詹 濤, 楊春勃, 安 斌
(1. 南昌軌道交通集團(tuán)有限公司, 江西 南昌 330000; 2. 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司, 河北 三河 065201)
我國城市軌道交通發(fā)展迅猛,目前已有42個(gè)城市在進(jìn)行軌道交通建設(shè),規(guī)模大、范圍廣,“十三五”階段是建設(shè)城市軌道交通的黃金時(shí)期。地下連續(xù)墻作為一種安全性較高的明挖基坑擋土構(gòu)件,已廣泛應(yīng)用于市政工程等的基坑施工中。隨著各種深大基坑工程施工,地下連續(xù)墻的深度越來越大,碰到的巖層也越來越復(fù)雜。成槽機(jī)、引孔鉆機(jī)、旋挖鉆、銑槽機(jī)等以單一或組合的形式應(yīng)用于地下連續(xù)墻施工中,以達(dá)到在不同復(fù)雜地層中快速施工的目的。
1996年我國引進(jìn)第1臺德國寶峨公司的雙輪銑槽機(jī),由于該機(jī)在三峽2期圍堰工程中的出色表現(xiàn),雙輪銑槽機(jī)普遍地出現(xiàn)在城市基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中。國內(nèi)外學(xué)者對銑槽機(jī)的應(yīng)用做了大量的研究,如文獻(xiàn)[1-5]針對雙輪銑槽機(jī)在深圳[1]、福州[2]、長沙[3]等不同地區(qū)及堅(jiān)硬花崗巖[4]、軟土地區(qū)[5]等不同地質(zhì)中的應(yīng)用做了總結(jié)分析。文獻(xiàn)[6-7]論述了南昌地區(qū)主要的地下連續(xù)墻入巖成槽技術(shù)。胡春環(huán)等[8]比較了液壓雙輪銑技術(shù)與液壓抓斗技術(shù)。陳剛[9]較詳細(xì)地闡述了抓銑結(jié)合工藝在超深地下連續(xù)墻施工中的應(yīng)用。雖然雙輪銑槽機(jī)具備成槽工效高、成槽精度高、槽壁光滑、適應(yīng)地層地質(zhì)范圍廣等優(yōu)點(diǎn),但在含有黏粒等特殊地層中如果銑槽機(jī)選型不當(dāng),仍會嚴(yán)重影響施工效率。目前對銑槽機(jī)的研究主要集中在不同地層的工藝使用上,而對在特定地層中通過刀盤選型及配套設(shè)備選用快速提高成槽技術(shù)的研究甚少。
南昌地區(qū)的巖層主要有泥巖、砂巖與泥質(zhì)粉砂巖,在這3種地層中施工地下連續(xù)墻成槽,屬泥質(zhì)粉砂巖最為緩慢,其主要原因是該地層含泥量高,泥水難以分離,攜渣能力差,且成槽設(shè)備的刀具易被糊??;加之粉砂顆粒細(xì)、含量高、致密、強(qiáng)度高、巖層厚,成槽設(shè)備的刀具難以快速貫入和切削。本文以南昌軌道交通3號線六眼井站為例,通過對刀盤及配套設(shè)備選型、調(diào)整施工工藝,闡述地下連續(xù)墻在泥質(zhì)粉砂巖地層中采用雙輪銑快速成槽施工技術(shù)。
南昌軌道交通3號線六眼井站地處西湖老城區(qū),位于象山南路和南浦路交叉路口,沿象山南路南北向布置,周邊緊鄰高層建筑。車站結(jié)構(gòu)為雙柱3跨地下3層島式車站,總長為179.5 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬為22.2 m,基坑開挖深度為23.6~26.5 m。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部采用地下連續(xù)墻,共有74幅地下連續(xù)墻。墻厚為1 m,標(biāo)準(zhǔn)槽段幅寬為6 m。地下連續(xù)墻深為29.7~31.5 m,入巖平均深度為14 m。六眼井站車站標(biāo)準(zhǔn)段斷面如圖1所示。為滿足交通疏解要求, 六眼井站為半蓋挖車站,地下連續(xù)墻分2期施工,每期37幅。
