復(fù)雜地層地鐵超深基坑地連墻成槽施工技術(shù)

鄧文濤

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司 陜西西安 710021)

1 工程概況

1.1 地連墻設(shè)計概況

廣州地鐵18號線番禺區(qū)間2＃盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)全長130 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度24.3 m，基坑開挖深度約43.1～45.5 m，采用地連墻＋內(nèi)支撐的支護(hù)體系。地連墻厚度為1 200 mm，包括52幅“一”字形槽段，12幅“L”形槽段，共64個槽段，地連墻標(biāo)準(zhǔn)幅寬為6 m，最小幅寬為3.27 m，地連墻長度42.86～55.33 m，成槽深度46.66～59.54 m，鋼筋籠單幅重量為35.08～75.97 t。采用C35 P6水下混凝土灌注，混凝土方量19 033 m3。

1.2 工程地質(zhì)

(1)地連墻成槽深度范圍從上到下為<1>素填土、<5Z-2>砂質(zhì)黏性土、<6Z>全風(fēng)化混合花崗巖、<7Z>強風(fēng)化混合花崗巖、<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖，局部有<3-2>中粗砂層、<4N-2>粉質(zhì)黏土層。墻底主要位于<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖，局部為<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖。

(2)特殊巖土:主要有填土、殘積土和風(fēng)化巖。①人工填土:未完成自重固結(jié)，地連墻成槽施工過程中易造成槽壁坍塌等。②殘積土:具遇水軟化，失水干裂的特點，成槽過程中易造成槽壁坍塌等。③<8Z>、<9Z>中、微風(fēng)化混合花崗巖:巖石強度較高，成槽施工難度很大。

1.3 水文條件

穩(wěn)定水位埋深3.50～7.90 m；主要含水層為局部區(qū)域<3-2>中粗砂層，透水性中等～強；<4N-2>粉質(zhì)黏土透水性較弱，為相對隔水層；<5Z-2>、<6Z>、<7Z>、<9Z>透水性較弱，為弱透水層，<8Z>透水性中等。

2 成槽設(shè)備的適用性分析

2.1 成槽機

主要負(fù)責(zé)土層(<1>、<5Z-2>、<6Z>、<7Z>)的挖槽施工，其中<5Z-2>標(biāo)貫實測擊數(shù)N＝16～39擊，平均30.6擊，<6Z>標(biāo)貫實測擊數(shù)N＝45～68擊，平均59.2擊，為成槽機理想的適用地層。而〈7Z〉地層，考慮標(biāo)貫實測擊數(shù)N＝70～100擊、平均達(dá)79.8擊，為半巖半土性狀，以及可能存在中風(fēng)化巖夾層，該地層成槽機成槽施工難度較大，工效低，適用性不強[1]。

2.2 雙輪銑

雙輪銑對地層適應(yīng)性較強，巖層中能正常施工?？紤]<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖，近似RQD為40% ～60%，巖體裂隙發(fā)育，局部夾微風(fēng)化巖塊，單軸抗壓強度最小值33.7 MPa，最大值50.20 MPa，平均值37.5 MPa。<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖，近似RQD為50% ～75%，該巖層巖體較完整，強度最高達(dá)80 MPa，成槽難度很大。參考圖1，根據(jù)本工程地質(zhì)特點，選用錐形齒銑頭[2]。

圖1 銑槽機銑輪使用范圍

2.3 旋挖鉆

為提高雙輪銑成槽工效，降低銑輪(子彈頭)磨損量，考慮采用旋挖鉆引孔，減少雙輪銑的工作量，提高其工作效率。鉆頭是影響施工效率的關(guān)鍵因素，對鉆齒的選擇，包括齒形的選擇、數(shù)量的確定、角度的設(shè)計等。

