超深格構式地下連續墻在海河沉管隧道護堤結構中的應用

張斌梁

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

1 概述

海河沉管隧道是天津市的發展中心——濱海新區中央大道上快速溝通于家堡中心商務區和東西沽地區的重點工程,是華北地區沉管法施工的第一條公路隧道,過河沉管段長255 m,雙向6車道,管段斷面36.6 m×9.65 m。

本隧道沉管段基槽底與兩岸地面高差甚大,最深約24 m,在確保基槽浚挖質量和可靠性的同時,還需要保證南北兩側堤岸的安全,所以岸堤保護在沉管隧道的設計和施工中顯得非常重要。

根據本工程場地環境、工程地質及水文特征、岸堤保護范圍、結構變形量要求以及與沉管法設計施工相關的特點要求,對比不同結構形式的優缺點,并結合當前的施工技術和裝備水平,確定了采用重力式擋墻方案。護堤分為沉管與暗埋段相接處的鋼管樁支護結構+單排深層水泥攪拌樁止水幕墻,兩翼的格構式地下連續墻擋墻和雙排深層水泥攪拌樁擋墻3個部分,其平面位置如圖1所示。其中隧道岸邊基槽浚挖深度8.5～24.65 m,采用地下格構式地下連續墻結構。護堤結構兼做臨時防汛墻的基礎,實現施工期的防汛安全；同時南岸的連續墻格構還有兼作干塢塢墩的作用,減少了工程量以及工程費用。

圖1 堤岸保護結構工程平面示意

2 場地環境和工程地質條件

隧道軸線處海河兩岸岸線現狀是,南岸及兩側主要是天津船廠及碼頭,護堤位于原西沽碼頭砂場內；北岸及兩側范圍為石油倉儲基地和碼頭,護堤位于原西貨場內。沿河邊建有混凝土防汛墻,堤外有拋石。該段海河水位由人工控制,非汛期控制水位一般在0.98～0.78 m。河床高程約為-9.2 m。

以南岸為例。南岸岸堤高程為+2.50 m,護堤最深墻趾高程為-50.0 m。土層自上而下依次為:①人工雜填土層,厚0.40～3.20 m；②新近沉積層,厚0.6～3.2 m,以黏土、粉質黏土為主,局部含淤泥質土和粉土；③第Ⅰ海相層,厚14.7～17.4 m,主要含粉質黏土、粉土、淤泥質土、黏土；④第Ⅱ～Ⅲ陸相層,厚10.2～15.4 m,主要含粉質黏土、粉土、粉砂、細砂；⑤第Ⅱ海相層,平均厚19 m,層底高程-46.37～-48.58 m,主要含細砂、粉砂、粉質黏土；⑥第Ⅳ陸相層,平均厚11 m,層底高程-53.65～-58.90 m,主要含有粉質黏土、粉土。根據土層透水性評價,其中⑥-1亞層為不透水的粉質黏土層,該層上下土層弱透水或微透水。場地靜止地下水位埋深為0.80～1.30 m。

3 格構式擋墻的結構及布置形式

圖2 南岸東翼格構式護堤擋墻平面示意(單位：mm)

圖3 臨河側示意

為增加格構式擋墻的整體剛度,地下墻之間采用十字剛性抗剪鋼板接頭；格構內在隧道基槽浚挖面上下各2.5 m范圍采用旋噴樁或水泥攪拌樁加固,在頂面下3 m處設100 cm厚鋼筋混凝土板,以增加其整體剛度。

經計算,抗傾覆穩定性系數為1.06～1.18>1.05(安全系數),抗滑動穩定性系數為1.18～1.29>1.1(安全系數),施工期間結構的最大水平位移約為15 mm,可滿足工程需要。

4 超深格構式地下連續墻的施工

4.1 施工技術難點

格構式地下連續墻在護堤結構工程中的應用極少,上海外環沉管隧道的浦西岸壁保護中曾成功應用一例,其結構深度為48.5 m,而本工程結構深度達52.5 m,且處于海河兩岸軟土、砂層條件下,不僅存在著成槽工藝、精度、速度、穩定性、防滲、大幅鋼籠起吊等難題，而且還有以下特點：