地下連續(xù)墻施工涉及復(fù)合地層(見圖1)自上至下依次為: 雜填土(層厚約3 m)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(層厚約2 m)、中粗砂(層厚約2.5 m)、礫砂(層厚約8.5 m)、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(層厚約1.5 m)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(層厚約13 m)。
泥質(zhì)粉砂巖是指泥質(zhì)成分(即顆粒粒徑小于0.005 mm的物質(zhì))占到粉砂巖總質(zhì)量的25%~50%。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度一般小于10 MPa,結(jié)構(gòu)大部分破壞,礦物成分顯著變化,風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體破碎,用鎬可挖。中風(fēng)化的巖石裂隙比較發(fā)育,沿裂隙有較多的次生礦物生成,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為紫紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),巖面風(fēng)化中等,巖體較完整,局部見少許垂直裂隙,少數(shù)鐵、錳質(zhì)渲染,錘擊聲啞,無回彈,有凹痕,易擊碎,巖芯多呈短柱狀,RQD為80%~95%,巖石基本質(zhì)量等級為Ⅳ級,局部夾青灰色鈣質(zhì)泥巖,穩(wěn)定性較好。六眼井站中風(fēng)化巖層情況如圖2所示。
圖1 六眼井站車站標(biāo)準(zhǔn)段斷面圖(單位: mm)Fig. 1 Typical cross-section of Liuyanjing Station (unit: mm)
圖2 六眼井站中風(fēng)化巖層情況Fig. 2 Weathered stone revealed from Liuyanjing Station
站址地下水類型可分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水3種類型。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)主要以砂層內(nèi)潛水為主,水位標(biāo)高17.5 m?;拥撞繕?biāo)高-2.0 m,最大水頭高度19.5 m。
基坑處于富水砂層中,水頭壓力較大,基坑開挖時(shí)滲漏水、噴涌砂風(fēng)險(xiǎn)較高。
站址位于西湖區(qū)象山南路與南浦路交叉口,車站周邊有多棟高層民用及商業(yè)建筑,其中,江西南華醫(yī)藥有限公司(地上14層)距離站址2 m、樟樹國藥局(地上7層)距離站址1.9 m、華潤萬家居民樓(8層)距離站址6.8 m、贛劇院(2層)距離站址8.9 m、綠地售樓處(2層)距離站址9.2 m。近接建筑物多而近,對基坑施工的變形、振動、基坑滲漏要求較高。六眼井站周邊建筑位置關(guān)系平面圖如圖3所示。
圖3 六眼井站周邊建筑位置關(guān)系平面圖Fig. 3 Plan showing relationship among Liuyangjing Station and surrounding buildings
采用文獻(xiàn)調(diào)研、現(xiàn)場調(diào)查、理論分析等相結(jié)合的方法,分析國內(nèi)外地下連續(xù)墻施工工藝,針對六眼井站入巖深、距離建筑物近的特殊條件,對本工程地下連續(xù)墻施工工藝進(jìn)行比選分析。
成槽機(jī)+旋挖鉆機(jī)結(jié)合成槽工藝[10]: 旋挖可以在礫砂層、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中成孔,且成孔效率較高,為沖擊鉆孔效率的2~4倍;但旋挖鉆成孔過程中,由于地下連續(xù)墻深度達(dá)33 m,鉆桿的垂直度不容易達(dá)到規(guī)范要求,導(dǎo)致成槽機(jī)成槽時(shí)糾偏難度大,易形成2幅相鄰槽段豎向錯(cuò)臺,造成墻縫滲漏噴涌、結(jié)構(gòu)侵限的風(fēng)險(xiǎn)極大。
