CSM工法应用案例
大东湖深隧工程小断面超深竖井施工综合技术
戴小松
摘 要：以大东湖深隧工程主隧9个小断面超深竖井施工为依托,针对竖井断面小、开挖深、入岩深的难点,从围护结构、止水帷幕、土方开挖及支护结构施工、井口布置等方面介绍了本工程施工机械选型、施工工艺选择、施工过程存在的问题、注意事项及采取的措施。工程实践结果表明,工程安全、质量和进度均得到了良好的控制。
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随着城市化进程的加速，土地资源紧缺，地下空间的开发利用得到了快速发展。大东湖核心区污水传输系统工程是国内首次正式对深层排水技术的大胆尝试，面临着更小断面、更深基坑、更复杂环境下的竖井施工，如何确保本工程小断面超深竖井安全、高效、顺利地施工，是一项综合技术，需要全方位考量、科学部署、精心组织。
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本工程横跨武汉市武昌、洪山、东湖风景、青山共4个区，其中主隧全长17.5km，包含9个竖井及9个盾构区间。竖井在施工阶段分为双向始发井、单向始发井、过站井及接收井4种，最大平面尺寸49m×11m，最小平面尺寸15m×11m，基坑深度32.8～51.5m，支撑均采用混凝土支撑，最多达12道支撑体系。小断面超深竖井施工难点如下。
1)断面小竖井空间有限，交叉作业频繁，人员通行、管线布置、垂直吊装等存在交叉，需做好井口布置，减小交叉施工影响。
2)基坑深基坑开挖安全风险高，安全防护要求高，施工垂直运输效率低，内支撑多而密集，施工效率低。
3)入岩深所有竖井均不同程度入岩，入岩率较高，硬岩层中地下连续墙、围护桩施工难度大、工效低，基坑开挖需频繁爆破，对周边环境及围护结构影响大。
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2.1 水文地质条件
本工程竖井分布广，水文地质条件复杂多变。各竖井场区内地下水类型有上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水、岩溶水等类型;其中1,2,8号竖井位于长江一级阶地，其他竖井位于长江三级阶地。
2.2 工程地质条件
各竖井穿越地层主要为杂填土、淤泥、粉质黏土、淤泥质黏土、粉细砂、强风化、中风化泥质细粉砂岩、中风化含钙泥质粉砂岩、粗砂岩、泥质白云岩、灰岩等。
其中4号竖井入岩最深，达37.33m,6A号竖井入中风化灰岩强度最高，达125MPa,6A,7号竖井场区内存在溶洞。
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本工程基坑围护结构主要为地下连续墙与钻孔灌注桩两种，1,3,6号竖井采用地下连续墙，其他采用钻孔灌注桩，具体情况如表1所示。
表1 竖井围护结构情况
3.1 地下连续墙施工
3.1.1 机械配置
根据本工程地下连续墙的特点及入岩情况，采用一种组合成槽施工方法，即采用冲击钻、旋挖钻、成槽机、铣槽机组合成槽。先用旋挖钻进行引孔，然后上部土层使用成槽机抓槽，下部岩层使用铣槽机为主、冲击钻机为辅进行施工，几种机械形成施工流水，以提高成槽工效，如图1所示。
图1 地下连续墙施工机械配置
3.1.2 工效分析
以3号竖井为例，分析施工过程及施工工效。首先由旋挖钻进行引孔，每槽段引2～4个孔;引孔完成后，成槽机采取三序成槽，先挖两侧，再挖中间;最后采用铣槽机进行岩层铣槽及修边。旋挖钻引孔工效为土层5～10m/h，软岩层1～3m/h;成槽机成槽工效为土层6～8m/h;铣槽机铣槽工效为岩层0.3～0.8m/h，综合工效达到1幅/2.5d。组合成槽的方式，将设备优势完全发挥，提高了设备利用率，大大提高了成槽工效，节约了工期。
3.1.3 注意事项
1)使用旋挖钻引孔时，应注意控制好槽段垂直度，发生偏差时及时纠偏。
2)成槽机作业过程中，应避免先施工相邻两抓，防止软硬不均导致成槽机抓斗倾斜。
