0 引言

　　武汉位于长江中游，受长江水流长期分选作用，地层由浅到深沉积粒径表现出由细到粗。上部为黏性土、淤泥质土(潜水层)，下部为交互层，为砂和砾石层(承压水层)，是一种典型的二元结构，尤其在长江和汉水I级阶地上表现尤为突出^[1]。下部承压水层接受长江水流补给，因此长江I级阶地上深基坑多采用落底式止水帷幕，以隔断承压水层与长江水力联系，减小基坑降水对周边环境影响。

　　止水帷幕一般为水泥土墙或地下连续墙。地下连续墙可充当支护结构和止水帷幕，工艺成熟，“两墙合一”工艺可缩短整体工期^[2,3,4,5]。地下连续墙造价昂贵，如果不是周边环境对地下水渗流特别敏感情况，止水帷幕很少采用，多采用水泥土墙工艺。水泥土墙能够达到隔水效果且造价较低，施工方便，多用于长江I级阶地上落底式止水帷幕。

　　水泥土墙按施工工艺分为传统的桩式水泥土搅拌墙和等厚水泥土墙，等厚水泥土墙按施工方法又可分为原位搅拌注浆成墙(TRD工法和CSM工法)和成槽注浆成墙(液压抓斗工法)，传统桩式水泥土搅拌墙施工深度<30m，且防渗效果很难控制^[6]。TRD工法、CSM工法和液压抓斗工法都属于新型水泥土墙施工工艺，最大施工深度达到60m以下，且防渗效果好，能满足深部落底式止水帷幕施工质量要求，但3种工法也各有其特色与适用范围^[7,8]。

　　综合考虑造价、现场场地条件与地层条件，长江I级阶地上某深基坑施工止水帷幕采用液压抓斗机工法施作水泥土墙。基于该工程施工工艺，本文分析了液压抓斗工法水泥土墙在该场地条件下的施工效果。

　　1 工程概况

　　某基坑工程位于长江I级阶地，长江右岸距江边直线距离1km。基坑开挖深度为13.5～17.2m，开挖面积3 600m²，基坑周长约250m，基坑西边距离某4层大楼最近3.2m，该大楼地基为天然地基，南边距离某地铁站出入口9.5m。

　　基坑支护采2道内支撑+单排桩形式，东南角局部为3道内支撑。场地细砂层以下为承压含水层，处于基坑开挖深度范围内，承压水头位于淤泥层中。出于基坑开挖安全性考虑，降低基坑降水和开挖对周边环境的影响，在支护桩外围基坑四周设置落底式止水帷幕，进入(9)₁层强风化泥岩中1m以下，隔断基坑范围底板以下土层内承压水与外界的水力联系，支护平面和典型支护剖面如图1,2所示。

　　图1 基坑支护平面 

　　工程场地位于长江Ⅰ级阶地，地层呈现出典型的武汉二元结构地层工程地质特征，由浅到深地层土颗粒逐渐变粗，渗透性逐渐增大，土层特征如表1所示。

　　2 等厚水泥土墙施工工法

　　2.1 TRD工法

　　TRD工法构建的等厚水泥土墙要比传统桩式水泥土搅拌墙适用范围更广，可适用于黏土、砂土、直径<10cm的砂砾及砾石层，还能适用于标贯击数<30的密实砂层和无侧限抗压强度≤5MPa的软岩地层。其最大成墙深度≤60m，垂直度偏差≤1/250，墙厚550～850mm，并按50mm模数调整^[9]。

　　表1 土层特征 

　　图2 典型支护剖面  

　　该工法不足之处为:(1)该工艺限制了机械的运转路线，只能直线成墙不能转弯，如果需要转向工作，就要从切割箱中拔出，再放下，中间过程至少需要2d;(2)当地下存在障碍物时需要拔出切割箱，清除掉障碍物后才能再次工作;(3)做止水帷幕施工时，TRD工法的造价比SMW工法高。

　　2.2 CSM工法

　　CSM工法结合了液压铣槽机和深层搅拌技术的特点。通过配置在钻具底端的2组铣轮水平轴向旋转下沉掘削原位土体至设计深度后，提升喷浆旋转搅拌形成矩形水泥土槽段连接筑成等厚水泥土等厚水泥土墙。适用于软黏土、砂土、粒径≤20cm的卵砾石和单轴抗压强度≤20MPa的硬岩，墙厚范围550～1 200mm，最大成墙深度≤80m^[6]。

　　该工法不足之处为:(1)不适用于邻近高等级的安全保护区，钻杆过高，存在倾覆破坏的风险;(2)不适用于存在较多孤石、厚度较大卵石层的地层，容易造成机械磨损，维修成本较高;(3)不适用于渗透性高、地下水丰富的地层，影响水泥土固结成型，很难达到从根本上止水的效果^[9]。