成槽機(jī)+沖擊鉆結(jié)合成槽工藝: 在地下連續(xù)墻成槽施工中應(yīng)用較早,工藝較成熟,在地層適應(yīng)性上,沖擊鉆適宜在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)成孔,垂直度控制較旋挖鉆要好;但沖擊鉆效率低、沖擊振動大,造成成槽時(shí)間長、工期延后較多,特別是距離建筑物較近時(shí),振動對周邊建筑物的影響大。
雙輪銑槽機(jī)成槽工藝適應(yīng)地層范圍廣[11],本站點(diǎn)回填土、礫砂、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖均適用,作業(yè)效率高,雖然在土層中效率優(yōu)勢并不明顯,但在巖層施工中效率是普通成槽機(jī)的幾倍,是其他成槽設(shè)備無法比擬的;同時(shí)成槽(孔)質(zhì)量好,可使墻體的垂直度偏差值控制在3‰以下,降低相鄰幅段之間的錯(cuò)臺,提高接頭清刷質(zhì)量,有效減少槽段之間的夾泥夾渣,大大降低墻縫滲漏噴涌的風(fēng)險(xiǎn),保障近接建筑物的安全。
通過對比分析,六眼井站地下連續(xù)墻采用工效高、成槽質(zhì)量好的銑槽機(jī)工藝施工。雙輪銑槽機(jī)施工工藝如圖4所示。
圖4 雙輪銑槽機(jī)施工工藝Fig. 4 Grooving technology of double-wheel trench cutter
根據(jù)市場調(diào)研,國內(nèi)使用的銑槽機(jī)刀盤有3種: 平齒、錐齒和球齒(見圖5)。銑槽機(jī)刀盤選型時(shí)結(jié)合巖層強(qiáng)度選用不同的刀盤,可將刀盤工效最大化。刀盤選型(宏觀上): 軟巖采用平齒,稍硬巖采用錐齒,硬巖采用球齒。通過查閱不同刀盤在不同巖層強(qiáng)度下的銑槽速度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合六眼井站地下連續(xù)墻中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度(7~8 MPa),初步擬采用標(biāo)準(zhǔn)型平齒銑輪。不同刀盤在不同巖層強(qiáng)度下的銑槽速度如圖6所示。
(a) 平齒(b) 錐齒 (c) 球齒
圖6 不同刀盤在不同巖層強(qiáng)度下的銑槽速度Fig. 6 Grooving speeds of different cutterhead in different stata
六眼井站地下連續(xù)墻深度為31.5 m,入巖深度為14 m,巖石強(qiáng)度較低,鑒于機(jī)械費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理性,機(jī)型滿足現(xiàn)場施工即可[12-13]。從轉(zhuǎn)矩和泥漿泵流量2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)合巖層特性及南昌地區(qū)既有資源,主機(jī)選用意大利土力SC120銑槽機(jī),主要設(shè)備參數(shù)見表1。意大利土力銑槽機(jī)施工作業(yè)如圖7所示。
表1 意大利土力SC120銑槽機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main properties of SC120 trench cutter (Soilmec S.p.A.)
圖7 意大利土力銑槽機(jī)施工作業(yè)Fig. 7 Trench cutter operation (Soilmec S.p.A.)