3)要注意做好前期浇筑槽段的混凝土防绕流，避免混凝土流至相邻槽段，影响相邻幅成槽。
3.2 钻孔灌注桩施工
3.2.1 机械配置
根据本工程灌注桩特点及入岩情况，选用冲击钻机或旋挖钻与冲击钻接力的机械配置。
3.2.2 存在问题
1)受竖井断面小及工期紧的影响，前期4号竖井施工时，旋挖钻与冲击钻接力占用场地多，虽单桩工效提升，但总体工效降低，且旋挖钻易出现闲置时间长的问题，后续施工中采用一次性投入多台冲击钻的机械配置方案。
2)在钻进至软硬地层交界面时，因岩层交界处强度相差较大易造成偏孔，需注意做好冲程控制。
3)部分竖井钻进中，遇倾斜的岩面，特别是下伏岩层强度较高时，桩锤易受力不均发生偏移，造成桩孔偏斜。可考虑对倾斜岩面采用潜孔锤进行钻孔，降低岩体完整性，以达到纠偏目的。
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本工程竖井水文情况复杂，止水帷幕有CSM、三重管旋喷桩、袖阀管3种类型，1,3号竖井为CSM止水帷幕，2,5,6A,7号竖井为旋喷桩止水帷幕，4号竖井为旋喷桩+袖阀管止水帷幕，8号竖井为高喷+CSM止水帷幕。做好止水帷幕施工，是确保基坑开挖安全的重要措施。
4.1 CSM施工
CSM工法(双轮铣)深层水泥土搅拌墙具有成桩深度大、无冷缝等优点，在本工程中主要应用于长江一级阶地竖井的止水施工。
CSM施工中，应重点从喷浆流量、铣削速度及上提成墙的速度控制3个方面确保CSM的施工质量。喷浆流量宜控制在260～500L/min，对应的提升速度应与之相匹配，铣轮速度宜控制在20～27r/min。转角部位应设置成十字搭接形式，转角延伸段长度≥500mm。
4.2 桩间止水
2,8号竖井受周边环境及地质情况影响，围护结构采用钻孔灌注桩，且位于长江一级阶地，桩间止水是竖井止水的重点。虽然桩间采用高喷进行加强止水，但鉴于高喷止水薄弱点及岩层中裂隙发育处易发生涌水现象，本工程将原设计桩间喷混凝土变更为350mm厚钢筋混凝土侧墙，有效减弱了桩间渗漏。
8#竖井，基坑深度44.8米，围护结构采用钻孔灌注桩，深度51.5米，桩间采用三重管高压旋喷桩止水，深度31m，外侧采用CSM工法深层水泥搅拌墙，深度31m。
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5.1 基坑土方开挖
针对竖井断面小、入岩深的特点，基坑开挖采用机械、爆破开挖相结合的方式，土方垂直运输采用大挖机+长臂挖机+抓斗+门式起重机(汽车起重机)相结合的方式。开挖根据环框梁分布进行分层开挖，土层采用挖掘机直接进行开挖，岩层采用先爆破再使用机械进行开挖。
1)当开挖深度≤10m时，采用PC120型挖掘机配合长臂挖机出土。
2)当10m<开挖深度≤25m时，采用PC120型挖机配合液压抓斗出土。
3)当开挖深度>25m时，采用PC120型挖机配合门式起重机或汽车起重机吊装土斗出土。始发井采用定制45t门式起重机吊装9m3土斗;接收井采用80t汽车起重机吊装5m3土斗。
由于竖井普遍较深，为减少垂直运输时间，采用定制门式起重机，将门式起重机垂直载重起升速度由15m/min提升至25m/min。
基坑入岩后进行爆破开挖，爆破采用以深孔松动爆破为主、浅孔爆破为辅的爆破方案，按平面分仓、分段，竖向分层进行。每层石方开挖时，提前爆破至内支撑底标高以下2m处，然后开挖至内支撑底标高，施工内支撑，养护完毕后开挖至原爆破深度处，继续进行下次爆破，重复上述步骤直至开挖完毕。提前爆破可避免内支撑下部区域因内支撑占据空间无法进行爆破钻孔，并为下一层石方爆破时内支撑底部的爆破钻孔提供空间。同时，每层爆破应根据石方的厚度选择采用一次爆破到位或者分两次爆破，以到达控制爆破强度的目的。本工程施工中，当单层厚度超过4m时，采用两次爆破。
小断面超深竖井爆破施工，必须严格控制爆破飞石、振动等有害效应，加强爆破振动监测，做好参数控制，严格控制爆破孔与围护结构距离，防止对结构特别是新浇混凝土造成破坏。