　　2.3 液压抓斗工法

　　利用液压抓斗机斗齿切削土体，切削下的土体收容在斗体内，从槽段内提出后开斗卸土，如此循环往复进行挖土成槽。成槽达到设计深度后将配置好的水泥土浆液通过导管泵入到槽中，水泥土下沉到槽底，不断向上堆积填满整幅槽。成槽垂直度≤1/300，可以适用标贯击数≤40的黏性土、砂性土及砾卵石地层等，除了大块的漂卵石、基岩外，一般的覆盖层均可。与另外两种工法相比，其造价低，但是工序较多，从挖槽到形成水泥土墙工期较长，尤其是遇到硬土层时，成槽工效降低较大。

　　长江I级阶地上某基坑需要采用落底式止水帷幕，要求进入强风化泥岩≥1m。场地周边环境复杂，基坑边线呈不规则形状，TRD工法施工不能满足工期要求，地层含有深厚卵石层，采用CSM工法容易造成对是施工机械的巨大损耗，不适宜CSM工法施工，综合考虑施工造价与工期进度要求，最终采用液压抓斗工法水泥土墙工法。

　　3 液压抓斗水泥土墙工法施工流程

　　按照抓斗机规格，一幅墙长2.8m，宽0.8m，相邻两幅墙间搭接长度为0.4m，围绕基坑四周共设置108幅墙。每幅墙的施工流程见如图3所示，通过定位确定水泥土墙成槽位置，抓斗成槽前，先修筑混凝土导墙，强度等级为C20，采用“倒L”形断面，两导墙间距800mm。

　　图3 液压抓斗水泥土墙工法施工流程 

　　3.1 抓斗成槽

　　根据工艺，槽段划分为普通槽段和结合槽段。普通槽段一般为2.8m，结合槽段(接头搭接40cm，而抓斗宽为2.8m)为2.0m，如图4所示。导墙混凝土达到一定强度(24h强度)后，根据轴线，在导墙顶面上标记出开挖槽段范围。

　　为保证抓斗开挖时左右吃力均衡和成槽垂直精度，结合槽段只有一抓且槽段宽度仅为2.0m，这样成槽机在开挖时，可以两边同时开挖掉40cm，保证接头的整体性。

　　图4 槽段开挖 

　　3.2 槽底入岩

　　落底式止水帷幕要进入(9)₁层强风化泥岩中1m，阻隔基坑内外水力联系，降低基坑降水对周边天然地基建筑的影响。(9)₁层强风化泥岩强度不高，控制液压抓斗可以破碎该层岩层，使槽底标高达到设计深度。

　　3.3 清基

　　成槽至标高后，采用液压抓斗进行清淤，使水泥土墙沉渣厚度≤100mm。槽孔的清孔换浆采用泵吸反循环法，将槽内的稠状物抽出，在清除孔内废渣的同时及时向孔内补充新鲜泥浆。

　　清孔过程中排除的泥浆经砂石泵抽到泥浆回收池，经过净化处理后，钻渣用汽车运至指定的弃料场，分离出的泥浆进行回收再利用。浇筑水泥土时，槽内泥浆直接用3PN立式泥浆泵回收，通过供浆管直接供应到其他槽段或回送制浆站进行回收，污染严重的泥浆予以废弃。

　　清孔后4 h内未能开始浇筑水泥土时，须对孔内淤积情况进行复测，在淤积符合规范及设计要求时可进行水泥搅拌土的浇筑;如孔底淤积超标，必须进行二次清孔，直至符合设计及规范要求后，方可进行搅拌土的浇筑。

　　3.4 水泥土施工

　　抓斗水泥土墙采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比1.2，水泥掺入比为25%。制备好的泥浆存放入泥浆储存池，存放时间过长时，应采用搅拌机进行搅拌，防止泥浆产生离析、沉淀。

　　水泥土浆必须随拌随用，防止水泥土浆存放时间过长而凝固，采用立式泥浆泵配螺纹软管输送至各槽段。

　　待槽段开挖完成并经验收后，开始配制缓凝水泥土浆，配制数量达到1/2槽段开挖方量时，可以在开挖好的槽段安放导管，2.8m宽槽段安放2根导管，水平方向各距两侧槽端400mm，导管距孔底50cm。

　　用22kW泥浆泵将缓凝水泥土浆从专用泥浆箱抽出并压入槽段导管内，使缓凝水泥土浆由槽底向上将泥浆顶出并置换。缓凝水泥土浆将槽段全部填充完成后该槽段施工完成。

　　4 关键技术及质量控制要点

　　4.1 成槽施工要点

　　抓斗进场后先组装，调试仪表并检测斗体垂直度。抓斗停靠在导墙内侧并平行于槽孔轴线，抓斗开槽时要保证抓斗主机开行方向与槽孔轴线平行，抓斗斗体中心与槽轴线一致。槽孔垂直度必须控制在0.3%以内，为保证槽孔垂直度，抓斗成槽过程中要严格控制槽孔上口开挖精度，随时检查垂直偏差，有问题应及时纠正抓斗。