(1)異形幅占總幅數的40%強,其成槽的質量和進度對工程影響很大；

(2)在粉土、粉砂、細砂層,及軟土層中開挖深槽,且臨河施工,泥漿護壁要求高；

(3)最大幅鋼筋籠長44 m,質量67.6 t,其吊裝的設備、工藝、安全性等至關重要。

4.2 總體施工方案

南北兩岸及其東西兩側翼格構式地下連續墻同時組織平行施工,按“由深到淺,先難后易；先施工臨河側、后施工岸堤外側”的施工順序組織流水作業,逐步形成環環相扣的格構擋墻。與塢口鋼管樁擋墻相連接的槽段待鋼管樁施工完畢后再行施工,便于十字鋼板接頭的緊密連接。

成槽采用“液壓抓斗成槽”工法,經成槽試驗確定主要施工設備選型,改進施工工藝,優化施工技術參數。施工中輔以適當降低地下水位、“兩鉆一抓”施工工藝、十字鋼板接頭、鋼筋籠整幅起吊入槽及導管頂升法進行水下混凝土澆筑技術。異形槽段成槽前采取對一定范圍內的土體進行預加固,提高土體強度等一系列的措施,以提高成槽效率,保證槽壁穩定。

4.3 關鍵施工技術

4.3.1 成槽設備選型

通過成槽試驗和設備比選,深度超過35 m的槽段,采用具有成槽深度大(最大可達60 m)、成槽精度高的德國寶峨GB34液壓抓斗成槽機,該機具有超強糾偏能力,采用“二鉆一抓”成槽工藝,同時輔以旋挖鉆機先行開挖導孔,有效地保證了成槽質量。

4.3.2 異形槽段成槽技術

格構式地下墻異形幅多,相對拐角處成槽土體臨空面大,施工時間較長,且地面以下4～8 m為淤泥質土,不利于槽壁穩定,易出現坍塌。因此,除采取成槽前將地下水位降低到地面以下8～10 m,保持泥漿液面距離導墻頂面下0.2 m,并高于地下水位1 m以上等常規措施外,還采取了以下減少土體位移和土壓力損失的措施。

(1)淺層土體預加固

為避免格構墻異形幅拐角部位成槽時出現坍塌,在施工導墻前對拐角部位周圍土體進行水泥攪拌樁預加固,加固范圍為陰角處3 m×3 m的三角區,以及距離槽段另一側邊線1.5 m的范圍內,攪拌樁離槽段邊線為20 cm。攪拌樁深度為10 m,直徑650 mm,間距450 mm,水泥摻量為8%。

受管線和建筑物影響,土體松散或局部空洞部位,在槽段兩側采用低強度的雙液漿進行加固。

淺層土體預加固的同時也起到加固導墻以下松軟土體的作用。

(2)開槽順序

圖4 轉角槽段施工順序

異形幅開槽順序按“先兩端后中間、先短邊后長邊”的原則,根據異形槽段長度與成槽機的開口寬度,確定出首開幅和閉合幅,保證成槽機切土時兩側鄰界條件的均衡性。轉角槽段拐角處3號導孔應是與外側導墻的兩個邊、內側陰角的頂點三者之間的內切圓,如圖4所示。

4.3.3 穿越砂層的成槽控制技術

(1)泥漿品質和液面控制

穿越砂層時,大量泥砂顆粒不可避免地不斷混入護壁泥漿,使泥漿黏度、比重大幅增加,泥漿因污染而變質。為此,采取了如下措施,以達到改善泥漿品質、穩定槽壁的作用：采用優質膨潤土拌制循環泥漿；改變振動篩的篩網結構,提高對較大泥砂顆粒的分離效率；適量添加CMC,改善其黏度；適當提高槽中泥漿比重,特殊情況時使之接近規范相應標準的上限值,即控制在1.0～1.15,清槽后測定槽底以上0.2～1.0 m處的泥漿比重應小于1.15。還可采取加高導墻,加大泥漿液面與地下水位間的高程差等措施,以提高穩定度。

(2)單元槽段的長度控制

槽段長度不宜過長,控制在抓斗全部張開后2倍的寬度之內為宜,這樣完成一幅僅需兩次開挖作業,成槽快也就降低了坍方的可能。同時短槽段比長槽段可更好的發揮土拱效應,利于槽壁穩定。

