南昌紅谷隧道臨江富水砂層干塢基坑防滲墻施工技術

韓秀娟，陳 旺，王秋林

(1.上海市政工程設計研究總院有限公司，上海 200092;2.中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

近年來，隨著沉管技術的不斷成熟和推廣，沿江的許多城市開始興建沉管隧道。干塢是用于沉管隧道預制的基坑，須經歷開挖、管段預制、灌水、舾裝、塢口2次破除、1次恢復、回填等復雜工況，使用周期長，因此，選擇合適的干塢防滲體系至關重要。

天津海河隧道、寧波常洪隧道等干塢采用深層水泥攪拌樁帷幕止水［1－2］，南昌地區深基坑多數采用三軸攪拌樁、高壓旋噴樁、地下連續墻等帷幕止水。就成熟度和應用廣泛度來說，塑性混凝土遠不及普通混凝土、三軸攪拌樁等，目前國內已建、在建的幾條沉管隧道中，干塢均未采用塑性混凝土防滲墻作為防滲體系，國內外塑性混凝土防滲墻主要用于壩基、土石圍堰防滲和病險壩的防滲處理等水利施工中。塑性混凝土防滲墻具有強度低、彈模低、極限應變大、能適應較大變形、水泥用量少、施工方便、工效高、造價低等優點［3］，且防滲墻嵌入下部基巖后，下部基巖為相對不透水層與防滲墻形成了一個巨大的封閉箱形結構體，保證了基坑開挖的止水效果［4］。

本文以南昌紅谷隧道干塢基坑為工程背景，場地內水位降深大，砂層滲透性好，在防滲要求高，針對槽段之間接頭防滲、塢口破除、恢復新做防滲墻與既有防滲體系有效銜接等特殊工況，首次成功應用了塑性混凝土防滲墻作為干塢防滲體系，優勢明顯，防滲效果好，對類似工程具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 設計概況

南昌紅谷隧道江中沉管段長1 329 m，是國內內河規模最大、最長的城市道路沉管隧道，設置2個分體式獨立子塢用于沉管管段預制，干塢位于隧址上游約8.56 km處，贛江河漫灘上，臨贛江最近距離僅15 m左右，東側緊鄰贛江防洪東大堤。干塢頂部尺寸為559 m×298 m，塢底尺寸為139 m×138 m，基坑深16 m。子塢四周采用塑性混凝土防滲墻，防滲墻長1 922.8 m，墻厚800 mm，抗滲等級為P8，墻深有20.0、20.5、21.0、21.5 m 4 種類型，且要求墻底標高進入地層隔水層不小于2.0 m。干塢場地平面布置如圖1所示。

圖1 干塢場地平面布置圖Fig.1 Plan layout of dry dock

1.2 地質情況

隧道自上而下依次穿過①素填土、③細砂、③1淤泥質粉質黏土、⑤粗砂、⑥礫砂、⑨1強風化泥質粉砂巖、⑨2中風化泥質粉砂巖、⑨3微風化泥質粉砂巖。地質剖面如圖2所示。

圖2 地質剖面圖(單位:m)Fig.2 Geological profile(m)

1.3 地下水情況

上層滯水主要分布于①素填土中。松散巖類孔隙水主要為潛水，局部為承壓，主要賦存于第四系全新統沖積層③細砂、⑤粗砂、⑥礫砂層中，該場地水位年變化幅度在3～13 m，滲透性較好，滲透系數一般為120 m/d。紅色碎屑巖類裂隙水、溶隙水富水性不均一，裂隙(節理)多呈閉合狀，一般富水性較差，含水層滲透系數較小。

1.4 總體方案及施工關鍵技術

總體方案為:作業平臺－槽壁加固－導墻－Ⅰ期槽孔成槽－驗孔－清孔換漿－鎖扣管下放－澆筑混凝土－Ⅱ期槽孔...－防滲墻墻體檢測。防滲墻施工流程見圖3。

圖3 防滲墻施工流程圖Fig.3 Flowchart of construction of anti-seepage wall

施工關鍵技術有:1)塑性混凝土缺乏廣泛和普遍的經驗配合比，采用正交試驗法試配驗證。2)地質、水文條件使造孔成槽過程中易塌孔，采用三軸攪拌樁對槽壁進行加固。3)泥漿性能對成槽質量至關重要，泥漿性能指標要保證泥漿生產、供應過程控制。4)受干塢基坑特殊工況影響，槽孔劃分、驗孔、清孔換漿、接縫處理等工藝的選擇是決定施工工期、成本、質量的主要因素。5)塑性混凝土生產、供應系統設備的配置，加強混凝土澆筑過程的控制。6)防滲墻墻體質量檢測與普通混凝土地連墻不同，采用高密度電阻率法進行墻體檢測。