考慮旋挖鉆機在<7Z>、<8Z>地層中引孔具有一定的適用性，鉆齒采用入巖截齒。截齒角度:50°～55°適宜巖石破碎，角度分析見圖2，但應(yīng)考慮施工過程中碰到微風(fēng)化夾層等情況會對槽孔垂直度產(chǎn)生較大影響，一旦斜孔，其糾偏難度很大，應(yīng)盡量避免在極硬巖及巖面變化較大槽段使用[3]。

圖2 截齒典型角度對比

2.4 沖擊鉆機

根據(jù)經(jīng)驗，<7Z>、<8Z>地層中沖擊鉆機具有一定的工效，若遇夾層<9Z>地層，工效會明顯降低，但可充分發(fā)揮其數(shù)量優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)場實際條件及文明環(huán)保要求，投入適量的沖擊鉆機，配合其他成槽設(shè)備作業(yè)，提高整體施工工效?，F(xiàn)場采用抽桶掏渣，錘頭重量為4.5 t，鉆頭選用十字鉆頭[4]。

3 設(shè)備聯(lián)合模式成槽作業(yè)

由于地質(zhì)的復(fù)雜性，依靠單一成槽設(shè)備難以完成整個工程成槽施工，主要采用以下幾種聯(lián)合模式完成成槽施工[5]。

3.1 “抓＋銑”結(jié)合

首開幅槽段為一字型標(biāo)準(zhǔn)幅槽段，設(shè)計槽寬6 m，考慮兩端接頭箱下放空間實際成槽寬度達(dá)7.5 m，采用成槽機分三抓，即2.8 m、2.8 m、1.9 m依次抓除槽段上部土層部分，雙輪銑按抓槽順序完成剩余巖層銑槽作業(yè)[6]，即三抓三刀成槽，成槽方法示意見圖3。

圖3 三抓三刀成槽示意(單位：mm)

(1)能充分發(fā)揮成槽機跟雙輪銑的性能優(yōu)勢，總體施工工效高，周期短。

(2)成槽質(zhì)量好、效率高、噪聲低，文明環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)高，適合城市繁華地段及近接施工。

(3)適合大體積槽段(首開幅槽段)、槽壁坍塌風(fēng)險較大的槽段(轉(zhuǎn)角幅槽段、地質(zhì)較差槽段)及其他有特殊要求的槽段使用。

3.2 “抓＋鉆＋銑”結(jié)合

對于連接幅或閉合幅槽段，采用成槽機分兩抓抓除槽段上部土層，并保留至少3 m厚度土層便于旋挖鉆引孔施工。引孔作業(yè)時，引孔孔位選擇在第一刀、第二刀中心位置(便于雙輪銑銑槽作業(yè))，旋挖鉆孔徑應(yīng)小于槽厚1個量級，剩余巖層部分采用雙輪銑按抓槽順序完成銑槽、修槽作業(yè)，即兩抓兩鉆兩刀成槽，成槽方法示意見圖4。

圖4 兩抓兩鉆兩刀成槽示意(單位：mm)

(1)采用超聲波測壁儀對槽孔的垂直度進(jìn)行及時檢測，旋挖鉆在<7Z>、<8Z>地層引孔，垂直度控制能滿足施工要求，但若施工過程中碰到夾層等地質(zhì)突變情況，會對槽孔垂直度產(chǎn)生較大影響，同時考慮鉆孔工效及糾偏的困難性，不建議在極硬巖地層進(jìn)行旋挖鉆引孔作業(yè)。