六眼井站1期前15幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間記錄如圖8所示。平均成槽時(shí)間45.08 h,其中,第2、3、8、9幅在成槽過程中由于銑槽機(jī)刀盤“結(jié)泥餅”,成槽時(shí)間高出平均時(shí)間10 h不等,通過階段性分析總結(jié),意大利土力SC120銑槽機(jī)在六眼井站的成槽速度約為砂層3 m/h、巖層1.5 m/h。
圖8 六眼井站1期前15幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間Fig. 8 Grooving times of first 15 underground diaphragm walls of Phase 1 of Liuyanjing Station
根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn),SC120銑槽機(jī)在其他地區(qū)巖層中成槽速度可達(dá)到2.5 m/h,實(shí)際施工中未能達(dá)到預(yù)期效果,針對施工過程中的各環(huán)節(jié),結(jié)合工程地質(zhì),根據(jù)現(xiàn)場渣樣及設(shè)備性能綜合分析,總結(jié)為以下幾個(gè)原因:
1)六眼井站地層中有3 m厚的黏土層,容易在刀盤面形成泥餅。泥質(zhì)粉砂巖中泥質(zhì)成分(即顆粒粒徑小于0.005 mm的物質(zhì))占到粉砂巖總質(zhì)量的25%~50%,黏粒含量大,在銑輪擠壓和高熱的工況下,易產(chǎn)生泥餅,若不及時(shí)清理,會出現(xiàn)糊輪,造成進(jìn)尺緩慢。
2)泥質(zhì)粉砂巖中黏粒含量過多,巖渣稠度大,泥漿泵負(fù)荷過高,造成大量銑碎的巖渣及粉末滯留,是形成銑槽機(jī)刀盤糊輪的一大主因。
3)銑槽機(jī)泥漿后臺濾砂設(shè)備細(xì)顆粒篩分能力差,三級篩分設(shè)備中除泥機(jī)篩分最小粒徑為0.01 mm,遠(yuǎn)大于泥質(zhì)顆粒0.005 mm,造成循環(huán)漿液細(xì)顆粒過多、稠度大,巖渣和稠漿緊貼銑輪刀盤,形成阻力,消耗部分轉(zhuǎn)矩,造成刀盤進(jìn)尺能力削弱。
4)平齒刀盤面板大,與滯留的巖渣接觸面積大,板與板之間的粉粒易殘留,易結(jié)泥餅易糊刀,降低切削能力;同時(shí),站址中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖巖層實(shí)測強(qiáng)度達(dá)到15 MPa,標(biāo)準(zhǔn)型平齒很難充分切削巖面,即使不糊刀,銑槽速度也達(dá)不到預(yù)期。
5)循環(huán)泥漿溫度高,不能對刀盤有效降溫,為刀盤結(jié)泥餅糊刀盤提供了條件。
施工過程中由于糊輪現(xiàn)象的出現(xiàn),進(jìn)度受到一定約束,銑槽機(jī)的優(yōu)勢未能得到體現(xiàn)。為加快施工進(jìn)度,配置1臺成槽機(jī)抓去上部較軟的黏土層及其他軟土層,到達(dá)巖面以上1 m即更換為銑槽機(jī)進(jìn)行入巖作業(yè),2類設(shè)備前后抓取同一槽段的砂土地層和巖層,充分發(fā)揮銑槽機(jī)在巖層施工的優(yōu)勢,從而提高成槽工效,加快施工進(jìn)度。根據(jù)槽段軟土層的厚度,結(jié)合成槽機(jī)的生產(chǎn)能力,配置1臺SG50成槽機(jī)。
將循環(huán)漿池進(jìn)行擴(kuò)建,增加散熱面積,并做遮陽棚避免漿液被暴曬,使循環(huán)漿能快速降溫;及時(shí)在循環(huán)泥漿中注入新配置漿液,確保進(jìn)入槽內(nèi)的循環(huán)漿處于低溫狀態(tài)。
平齒刀盤面板大,且面板之間的部位容易吸附黏粒,易結(jié)餅糊刀,平齒切削能力稍差,巖渣小而細(xì);替換成錐齒刀盤,貫入度增大,破巖能力強(qiáng),將巖體切削成塊狀,小顆粒大量減少,同時(shí),大塊巖渣摩擦碰撞刀盤,吸附在刀盤的黏粒被沖擊掉落,大大降低了糊刀的風(fēng)險(xiǎn)?,F(xiàn)場更換錐齒刀盤如圖9所示。