2 混凝土配合比試配和驗證

依據塑性混凝土抗壓強度、滲透系數及彈性模量3個主要控制性設計指標，根據現有砂石料規格、粒徑級配和水泥品種，在水泥用量區間取值，采用正交設計法，利用"均衡分散性"與"整齊可比性"的正交性原理，分3個階段逐步確定配合比。

1)初選試驗。做無側限壓縮試驗，測定抗壓強度和初始模量。

2)復選試驗。根據初選試驗挑選出抗壓強度較高和水灰質量比較高的配合比。摻入與水泥等量的礦渣粉，對配合比進行復選試驗，并做單軸壓縮和滲透試驗。

3)終選試驗。選擇強度、模強比和滲透系數均滿足設計要求的配合比。

現場根據終選試驗確定的配合比進行試配生產，然后取樣復核試驗，復核試驗結果符合要求后進行正式量產［5］。塑性混凝土配合比及試驗結果見表1和表2。

表1 塑性混凝土優選配合比Table 1 Optimized mixing proportion of plastic concrete kg/m3

表2 塑性混凝土性能指標Table 2 Performance indexes of plastic concrete

3 三軸攪拌樁槽壁加固

按以往施工經驗，春夏季的南昌地區處于豐水季節，地下水位高，砂層滲透性好，在防滲墻造孔過程中經常發生槽壁塌孔現象，故采用三軸攪拌樁對槽壁進行加固。樁徑φ850 mm@600 mm布置，普通樁加固深度取地面以下10 m，防滲墻接縫處兩側各3根攪拌樁進入中風化巖層不小于50 cm，接縫樁嵌入防滲墻墻體15 cm，成槽時需切削搭接寬度15 cm，以達到接縫處帷幕止水效果。布置型式如圖4所示。

圖4 防滲墻槽壁加固平面布置圖(單位:cm)Fig.4 Plan layout of reinforcement of slot of anti-seepage wall(cm)

采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰質量比為1.5～2，水泥摻量為15%，樁身28 d無側限抗壓強度≥0.5 MPa。

4 泥漿制備及使用

4.1 泥漿的制備和檢驗

泥漿起到護壁、攜渣、冷卻機具、切土潤滑的作用。采用膨潤土泥漿，選用鈉質膨潤土，分散劑為工業碳酸鈉，降失水劑采用鈉羧甲基纖維素，攪拌用水從贛江中抽取。

根據現場試驗確定，泥漿采用的配合比為膨潤土∶水∶CMC∶碳酸鈉 =111∶1 000∶1.11∶4.4(質量比)。膨潤土泥漿性能指標如表3所示。

4.2 施工要點

泥漿系統包括泥漿池、制漿設備、輸漿設備、泥漿回收凈化處理裝置。泥漿池容量需滿足施工需要，中間設置隔擋，分別作為沉淀池、儲漿池、膨化池等。攪拌設備選用立式高速攪拌機，每盤泥漿制作時間不少于3 min，存放24 h膨化后才能使用，采用壓縮空氣經常攪動，保持均勻。加強對新制泥漿、儲漿池泥漿、成槽時槽孔內泥漿、清孔前槽孔內泥漿性能指標的檢測頻次。造孔泥漿和清孔泥漿宜回收，經泥漿凈化裝置處理后，泥漿性能指標檢驗合格時方可重復使用。

表3 膨潤土泥漿性能指標Table 3 Performance indexes of bentonite slurry

5 造孔成槽

5.1 槽孔劃分

結合現場實際情況，北塢防滲墻作為工期節點，制約著基坑開挖及沉管預制工期。槽孔分2序施工，先施工1期槽孔，后施工2期槽孔，槽孔以7.2 m長為主，北塢158幅，南塢114幅，共272幅槽孔。槽孔劃分如圖5所示。

圖5 槽孔劃分示意圖(單位:m)Fig.5 Division of slot boreholes(m)

5.2 成槽工藝的選擇

1)抓取法。采用液壓抓斗成槽施工，耗時60 h/單槽孔，需15臺液壓抓斗才能滿足6幅/d的工期要求。

2)鉆抓法。采用旋挖鉆機配合液壓抓斗成槽施工，旋挖鉆機鉆取主孔導向，液壓抓斗抓取副孔。

槽孔6幅/d機械配置情況如表4所示。

表4 所需機械配置Table 4 Machinery required

現場采集的巖樣與設計存在差異，現有液壓抓斗超負荷成槽施工，尤其入巖部分施工難度大、耗時長，造成設備故障率極高，工效低下。因此，無論采用何種工藝，均需增加大功率液壓抓斗及旋挖鉆機設備用于解決硬巖成槽。綜合考慮地質情況、槽孔施工順序、設備移動順序、勞力配置及其他配套設備，擬需投入3臺金泰SG60液壓成槽機及2臺旋挖鉆機。