(2)引孔位置布設(shè)在每一刀中間位置(即左右銑輪滾刀中間區(qū)域)，相比將引孔布設(shè)在滾刀正下方，能增加接觸面及著力點，銑槽工效更高。

(3)抓鉆銑結(jié)合工藝，大大減小雙輪銑工作量，銑輪(子彈頭)磨損小，工作效率更高。

3.3 “抓＋沖＋銑”結(jié)合

對于閉合幅槽段，單獨考慮圓錘沖孔、方錘修孔施工，施工周期太長，會帶來一系列的問題，需配合其他成槽設(shè)備施工。先采用成槽機分兩抓抓除槽段上部土層，保留至少3 m厚度土層便于沖錘引孔施工；再采用沖擊鉆進(jìn)行沖孔作業(yè)，沖孔孔徑應(yīng)小于槽厚1個量級，沖孔孔位布置采用均布梅花孔的形式，考慮鉆機作業(yè)空間需要，一般由2臺沖擊鉆機負(fù)責(zé)1 個標(biāo)準(zhǔn)幅槽段的1＃、3＃和 2＃、4＃孔，5?？滓曘@機施工進(jìn)度由進(jìn)度快的鉆機完成；最后采用雙輪銑修槽清底完成銑槽作業(yè)，即兩抓五沖孔兩刀成槽，成槽方法示意見圖5。

圖5 兩抓五沖孔兩刀成槽示意(單位：mm)

(1)鉆頭選用十字鉆頭，在<8Z>地層中具有一定的工效，但若遇夾層<9Z>地層，工效明顯降低，判斷該型號沖擊鉆機在強度40 MPa范圍內(nèi)風(fēng)化巖層中具有一定的適用性，但在強度更高的風(fēng)化巖中，工效、垂直度均無法保證。

(2)槽段入中風(fēng)化巖2 m以上時，采用沖錘沖孔、方錘修孔施工方法容易造成縮孔，會影響后續(xù)鋼筋籠、接頭裝置下放等問題，因此，采用沖錘施工其槽段分副寬度應(yīng)盡量縮小，并盡量采用沖錘沖孔、雙輪銑修槽施工方法。

3.4 工效統(tǒng)計分析

各成槽設(shè)備施工工效統(tǒng)計見表1。

表1 1.2 m厚超深地連墻設(shè)備成槽工效統(tǒng)計

(1)強風(fēng)化混合花崗巖<7Z>地層雙輪銑工效約為成槽機72%，成槽機優(yōu)勢明顯，但雙輪銑在中風(fēng)化混合花崗巖<8Z>地層具有很強的適用性。

(2)中風(fēng)化混合花崗巖<8Z>地層旋挖鉆引孔(工效約為雙輪銑25%)、沖擊鉆沖孔(工效約為雙輪銑5.5%)，整體工效偏低，但與雙輪銑搭配使用能有效提高綜合工效，節(jié)約成本。

4 超深槽段槽壁穩(wěn)定性控制

一般情況下，槽段淺部(20 m以內(nèi))拱效應(yīng)更明顯，泥漿作用主要平衡地下水及預(yù)防其侵蝕，隨著槽段加深，泥漿壓力的余量提高槽壁穩(wěn)定的作用逐漸增加，適當(dāng)提高泥漿比重對改善深部槽壁穩(wěn)定性有明顯效果。因此，超深槽段應(yīng)充分利用槽孔的空間效應(yīng)(土體拱效應(yīng))，盡量壓縮槽段寬度；適當(dāng)提高泥漿比重以提高槽壁穩(wěn)定性；針對性地采取槽壁加固措施，結(jié)合工況合理選擇成槽設(shè)備以縮短施工周期[7]。

4.1 合理劃分槽段

(1)首開幅槽段

因施工工藝原因，其幅寬一般較大，應(yīng)選擇“一”型槽段，采用三抓成槽時，中間一抓按(0.3～0.7)倍抓斗單元長度，地質(zhì)條件較好時取大值，既限制了槽段寬度，又利用了中間單元穩(wěn)定槽壁。

(2)轉(zhuǎn)角幅槽段

單獨劃分出一個槽段，以免槽段寬度過大，盡量避免出現(xiàn)“Z”型，角槽通過外放使兩邊不等長，且先施工短邊再施工長邊，避免第一抓時槽壁偏斜、塌孔。同時，應(yīng)避免采用旋挖鉆或沖擊錘成孔、方錘修孔等方法，以減少對槽壁的擾動次數(shù)，控制槽壁穩(wěn)定。

