微風(fēng)化巖層地下連續(xù)墻優(yōu)質(zhì)高效施工技術(shù)*

孟陳祥，甘文爽，萬(wàn) 波，霍九安，李 軍

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多城市土地資源緊張，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向地下發(fā)展逐漸成為趨勢(shì)。而在城市地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地下連續(xù)墻以其墻體剛度大、防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)，在城市內(nèi)基坑工程中使用日益廣泛。地下連續(xù)墻作為基坑工程圍護(hù)的關(guān)鍵組成部分，其施工質(zhì)量直接影響基坑開(kāi)挖施工安全[1-2]。在軟土地層中，地下連續(xù)墻的施工工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對(duì)于非軟體地層，嵌巖式地下連續(xù)墻施工技術(shù)仍處于探索和完善階段，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者結(jié)合工程提出相關(guān)施工工藝[3-9]。但在地下連續(xù)墻進(jìn)入微風(fēng)化巖層后國(guó)內(nèi)外研究甚少，更缺乏成熟的施工工藝。此外，對(duì)于嵌巖式地下連續(xù)墻施工過(guò)程中存在施工效率低、成槽質(zhì)量差、上部軟土層易塌孔等技術(shù)難題，則更加突出。

目前，地下入巖連續(xù)墻施工常用設(shè)備主要有：①傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(jī)配合新興的雙輪銑槽機(jī)以及成槽機(jī)抓槽；②旋挖鉆(或牙輪鉆)引孔結(jié)合沖擊方錘修孔。對(duì)于設(shè)備①而言，液壓雙輪銑法作為專(zhuān)用的入巖地下連續(xù)墻施工方法，雖適合入巖施工，但機(jī)械進(jìn)入中風(fēng)化及以上巖層后施工效率明顯降低。而對(duì)于設(shè)備②而言，在微風(fēng)化巖層施工應(yīng)用并不成熟，且施工效率不高。通過(guò)深圳某跨海通道工程上軟下硬復(fù)合地層地下連續(xù)墻施工為工程背景，以提高施工效率、保證地下連續(xù)墻施工質(zhì)量為前提，對(duì)入巖地下連續(xù)墻施工機(jī)械配套選型和進(jìn)度組織等方面開(kāi)展研究，優(yōu)化傳統(tǒng)入巖地下連續(xù)墻成槽工藝，在提高施工效率的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，為后續(xù)類(lèi)似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

深圳某跨海通道工程位于深圳市西部，途徑前海媽灣及寶安大鏟灣兩區(qū)域。工程前海側(cè)明挖隧道主體結(jié)構(gòu)路線全長(zhǎng)820m。主線閉合框架長(zhǎng)約573m，U形槽長(zhǎng)220m，與盾構(gòu)井后配套臺(tái)車(chē)擴(kuò)大段順接，具體如圖1所示。

圖1 工程明挖段平面布置

地下連續(xù)墻槽段上部土層為填土、淤泥、黏土砂石等，其標(biāo)貫值低，摩擦角小，擾動(dòng)后極易發(fā)生滑移坍塌，為典型的上軟下硬地層，各巖土層具體參數(shù)如表1所示，部分現(xiàn)場(chǎng)巖樣如圖2所示。

表1 工程巖土物理力學(xué)性質(zhì)