采用"兩鉆一抓"衍生的"兩鉆兩抓"施工工藝。先利用旋挖鉆機鉆取主孔，再利用現有液壓抓斗抓取副孔中泥砂部分，最后利用新增的金泰SG60液壓抓斗抓取副孔中硬巖部分，不僅實現機械設備最優配置，而且能滿足持續、平行、流水作業能力，工效明顯增加，完成成槽6幅/d，滿足工期計劃要求。兩鉆兩抓施工示意如圖6所示。

圖6 兩鉆兩抓施工示意圖(單位:m)Fig.6 "Two rotary drilling machines+two hydraulic grabbing machines"construction mode(m)

5.3 終孔檢查

成槽結束后進行終孔檢查，采用UDM100超聲波檢測儀檢查成孔質量。超聲波檢測儀不僅能對最終成槽效果進行檢驗，而且可對成槽過程中的槽體進行檢驗，發現問題可及時糾正，因此，對成槽施工具有很好的指導作用［6］。儀器檢測后自動繪制的典型剖面如圖7所示。

5.4 接頭處理及清孔換漿

清孔換漿采用氣舉反循環法，如圖8所示。清孔換漿設備的能力及數量應滿足清孔質量和清孔速度的要求，清孔換漿過程中應置換出孔內1/2～1/3的泥漿。清孔質量檢驗在清孔換漿完成1 h后進行，取距槽底50～100 cm高度內的泥漿比重不大于1.1 kg/m3，馬氏漏斗黏度不應大于42 Pa·s，含砂率小于4%，沉渣厚度不大于10 cm。清孔合格后，應在4 h內及時澆筑混凝土［7］。

對于1期槽孔，清底后立即下放鎖口管，鎖口管中線與分幅線對齊，鎖口管在槽口采用鋼銷連接，頂升架鎖定，在鎖口管外側回填砂石包或土袋，以防混凝土繞流及泥漿串槽［8］。當混凝土初凝后，應經常微動鎖口管，終凝后及時拔出。1期槽孔鎖口管布置形式見圖9。

圖7 槽孔超聲波成槽檢測示意圖Fig.7 Inspection of slot boreholes by means of ultrasonic wave

圖8 氣舉反循環法示意圖Fig.8 Sketch of inverse slurry circulation under compressed air

圖9 1期槽孔鎖口管布置形式(單位:m)Fig.9 Layout of interlocking pipes of Phase I slot boreholes(m)

對于2期槽孔，需切屑1期槽孔防滲墻5～10 cm，用特制帶鋼絲刷的方錘洗刷槽孔端頭的泥皮和地層殘留物，以刷子上不帶泥屑、孔底淤積不再增加為合格標準。

6 混凝土施工

混凝土澆筑是防滲墻成敗的關鍵工序。混凝土澆筑前，要擬定澆筑方案，計劃澆筑方量、混凝土供應能力、運輸路線、澆筑高程，導管等澆筑機具及埋設間的布置與組合，澆筑方法、開澆順序等。

塑性混凝土作為一種特殊材料，拌合系統需專機專用，且對原材要求高。根據本工程經驗，需對拌合站水、砂、膨潤土計量系統進行設備改造，采用山東濰坊地區膨潤土，質量優良。因膨潤土損耗系數較大，拌合站生產線需提前備料，以確保滿足生產需要。

采用雙導管直升澆筑法連續、均勻澆筑，導管安裝前作水密封試驗，導管應連接牢固，加設密封圈，首灌時放置隔離球。在澆筑過程中，勤校核實澆方量與所測量混凝土高程反映的方量是否相符，一旦發現導管漏漿、堵塞、提升困難及塑性混凝土面上升速度與實澆混凝土量嚴重不符時，應立即停止澆筑，并查明原因，及時處理。終澆高程應比設計高程至少高出50 cm，以便將混有泥渣的不合格混凝土鑿出。相鄰的1期槽孔混凝土澆筑間隔時間以混凝土終凝時間為準，1期和2期槽孔混凝土澆筑間隔時間約為10 d。

7 防滲墻墻體質量檢測

7.1 檢測方式

相比較鉆芯法、超聲波法、彈性波透射層析成像法等墻體檢測方法，高密度電阻率法采集的信息量大，數據觀測精度高，對不均勻體的探測精度高，可實現對數據的快速采集。數據傳入計算機時利用數據處理軟件成像，解釋直觀清晰，操作簡單，且不對墻體造成損壞。

