了对环境的污染，达到了质量稳定、安全高效、节能环保的绿色施工要求。

该技术具有广阔的应用前景，可推广运用在防渗墙工程、围堰工程、挡墙支护(可插入型钢)工程、地基处理、土体加固、地质改良、土壤修复等项目中。

6 结语

综上所述，通过本文对双轮铣深层搅拌法(CSM)防渗墙技术在鄱阳县莲北圩复堤堵口项目工程项目中的应用研究可知，该施工技术作为一项绿色生态、科学实用的施工技术，借助先进的施工设备，以其独有的工艺优势成功克服了传统施工技术的弊端，具有节能环保优、施工精度高、成墙进度快、墙体功效佳、地层及场地适应性强等显著特点，并且技术成熟、工艺可靠，因此，该项技术值得在今后相关工程建设中进行推广和应用，但需注意的是，每项工程的实际情况存在差异，相关施工人员在施工过程中需加强各环节的控制，确保每一个环节的质量符合要求方可进行下一步骤，以此避免存在潜在问题，从而保证工程的整体质量。