(3)閉合幅槽段

避開轉(zhuǎn)角等不規(guī)則部位，采用合適的槽段寬度，應(yīng)充分考慮到工字鋼接頭兩邊各自有翼緣板無法采用成槽機挖槽或雙輪銑銑槽以及自身的左右偏差等問題，建議采用4～5 m幅寬。

4.2 泥漿管理

(1)泥漿配合比設(shè)計

超深連續(xù)墻所處地層多為復(fù)合地層，應(yīng)以最容易坍塌的土層(人工填土層、砂層及花崗巖殘積土層等)為依據(jù)確定泥漿的配合比。同時，考慮槽深、成槽設(shè)備、施工周期等，適當(dāng)加大泥漿比重[8]。泥漿配合比設(shè)計見表2，泥漿主要性能參數(shù)見表3。

表2 廣州地區(qū)復(fù)合地層成槽施工泥漿經(jīng)驗配合比

(2)泥漿用量

按照施工經(jīng)驗，澆筑混凝土泥漿回收率一般在60% ～80%，泥漿的消耗率(泥漿循環(huán)、排水、形成泥皮、漏漿等)一般在10% ～20%，所有泥漿儲備量應(yīng)達(dá)到每日計劃施工最大成槽方量的2倍以上，遇易產(chǎn)生漏漿等特殊地層時應(yīng)再適當(dāng)提高泥漿的儲備量。

表3 泥漿主要性能參數(shù)

(3)雨季施工泥漿的使用管理

在大雨、暴雨等惡劣天氣情況下，極易因為雨水倒灌、破壞泥漿性能導(dǎo)致槽壁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。因此，雨季施工還應(yīng)做好地面防汛工作，槽段邊提前堆碼砂包，大雨來臨時暫停成槽作業(yè)，槽段口加蓋防雨蓋板，同時，保持一定的抽測頻率，做好新鮮泥漿、槽內(nèi)泥漿的質(zhì)量管控。

4.3 槽壁加固處理

(1)地表加固

地連墻最容易坍塌的部位主要發(fā)生在導(dǎo)墻底部及墻頂一定范圍，導(dǎo)墻施工時，根據(jù)開挖情況對松散土層進(jìn)行挖除、換填或水泥攪拌加固等，對廢棄構(gòu)筑物、管道等進(jìn)行封堵處理；成槽作業(yè)前，在設(shè)備停放區(qū)鋪設(shè)20 mm鋼板，以降低導(dǎo)墻承受集中荷載、緩沖設(shè)備震動帶來的不利影響。

(2)軟弱地層加固

根據(jù)地質(zhì)資料，提前結(jié)合止水帷幕設(shè)計對砂層、淤泥層等采用旋噴樁、攪拌樁進(jìn)行加固處理[9]。

(3)轉(zhuǎn)角幅槽段

成槽過程中其內(nèi)側(cè)(陽角)土體呈兩面臨空狀態(tài)，相比其外側(cè)(陰角)槽壁更容易發(fā)生坍塌，可結(jié)合現(xiàn)場實際需要，提前采用旋噴樁、攪拌樁等對軟弱地層進(jìn)行加固處理[10]。

4.4 合適的成槽方法

對于轉(zhuǎn)角幅、異形幅槽段，優(yōu)先考慮成槽機＋雙輪銑施工方法，除特別情況外，避免增加鉆、沖孔輔助成槽措施，以減少地層擾動，縮短施工周期。

本工程64幅槽段存在塌孔現(xiàn)象的有11幅，且多為輕微坍塌。塌孔主要發(fā)生在導(dǎo)墻往下10 m范圍、花崗巖殘積土范圍及土石分界處，集中在異形槽段、地質(zhì)突變槽段(見圖6)。建議針對特殊槽段加強槽壁加固處理，適當(dāng)提高泥漿比重，通過調(diào)整槽段劃分、合理選擇設(shè)備縮短成槽周期以減少坍塌[11]。