圖2 部分現(xiàn)場(chǎng)巖樣

2 施工工藝選擇

目前，針對(duì)地下連續(xù)墻入巖常用施工機(jī)械設(shè)備主要有：①傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(jī)結(jié)合新興的雙輪銑槽機(jī)；②成槽機(jī)抓槽、旋挖鉆(或牙輪鉆)引孔結(jié)合沖擊方錘修孔。由于本工程體量大、工期緊、且中、微風(fēng)化巖層在總工程量中占比較大，采用設(shè)備②難以滿足施工進(jìn)度及施工質(zhì)量的要求。本工程入巖深度為16～20m，其中進(jìn)入中風(fēng)化巖層(抗壓強(qiáng)度為31MPa左右)深度為3～7m、微風(fēng)化巖層(抗壓強(qiáng)度為45MPa左右)深度為4～8m。國(guó)產(chǎn)銑槽機(jī)在抗壓強(qiáng)度30MPa的巖層中施工效率較低[6]，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外銑槽機(jī)在抗壓強(qiáng)度超過(guò)40MPa以上地層施工效率極低。所以本工程在初步選定設(shè)備①的基礎(chǔ)上對(duì)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 初選地下連續(xù)墻施工工藝流程

3 施工工藝改進(jìn)

針對(duì)本工程情況，擬從施工機(jī)械、護(hù)壁泥漿以及設(shè)計(jì)、施工組織4個(gè)方面對(duì)原有成槽工藝進(jìn)行改善。

3.1 施工機(jī)械

針對(duì)雙輪銑槽機(jī)在微風(fēng)化巖層施工效率低、更換刀齒頻繁的問(wèn)題，擬對(duì)微風(fēng)化巖層采取預(yù)處理破壞巖石的整體性進(jìn)而提高銑槽機(jī)在微風(fēng)化巖層中施工效率。主要方式有:①采用鉆機(jī)打引孔后用銑槽機(jī)進(jìn)行銑槽；②采用重錘對(duì)微風(fēng)化巖層預(yù)裂處理后進(jìn)行銑槽。根據(jù)綜合對(duì)比分析最終采取方式②進(jìn)行施工，主要施工機(jī)械如下。

1)金泰SG70成槽機(jī)(非入巖部分成槽)

金泰SG70是目前國(guó)產(chǎn)最新型液壓抓斗成槽機(jī)，液壓抓斗切土能力強(qiáng)，成槽效率高，成槽垂直精度達(dá)到1/600，成槽最大深度達(dá)到80m，完全適合本工程地下連續(xù)墻成槽施工。

2)BC40雙輪銑槽機(jī)(入巖部分)

寶峨BC40液壓雙輪銑槽機(jī)設(shè)備性能好，維修率低，設(shè)備使用效率高，在強(qiáng)、中化巖層中的成槽能力和效率優(yōu)良，基本具備本工程地下連續(xù)墻在巖層中的施工能力。

3)利勃海爾HS883吊車(chē)配合重錘

HS883重錘對(duì)于部分較硬巖層處理效果明顯，先采用重錘將巖層破碎，后采用銑槽機(jī)銑槽效果顯著。為了消減重錘施工時(shí)產(chǎn)生的渦流，減弱對(duì)上部軟弱土體擾動(dòng)，重錘上特地設(shè)置了導(dǎo)流槽。此外，設(shè)置可更換的刃腳，方便在破巖過(guò)程中刀刃損壞后及時(shí)更換。

施工機(jī)械如圖4所示。

圖4 施工機(jī)械

3.2 護(hù)壁泥漿

由于本工程上軟下硬的特殊地質(zhì)情況，采用重錘破巖產(chǎn)生振動(dòng)極易導(dǎo)致上部土體塌方。針對(duì)上述問(wèn)題，本工程采用優(yōu)鉆100鈉基膨潤(rùn)土，嚴(yán)格控制成槽過(guò)程中泥漿密度。

3.2.1鈉基膨潤(rùn)土

該膨潤(rùn)土適合各種土層，尤其是超深地下連續(xù)墻的護(hù)壁要求。由于采用了鈉基膨潤(rùn)土，其水化后的膨脹倍數(shù)為鈣基膨潤(rùn)土的10倍以上[11]，膨潤(rùn)土的小板結(jié)構(gòu)充分打開(kāi)。膨潤(rùn)土的小板與高分子聚合物之間的橋接作用，可在槽壁孔壁形成又薄又韌、致密的泥皮，有效防止上部軟土塌方，具體機(jī)理如圖5所示。