5.2 竖井环框梁施工
5.2.1 环框梁单侧支模施工
本工程环框梁及内支撑均采用钢筋混凝土支撑，对基坑安全、工期影响大。环框梁施工模板搭设主要为单侧支模，传统单侧支模施工设置繁琐，支模工程量大、周转材料多、支模速度慢，工程质量和进度不易达到要求。
采用定型化型钢支架作为单侧支模施工平台，该平台根据基坑各环框梁尺寸设计，由若干标准模块与异形模块组装而成。待环框梁进入支模施工工序时，将加工好的各模块逐个吊装到基坑内进行拼接组装;通过在施工平台外边缘预焊的钢套管与混凝土结构模板间插设水平支撑钢管即可组成支撑体系，实现基坑环框梁的快速单侧支模施工。圆形竖井环框梁单侧支模布置如图2所示。
图2 圆形竖井环框梁单侧支模布置
矩形井施工平台所使用的标准幅模块效果与竖井基坑环框梁单侧支模布置如图3,4所示。
图3 矩形竖井基坑定型化施工平台效果
图4 矩形竖井单仓环框梁单侧支模细部
与传统施工相比，该方法工效高，速度快，稳定性好，无胀模、跑模现象发生。以工程6号竖井为例，基坑开挖阶段，环框梁施工节约工期至少15d;劳动力节省11人，同时减少吊装次数60%～75%，使工程安全、质量、进度均得到了良好的控制。
5.2.2 环框梁箍筋优化
环框梁钢筋施工，因一侧空间被围护结构占据，多肢箍筋的绑扎面临无操作空间、效率极低的问题。3号竖井首次施工时，由于箍筋密集，主筋数量多、直径大，且角部位置由于竖井空间狭小，主筋无法插入箍筋骨架，钢筋安装被迫中断，进行环框梁的箍筋优化势在必行。
优化前，采用sketchup三维软件模拟与计算分析多种绑扎方式，最终采取将大箍筋加工成2个“L”形，增大外侧大箍筋的截面积或减小最外侧箍筋间距，小箍筋改为单肢箍，并将吊筋分割成底部、顶部及斜拉3个部分，同时调整安装顺序的方案(见图5)。该优化方案大幅度降低了安装难度，同时确保环框梁的受力满足要求，提高了施工效率。
图5 3号竖井优化后的环框梁钢筋示意
5.3 施工监测
超深竖井基坑开挖期间，监测是监控基坑安全的重要手段，需严格按照图纸及规范要求展开施工监测。本工程竖井施工监测重点为:(1)支护桩(墙)顶的垂直和水平位移及深层水平位移监测(桩、墙身测斜);(2)支撑轴力、支撑两端点的差异沉降;(3)地面沉降;(4)坑外土体测斜;(5)支护桩(墙)内力;(6)基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的水平位移及沉降。
通过监测实测值与设计值对比分析，本工程基坑设计安全富余度均较高，基坑较安全。
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小断面超深竖井施工，空间小、竖井深、支撑密集、交叉作业频繁，需做好井口布置，确保施工过程的安全与效率。竖井井口布置应综合考虑竖井开挖阶段与盾构施工阶段，做好吊装区、人行区的分区及楼梯、悬挂电梯、管线及临边防护的布置。
采用BIM三维模拟进行可视化布置，将楼梯、悬挂电梯与通风管集中至一仓，减小对吊装的影响，扩大吊装区域;将双跑楼梯优化为单跑楼梯，将空间利用达到最大化、最优化。
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1)竖井施工前，应对周边建(构)筑物、水文地质情况、设计文件进行全面考察及深入分析，对竖井施工方案进行理论及三维模拟，及时发现施工中可能面临的问题，便于施工前进行优化。
2)小断面超深竖井施工，机械选型、工艺选择及井口布置是确保施工安全、进度、经济的重点，应根据设计要求、水文地质情况进行充分地调研及模拟，可考虑不同机械、工艺之间的组合，以提高方案的广泛适用性，提高施工效率。
3)小断面超深竖井施工中，可能面临一些设计及方案欠考虑的地方，施工中应进行灵活处理，采取加强或优化措施，确保施工安全。
CSM工法
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