圖9 現(xiàn)場更換錐齒刀盤Fig. 9 Replacement of conical tooth type cutterhead
泥漿質(zhì)量指標(biāo)主要有相對體積質(zhì)量、黏度及含砂率。
1)當(dāng)相對體積質(zhì)量偏高時(shí),泵的負(fù)荷增大,泵閥的磨損加快;相對體積質(zhì)量偏低,分離設(shè)備很難充分發(fā)揮工效,且產(chǎn)生廢漿較多,廢漿外運(yùn)的成本較高。
2)當(dāng)黏度較低時(shí),攜渣能力差,泥膜質(zhì)量較差,影響槽段安全;黏度較高,影響分離設(shè)備的效果,刀盤上容易形成泥糊。
3)含砂率是泥漿內(nèi)所含的砂和黏土顆粒的體積百分比。泥漿含砂率大時(shí),會降低銑槽貫入度,增加沉淀,容易磨損泥漿泵和鉆錐等鉆具。
通過試驗(yàn)分析,當(dāng)泥漿指標(biāo)控制為相對體積質(zhì)量1.05~1.15、黏度20~25 s、含砂率<4%時(shí),可以提高泥漿的攜渣能力,并減小巖石粉末和土層中的黏土附著在刀盤或已經(jīng)形成的泥餅上的概率[14-15],并且可以化解初步形成的泥餅。
為了降低泥漿中的含砂率,將后臺濾砂濾泥設(shè)備改為離心設(shè)備進(jìn)行泥水分離,降低了漿液中的含砂量,循環(huán)漿質(zhì)量得到提升,護(hù)壁、浮渣效果得到改善,提高了漿液的攜渣能力,同時(shí)為地下連續(xù)墻后續(xù)工藝的施工提供了保障。除砂機(jī)設(shè)備作業(yè)如圖10所示。泥水分離后的固、液相分別如圖11和圖12所示。
圖10 除砂機(jī)設(shè)備作業(yè)Fig. 10 Operation of sand filter
圖11 泥水分離后的固相圖Fig. 11 Solid slurry after separation
圖12 泥水分離后的液相圖Fig. 12 Liquid slurry after separation
在進(jìn)尺達(dá)到巖層一半時(shí),停止掘進(jìn),將銑輪刀盤反轉(zhuǎn)1 min,避免長時(shí)間單方向旋轉(zhuǎn)形成泥餅。當(dāng)糊刀頻繁時(shí),每進(jìn)尺3~4 m即可將銑輪刀盤反轉(zhuǎn)。
在設(shè)備選型時(shí),考慮含黏粒較多的泥質(zhì)粉砂巖條件,適當(dāng)選擇大轉(zhuǎn)矩銑槽機(jī),增強(qiáng)破巖能力。一次貫入深度大,增大了巖渣塊徑,可預(yù)防刀盤結(jié)泥餅及減小糊刀盤的概率,提升銑槽機(jī)的有效作業(yè)時(shí)間。
在巖塊直徑增大、破巖效率增大的情況下,增大泥漿泵的功率,增強(qiáng)攜帶能力,減少巖渣滯留,可有效防止結(jié)泥餅,在殘?jiān)俚墓r下,進(jìn)尺也能進(jìn)一步加快。但在加大抽渣泵功率的同時(shí),也要加大循環(huán)漿泵的功率與之匹配,保證泥漿液面的高度滿足規(guī)范要求。
通過采用5.1—5.5節(jié)的技術(shù)措施,并對刀盤、后配套泥漿處理設(shè)備進(jìn)行更換、泥漿指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,有效提高了成槽速度,降低了“結(jié)泥餅”的頻率,成槽速度提升至2 m/h,單幅成槽時(shí)間降低至26.7 h,順利完成了1期地下連續(xù)墻的施工。1期第16—30幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間如圖13所示。
圖13 1期第16—30幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間Fig. 13 Grooving times of 16th to 30th underground diaphragm wall of Phase 1 of Liuyanjing Station