圖6 槽壁坍塌深度范圍及槽段數(shù)量統(tǒng)計柱狀圖

5 超深槽段槽壁垂直度控制

5.1 垂直度控制

(1)成槽時，懸吊抓斗、銑輪的鋼索不能松弛，要使鋼索呈垂直張緊狀態(tài)。同時，量測兩側(cè)導(dǎo)墻與鋼絲繩的距離，如兩側(cè)導(dǎo)墻與鋼絲繩的距離相等或相差不超過20 cm，可認(rèn)為垂直度滿足要求。

(2)成槽機、雙輪銑、旋挖鉆成槽、成孔作業(yè)中，時刻關(guān)注自帶測斜儀器的數(shù)據(jù)，及時糾正垂直偏差。同時，槽深大于15 m后，配合超聲波測壁儀器對成槽質(zhì)量及時進(jìn)行檢查。

(3)沖錘、旋挖鉆在沖孔、引孔作業(yè)時，需保留巖層上部不小于3 m以上土層，便于引導(dǎo)及穩(wěn)定錘頭、鉆頭。

(4)超硬巖地層、巖面坡度較大地層及存在風(fēng)化夾層的不均勻地質(zhì)段，盡量采用雙輪銑或重錘作業(yè)，不建議采用旋挖鉆引孔。

(5)成槽施工中引孔、沖孔孔徑應(yīng)小于槽厚1個量級，如墻厚1.2 m，孔徑則為1 m，一是控制由于偏孔造成的超挖；二是便于銑槽機較好地修正垂直度確保鋼筋籠順利吊放入槽。

2＃盾構(gòu)井地連墻共有64幅槽段，垂直度偏差≤2.5‰的有50幅，垂直度偏差>2.5‰的有14幅，垂直度偏差較大主要原因為巖面變化較大處、土石分界面采用旋挖鉆、沖錘引孔造成(具體見圖7)。建議提前對每一槽段地質(zhì)情況進(jìn)行分析，選擇合適的成槽方法；同時，選擇有經(jīng)驗的設(shè)備操作人員、加強過程中的垂直度檢查、檢測工作，及時發(fā)現(xiàn)偏差并采取糾偏措施。

圖7 垂直度偏差超2.5‰原因統(tǒng)計分析折線圖

5.2 糾偏措施

(1)土層中糾偏

成槽機可利用起、趴臂桿上下反復(fù)拉動強行鏟除傾斜的土體自行糾偏。如果槽段發(fā)生嚴(yán)重的傾斜，在直接用液壓抓斗或其他工具無法將傾斜的部分鏟除的情況下，可采用履帶吊將1塊楔型鋼板吊放至所需糾偏的深度，將鋼板墊塊作為壁面靠山，配合薄壁液壓抓斗強制糾偏[12]。

(2)巖層中糾偏

旋挖鉆引孔出現(xiàn)偏斜、自行糾偏無法實現(xiàn)時需及時暫停施工，后續(xù)再配合雙輪銑進(jìn)行修槽糾偏處理。沖錘沖孔出現(xiàn)偏斜時，可及時回填2～3 m大塊石后，重新沖孔、修孔反復(fù)糾偏，必要時采用雙輪銑進(jìn)行處理。

(3)糾偏效果驗證

糾偏完成后，采用超聲波測壁儀進(jìn)行檢測，吊放鋼筋籠前采用探籠進(jìn)行復(fù)核。

6 結(jié)束語

單幅槽段成槽工效低、施工周期長、槽壁坍塌、槽壁垂直度差等問題嚴(yán)重影響超深地連墻施工的進(jìn)度和質(zhì)量。廣州地鐵十八號線番南區(qū)間2＃盾構(gòu)井基坑地連墻施工中，針對不同類型的槽段、不同的地質(zhì)條件，選用不同的設(shè)備組合成槽，有效解決了硬巖地層成槽工效低以及單幅槽段施工周期長的問題，并通過調(diào)整槽段劃分、加強泥漿的使用管理、優(yōu)化引孔、沖孔工藝等措施，提高了成槽質(zhì)量，為同類工程積累了經(jīng)驗。