圖5 新型泥漿護(hù)壁機(jī)理

3.2.2泥漿密度控制

同時(shí)在施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制泥漿密度。在施工過(guò)程中，針對(duì)該工程地層及施工工藝特點(diǎn)經(jīng)成槽試驗(yàn)，地下連續(xù)墻成槽時(shí)泥漿相對(duì)密度控制在1.1～1.15，可以起到良好的護(hù)壁效果；澆灌混凝土?xí)r，泥漿相對(duì)密度控制在1.05左右，以保證混凝土澆筑質(zhì)量。泥漿密度主要通過(guò)膨潤(rùn)土摻量以及新舊漿液替換比例進(jìn)行控制(見(jiàn)表2)，泥漿配合比如表3所示。通過(guò)上述措施，施工過(guò)程中泥漿密度控制良好，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成槽工程中泥漿密度如圖6所示。

表2 泥漿密度控制

表3 泥漿配合比 (kg·m-3)

圖6 混凝土澆筑時(shí)泥漿密度(僅含順?lè)┕さ叵逻B續(xù)墻)

3.3 設(shè)計(jì)與施工組織

為了提高地下連續(xù)墻施工質(zhì)量以及施工效率，本工程從設(shè)計(jì)及施工組織方面采取了以下措施：①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況與設(shè)計(jì)院溝通優(yōu)化地下連續(xù)墻分幅方案；②積極做好地下連續(xù)墻施工過(guò)程中各工序銜接準(zhǔn)備工作。

3.3.1優(yōu)化地下連續(xù)墻分幅方案，合理調(diào)整地下連續(xù)墻施工順序

與設(shè)計(jì)溝通，調(diào)整地下連續(xù)墻分幅方案，增大幅寬、減少地下連續(xù)墻幅數(shù)，優(yōu)化前后地下連續(xù)墻分幅對(duì)比如表4所示。同時(shí)，將每幅寬度控制在5.5m左右，由于本工程采用的成槽機(jī)與銑槽機(jī)均帶有強(qiáng)制糾偏功能，多數(shù)幅地下連續(xù)墻僅2孔就可成槽，與傳統(tǒng)3孔成槽相比減少1孔，大大縮短了成槽時(shí)間。

表4 優(yōu)化前后地下連續(xù)墻數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.3.2做好地下連續(xù)墻施工過(guò)程中各工序銜接準(zhǔn)備工作

1)鋼筋籠吊放 鋼筋籠提前驗(yàn)收完成，并掛好起吊的鐵扁擔(dān)，將鋼筋籠運(yùn)至地下連續(xù)墻附近，待清底完成并再次掃孔后即刻吊放鋼筋籠。

2)澆筑混凝土 混凝土事先通知攪拌站，混凝土提前半小時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)，安放導(dǎo)管結(jié)束后能及時(shí)灌注混凝土，并配備一定數(shù)量的攪拌車(chē)(不少于6輛)，確保混凝土能連續(xù)灌注。

4 成槽工藝效果分析

深圳某跨海通道工程通過(guò)對(duì)機(jī)械選型配套、泥漿配合比以及設(shè)計(jì)、施工組織等方面進(jìn)行研究，對(duì)微風(fēng)化花剛巖層地下連續(xù)墻施工進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，提出并采用雙輪銑結(jié)合重錘破巖、成槽機(jī)取土、鈉基泥漿護(hù)壁的高效成槽方法，使上軟下硬復(fù)合地層地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量及效率明顯提高，取得了良好的施工效果。