采用DUK－2B高密度電法測量系統，其基本原理與常規的電阻率法完全相同，不同的是高密度電法在觀測中設置了較高密度的測點，在設計和技術實施上，高密度電測系統采用先進的自動控制理論和大規模集成電路，使用的電極數量多，而且電極之間可自由組合，可以提取更多的地電信息，使電法勘探能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測量方式。圖10為高密度電法工作系統示意圖。

圖10 高密度電法工作系統示意圖Fig.10 Working system of high-density electric method

7.2 檢測線路布置

沿墻的中軸線布置測線，測點間距為4 m，單側剖面測線長度約為240 m，有效探測深度約為25 m。高密度電法測線布置如圖11所示。

圖11 高密度電法測線布置示意圖Fig.11 Layout of measurement line of high-density electric method

7.3 探測分析

對現場采集到的高密度電法測試數據進行數據格式轉換，對非值排除修正，利用瑞典版高密度數據處理軟件RES2DINV進行數據反演處理，得出的電阻率斷面(或等值線圖)如圖12所示。通過對比分析，掌握防滲墻的視電阻率變化特征及不同電阻率介質層(體)的分布形態，判斷是否存在電阻率異常區，進而判斷防滲墻體質量。

圖12 S5～S37剖面視電阻率及反演斷面圖Fig.12 Apparent electric resistance ratio and inversion profile of S5～S37 profiles

由圖12可以看出:所探測防滲墻頂部(淺部1～5 m段)回填砂土的飽水、表面積水及210～236 m段降排水區域的電阻率低阻異常，與墻體質量無關;在斷面深度為5～20 m段電阻率值穩定處于高值，未發現電阻率高阻或低阻異常區，據此推斷:防滲墻墻體均勻連續，墻體塑性混凝土膠結密實，無異常隱患。次。因塑性混凝土強度低，塢口水上部分采用挖掘機破除，水下部分采用重型抓斗船破除，工效高，成本低。

塢口新做防滲墻與既有防滲體系采用鑲嵌接縫，新做防滲墻嵌入相對不透水層不低于1.5 m，接縫處采用高壓旋噴樁補強帷幕止水，高壓旋噴樁嵌入巖層1.5 m。新舊防滲墻搭接方式見圖13。

8 塢口破除及恢復時防滲墻處理方式

9 施工效果

每個子塢需預制2個批次，塢口需破除2次、恢復1

干塢基坑防滲墻于2014年4月14日開工，2014年6月29日完成，經歷了南昌地區第1個汛期的考驗，順利完成了干塢基坑開挖施工，從防滲墻墻體質量檢測結果及基坑開挖過程的滲水情況來看，塑性混凝土防滲墻止水防滲效果非常好，為基底處理及沉管預制施工創造了良好的條件。

圖13 新舊防滲墻搭接方式示意圖Fig.13 Connection between new anti-seepage wall and existing anti-seepage wall

10 結論

1)通過采用正交配比設計法，分3個階段淘汰優選塑性混凝土配合比，試配驗證、量產，拌合站計量系統改造及專機專用，保證膨潤土質量和儲料，并加強對混凝土澆筑過程的控制，使防滲墻質量得到了有效保障。

2)三軸攪拌樁對豐水季節富水砂層防滲墻槽壁加固效果明顯，防滲墻接縫處三軸攪拌樁需切削15 cm，且嵌巖不少于50 cm，起到防滲墻接縫處帷幕止水作用。

3)根據既有工況，配套旋挖鉆機 +SG40(35A、46)成槽機+SG60成槽機，采用"兩鉆兩抓"成槽工藝，優化施工組織，設備的合理選型及配套是快速施工的重要保障，北塢防滲墻進度為6幅/d。

4)防滲墻成槽質量的控制應從細節入手，如泥漿性能指標確定、生產、供應系統，超聲波檢測儀驗孔，氣舉法清孔換漿，接縫處理等，這是保證成槽質量的關鍵。

5)采用高密度電阻率法采集數據，通過數據格式轉換、對非值排除修正，對比分析得出電阻率斷面圖，通過防滲墻的視電阻率變化特征及不同電阻率介質層(體)的分布形態，判斷墻體質量。

6)防滲墻強度低，塢口破除可采用挖掘機、重型抓斗船等設備，工效高，成本低。塢口恢復時新舊防滲墻搭接處采用高壓旋噴樁補強，并確保嵌巖深度，以達到帷幕止水的目的。

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