六眼井站2期地下連續(xù)墻施工前,具備再次選型的機(jī)會。
結(jié)合南昌地區(qū)既有資源,主機(jī)更換為德國寶峨BC40。德國寶峨BC40銑槽機(jī)施工作業(yè)如圖14所示。SC120與BC40關(guān)鍵參數(shù)對比如表2所示。2期37幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間如圖15所示。
圖14 德國寶峨BC40銑槽機(jī)施工作業(yè)Fig. 14 Operation of milling machine (Bauer Group)
表2 SC120與BC40銑槽機(jī)關(guān)鍵參數(shù)對比Table 2 Comparison of main properties between SC120 and BC40
經(jīng)過對比,采用SG50成槽機(jī)+德國寶峨BC40銑槽機(jī)“抓銑”結(jié)合施工工藝,在銑槽機(jī)刀盤設(shè)置錐齒刀盤、后配套一致的情況下,德國寶峨BC40銑槽機(jī)在更小的占地尺寸的情況下?lián)碛懈蟮霓D(zhuǎn)矩以及泥漿運(yùn)輸能力,可以更好地適應(yīng)南昌泥質(zhì)粉砂巖地層,成槽速度提升至2.75 m/h,平均成槽時(shí)間縮短為18 h,且單幅成槽時(shí)間穩(wěn)定,與平均時(shí)間基本吻合。
圖15 2期37幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間Fig. 15 Grooving times of 37 underground diaphragm wall of Phase 2 of Liuyanjing Station
本文依托南昌軌道交通3號線六眼井站工程,通過對南昌地區(qū)較厚的泥質(zhì)粉砂巖地層的性狀分析,并充分調(diào)研現(xiàn)有的巖層成槽設(shè)備性能,結(jié)合六眼井站前后2期地下連續(xù)墻的施工實(shí)踐得到以下結(jié)論:
1)復(fù)合地層中采用“抓銑”結(jié)合工藝對加快工程施工進(jìn)度優(yōu)勢顯著。
2)針對南昌地區(qū)較厚的泥質(zhì)粉砂巖地層,錐齒型刀盤比標(biāo)準(zhǔn)平齒刀盤具有更好的破巖效果,可快速成槽且刀盤結(jié)泥餅的概率低。
3)在相同刀盤配置的情況下,選擇相適應(yīng)的設(shè)備轉(zhuǎn)矩、相適應(yīng)功率的泥漿泵系統(tǒng)更適合于該泥質(zhì)粉砂巖地層,在增強(qiáng)破巖能力的同時(shí)能提高出渣效率,大大減小結(jié)泥餅糊刀盤的風(fēng)險(xiǎn),施工速度進(jìn)一步提升。
4)在泥質(zhì)粉砂巖地層中,離心式泥水分離系統(tǒng)較振動濾砂機(jī)擁有更好的泥水分離效果,可有效保障槽段內(nèi)泥漿性能。
通過采用相關(guān)的措施,改善了循環(huán)漿的質(zhì)量、降低了刀盤的溫度、增強(qiáng)了破巖能力,加大了泵的出渣能力,大大降低了刀盤結(jié)泥餅的概率,加快了現(xiàn)場的施工進(jìn)度,解決了南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖雙輪銑槽機(jī)結(jié)泥餅、糊刀盤等降低成槽工效的難題,形成了適應(yīng)南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖地層的地下連續(xù)墻快速成槽施工技術(shù),可以在南昌地區(qū)推廣應(yīng)用,也可為類似地層和工程提供借鑒。
由于車站工期影響及相關(guān)準(zhǔn)備不足,只針對銑槽機(jī)工藝在南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖層中如何快速成槽做了分析討論,未對不同刀盤選型、配套設(shè)備及成槽參數(shù)等對成槽質(zhì)量的影響進(jìn)行分析,后續(xù)有待進(jìn)一步研究。