(3)加強施工管理和過程控制

成槽機抓斗閉斗下放,開挖時再張開,必須輕提慢放,避免形成渦流沖刷槽壁；掘進速度應控制在15 m/h左右,每斗進尺深度控制在0.3 m左右；邊清孔、邊起吊鋼筋籠,縮短槽段靜置時間；成槽機和吊車履帶下鋪4 cm厚鋼板,且行車路線離槽邊不小于3.5 m,并清除基槽周邊區域一切不必要的荷載,槽壁附近堆載不超過20 kN/m2,以免影響槽壁穩定。

4.3.4 十字鋼板接頭施工技術

(1)接頭分體式反力箱的應用

為保護十字止水鋼板,地下連續墻接頭采用反力箱施工,效果良好。反力箱能密貼并保護十字鋼板,可防止混凝土灌注時鋼筋籠的側移和混凝土的繞流固結。分體式反力箱的應用見圖5。

圖5 分體式反力箱的應用示意

鋼筋籠入槽后,再吊放反力箱,檢查其垂直度,使之密貼十字鋼板,背后空洞采用黏土回填密實,防止混凝土灌注時的側壓力使反力箱發生移位。

反力箱的提升采用自制的頂拔機(最大引拔力2 000 kN)緩慢進行,混凝土初凝2～3 h后進行第一次松動起拔,提升量不大于100 mm,以后每30 min提升1次,每次提升50～100 mm,直至混凝土終凝后全部拔出。

(2)接頭清理刷壁的方法

已灌注混凝土槽段的反力箱拔出后,為清除接頭處反力箱和十字鋼板之間的混合附著物,相鄰幅先用液壓抓斗上附帶的鏟刀緊貼十字鋼板成槽；成槽后再采用反力箱底部安裝的三角鏟刀,并借助鎖口管,定位沖擊粘附在十字鋼板表面的較硬附著物；最后用自制的有重力導向的高強橡皮刷壁器刷壁,一直到清除干凈后再清孔。

4.3.5 大幅鋼筋籠起吊入槽技術

大幅鋼筋籠采用雙機整體抬吊入槽,主吊為300 t履帶吊(扒桿長66 m),副吊為150 t履帶吊(扒桿長42.65 m)。鋼筋籠上設置縱向起吊桁架3道、橫向起吊桁架6道,主、副吊機吊點各9個,具體分布位置經計算后確定。先由雙機抬吊,將鋼筋籠水平吊起一定高度；然后由主吊提升、副吊下放,將鋼筋籠凌空吊直；最后由主吊吊運鋼筋籠入槽。

為使鋼筋籠起吊時有足夠的剛度,防止產生不可恢復的變形,吊點處幫焊φ28 mm鋼筋加強。在鋼筋籠下端系纜繩用人力控制其在空中晃動,不允許鋼筋籠下端在地面上拖拉,防止鋼筋籠下端變形。對于拐角幅鋼筋籠還增設有“人”字桁架和斜拉桿進行加強,以防鋼筋籠在空中發生翻轉變形。

4.3.6 墻底注漿加固

盡管施工中采用了沉淀法和置換法進行清槽,但由于槽深,各工序時間相對較長,為避免槽底沉渣對地下連續墻的承載力和抗滲能力產生影響,防止后期沉降,需對連續墻墻底進行充填注漿加固。墻底注漿加固是通過每幅連續墻鋼筋籠內布設2根φ50 mm的注漿鋼管來實現的,注漿管插入墻底下>0.5 m,管底端有單向橡皮閥,在墻體混凝土強度達到設計強度的70%后,注入1∶1的水泥單液漿,注漿壓力0.6～1.0 MPa,保證每孔注漿量不小于2 m3。

5 結語

應用格構式地下連續墻結構,使之同沉管與暗埋段相接處的鋼管樁擋墻,以及臨時防汛墻巧妙地結合起來,有效地控制了岸壁保護結構施工期的位移及沉降,既保證了防汛安全,又確保了沉管隧道工程的順利施工,減少了工程量和工程費用。

異形段成槽、穿越砂層的成槽控制、十字鋼板接頭、大幅鋼筋籠起吊入槽等關鍵技術的應用,有效地解決了復雜地質條件下最深達52.5 m格構式地下連續墻的施工難題。

該護堤結構2009年3月初開始,至當年10月上旬結束,歷時7個月,在此期間,南岸以格構式地下連續墻結構兼塢墩的軸線干塢、沉管與暗埋段相接處的深基坑也相繼完成,截止目前,相關區域、有關結構發生的沉降和變形均在可控范圍內。當然,該結構還有待沉管基槽浚挖施工期間的嚴峻考驗。

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