4.1 施工效率分析

在類(lèi)似地層中采用雙輪銑+引孔或成槽機(jī)+旋挖鉆(或牙輪鉆)+方錘等方式，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及本公司施工經(jīng)驗(yàn)平均施工時(shí)間一般需要8d左右。而本工程通過(guò)對(duì)原有成槽工藝的改進(jìn)，采用雙輪銑結(jié)合重錘破巖、成槽機(jī)取土的方法，使得地下連續(xù)墻施工速度明顯提升(見(jiàn)圖7)，單幅地下連續(xù)墻成槽時(shí)間平均時(shí)間為66.49h(見(jiàn)圖8)，有效保證盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成的節(jié)點(diǎn)工期。同時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中，占比最大的工序仍為成槽時(shí)間。此外成槽時(shí)間超過(guò)3d的地下連續(xù)墻施工，均與刀具更換次數(shù)相對(duì)較多有一定關(guān)系(見(jiàn)圖9)。

圖7 地下連續(xù)墻施工時(shí)間統(tǒng)計(jì)(僅含順?lè)┕さ叵逻B續(xù)墻)

圖8 各工序平均時(shí)間占比(僅含順?lè)┕さ叵逻B續(xù)墻)

圖9 地下連續(xù)墻成槽時(shí)間統(tǒng)計(jì)(僅含順?lè)┕さ叵逻B續(xù)墻)

4.2 施工質(zhì)量分析

4.2.1成槽質(zhì)量

通過(guò)采用鈉基膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁、加強(qiáng)泥漿密度控制，同時(shí)對(duì)重錘形狀進(jìn)行優(yōu)化，減小重錘作業(yè)產(chǎn)生的渦流，避免上部軟土層滑移坍塌，在75幅地下連續(xù)墻施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)上部軟土層滑移坍塌率為0；且施工過(guò)程中槽段壁面垂直度控制良好，壁面垂直度誤差<1/300。

4.2.2地下連續(xù)墻墻體質(zhì)量

對(duì)地下連續(xù)墻墻體進(jìn)行超聲波監(jiān)測(cè)以及鉆芯法取樣監(jiān)測(cè)，目前監(jiān)測(cè)的6幅地下連續(xù)墻墻身完整性多數(shù)為I類(lèi)，說(shuō)明通過(guò)該工藝施工地下連續(xù)墻的墻體質(zhì)量相對(duì)較好。

5 結(jié)語(yǔ)

1)該方法有效提高了單幅地下連續(xù)墻施工工效，與傳統(tǒng)的地下連續(xù)墻施工方法(雙輪銑+引孔以及成槽機(jī)+旋挖鉆(或牙輪鉆)+方錘)相比單幅施工時(shí)間至少縮短1倍以上；但成槽仍是制約入巖地下連續(xù)墻施工效率的關(guān)鍵工序，占單幅地下連續(xù)墻施工時(shí)間的80%以上，仍是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

2)采用鈉基膨潤(rùn)土，采取有效措施控制泥漿密度，可以有效控制地下連續(xù)墻上部填土、淤泥、黏土及中砂等軟弱土層受施工擾動(dòng)產(chǎn)生塌方。

3)對(duì)于銑槽機(jī)等主要作業(yè)機(jī)械，應(yīng)在平時(shí)加強(qiáng)刀具檢查，及時(shí)更換，有利于提高施工效率。

4)現(xiàn)場(chǎng)大型施工機(jī)械設(shè)備多，在單幅地下連續(xù)墻施工工效穩(wěn)定的情況下，合理的施工組織是關(guān)鍵。在工期和成本綜合考慮下，可考慮現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)設(shè)多個(gè)工作面，進(jìn)行多幅地下連續(xù)墻同時(shí)施工。同時(shí)，對(duì)于鋼筋籠制作、混凝土澆筑等專(zhuān)業(yè)性及危險(xiǎn)性相對(duì)較小的工序盡可能提前做好準(zhǔn)備，壓縮工序銜接時(shí)間，增大機(jī)械利用率，減少機(jī)械閑置時(shí)間。

5)積極與設(shè)計(jì)溝通優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，合理確定地下連續(xù)墻分幅寬度，減少地下連續(xù)墻幅數(shù)以及每幅地下連續(xù)墻施工孔數(shù)，進(jìn)而提高地下連續(xù)墻施工工效。