　　开槽前必须先注入护壁泥浆，护壁泥浆用优质膨润土加水进行配制，用钢板泥浆箱存放，挖槽过程中随时补充泥浆，防止塌孔和保证开挖质量。

　　4.2 水泥土施工要点

　　导管插入到离槽底标高300～500mm，方可浇筑水泥土。检查导管的安装长度，并做好记录，导管插入水泥土深度应保持在2～6m。

　　为保证水泥土在导管内的流动性，槽段水泥土面应均匀上升且连续浇筑，浇筑上升速度≥2m/h，两根导管间的水泥土面高差≤300mm。

　　考虑到水泥土浆的泌水问题，现场专门试验测得水泥土的泌水率为6.3%，保守估计50m深度的水泥土墙要泌水缩减4m左右，现场制水泥土浆池为75m³，一池水泥土浆注入一幅槽中的深度约为10m。在离导墙面3～4m停止注浆，待槽中水泥土浆泌水数小时后，再次补浆，控制大约一池的水泥土最后将槽注满。

　　4.3 质量检验

　　槽段施工完成3d内，采用轻型动力触探(N10)检查上部墙身的均匀性，检验数量为施工槽段数的1%，且≥3幅。必要时，在成墙7～15d后，采用浅部开挖检查墙顶质量，如成墙厚度、搭接宽度、位置偏差、搅拌的均匀性等。开挖深度应超过停浆(灰)面下0.5m，检查数量≥总幅数的5%。

　　基坑开挖前，应用钻芯法检测加固体的单轴抗压强度、完整性、连续性、均匀性和深度;单轴抗压强度试验的芯样直径≥80mm。检测幅数≥总幅数的2%，且≥6幅，每幅墙的取芯数量≥5组，每组≥3个试块。芯样应在墙长范围内连续钻取的桩芯上选取，取样点应沿墙长不同深度和不同土层上的5点，且在基坑坑底处设置取样点，检测合格后方可进行土方开挖。钻取芯样的空隙应注浆填充。

　　现场成墙18d后取芯，从取芯结果可知，水泥土连续墙在局部4～6m深度处水泥土未有效固化，表现出软塑性状态，其他深度处水泥土墙基本成形，局部有碎块状芯样。

　　3～4m深度水泥土未成形，因为水泥土固化速度与水泥土的浓度有关，浅层水泥土浓度较小，固化速度较慢，表层4m以内在地下水位上，水泥土与空气接触较多，再加上后期补浆形成一定强度固化。4～9m处于地下水位附近，并且由于上部硬壳层的阻隔，该深度处水泥土浆与空气接触较少，最终导致该处水泥土固化速度较慢。

　　局部呈碎块段区域，分析原因为:(1)考虑钻探原因，本身水泥土固化强度不高，在强度变化区域，钻进过程中的振动导致局部岩芯破碎，并由于泥浆返浆反复冲刷导致原有可能为短柱状的岩芯碎裂;(2)水泥土浆注浆原因，提管注浆过程中注浆时间差异导致水泥浆排挤原有护壁泥浆程度有差异，形成的混合体削弱了水泥土强度。

　　现场芯样抗压强度沿深度变化如图5所示，图中显示的是19号与24号水泥土墙在成墙28d后的取芯强度，结果显示两幅墙强度沿深度呈增加趋势，这主要是因为水泥土浓度随深度增加而增大。由于水泥土墙在本基坑工程中不作为基坑支护结构，只用作止水帷幕，所以其强度只作为成墙质量检验的参考依据。

　　图5 成墙28d后取芯抗压强度 

　　不同部位注浆时间不同对原有护壁泥浆的排挤程度也不相同，最终会使部分护壁泥浆包裹在水泥土浆中，影响了水泥土墙的连续性。

　　5 结语

　　对比水泥土墙施工3种常用工艺的特点，结合长江I级阶地上某基坑落底式水泥土墙止水帷幕工艺选型，总结现场水泥土墙施工采用液压抓斗工法。根据现场施工效果，分析了液压抓斗工法水泥土墙施工流程及质量控制要点，并对取芯效果进行总结，得出以下设计施工技术关键点。

　　1)基坑轮廓呈不规则形，若采用TRD工法施工，不能满足工期要求，现场地层有深厚卵石层，帷幕需要入岩，若采用CSM工法对机械损耗巨大。选择液压抓斗法施工水泥土墙能节省造价并满足工期与施工质量的要求。

　　2)成槽施工过程中严格控制槽孔的垂直度，抓斗停靠在导墙内侧并平行于槽孔轴线，抓斗开槽时要保证抓斗主机开行方向与槽孔轴线平行，抓斗斗体中心与槽轴线一致。

　　3)水泥土注浆过程中，考虑到水泥土泌水问题，水泥土浆到达距离顶部3～4m暂停注浆，数小时后再将槽中注满浆，所以在注浆下一幅前要保证两节注浆管在水泥土中等待注浆。