軟硬不均地層地下連續墻成槽質量控制研究

羅鳳江，董海洲，牛若歆，劉 軍，閔凡路，趙伏田

(1.中鐵二十四局集團有限公司,上海 200040; 2.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210024)

地下連續墻由于施工振動小、整體穩定性好、防滲性能好、應用廣泛等優點,可兼做深基坑的截水防滲、擋土承重的主要結構,在當前城市地鐵車站的建設中作為首選的圍護結構形式而被廣泛應用[1-4]。地下連續墻主要施工流程是:首先,借助泥漿護壁,沿著深開挖工程邊緣軸線進行成槽作業,并形成一定長度的槽段,再向槽段內放入制作加工完成的鋼筋籠,最后經過水下混凝土澆筑后形成墻段。重復連續施工后,各墻段會相互連接構成完整的地下墻體結構。由于地下連續墻的施工方法可對任意深度及斷面的深槽進行作業,因此其能夠根據設計要求,建造各類深度、長寬、形狀及強度的地下墻。

地鐵基坑一般較深,常面臨復雜的地質狀況,軟硬不均地層是其中常見問題之一。其中較軟巖層自穩能力較差,施工擾動下容易坍塌,而較硬地層的強度較高,導致液壓抓斗成槽機工作效率下降。因此,針對不同類型的地層條件,需要采用適當的施工機械和工藝[5],以調整合適的泥漿性能預防塌孔或塌槽的發生[6-8]。

南京地鐵7號線福建路站土層為軟硬不均地層,在上部粉砂層和下部泥質砂巖之間夾有粉質黏土層。軟硬不均地層的復雜條件使地下連續墻施工存在困難,容易造成塌孔或塌槽、槽壁垂直度低等現象,施工質量和進度難以保證。本文對軟硬不均地層中地下連續墻各主要施工環節的施工要點開展研究,提出相應的質量控制措施,以提高地下連續墻的施工精度,并為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

福建路站位于福建路、察哈爾路與中山北路路口,沿福建路、察哈爾路呈東西向布設,與5號線車站在路口形成十字交叉。本站為一座地下3層的島式站臺車站,采用雙柱三跨箱型結構形式,其總長274.7 m,標準段外包寬22.9 m,頂板覆土厚度約3.8 m。標準段底板底埋深24.8 m,左右端頭井底板底埋深26 m。

車站基坑以地下連續墻作為圍護結構體系,其中,西端頭井段采用1.2 m厚地下連續墻,剩余部位采用1.0 m厚地下連續墻。地下連續墻可兼做止水帷幕,底部插入相對隔水層,以隔絕基坑外部的地下水補給。地下1層～3層結構為車站的附屬結構,而其基坑平均開挖深度10.5 m～23.5 m左右。

車站處于秦淮河漫灘地貌單元,砂土、粉土發育,場地覆蓋層厚度21.90 m～42.20 m,上覆土層厚度和性質差異明顯。地層分布由上到下依次為:①填土(雜填土、素填土、淤泥質填土),埋深約0.30 m～4.4 m;②粉砂、粉土互層,下有粉質黏土,埋深約4.6 m～42.2 m;③強、中風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖,埋深約22.5 m～45 m。

2 地下連續墻成槽施工工藝

地下連續墻的建造主要環節包括:測量放樣→導墻施工→泥漿護壁→成槽機成槽→清槽→鋼筋籠吊裝→工字鋼背后回填→水下混凝土澆筑等。若某一環節未達到設計施工要求,都可能導致工程問題的出現,影響地下連續墻支護、防滲等功能。軟硬不均地層對地下連續墻施工所帶來的影響主要體現在成槽時不易成槽、易發生塌槽塌孔以及造成槽壁垂直度低等方面,其他環節可按照正常地層施工。因此,需要在成槽時選用適宜的施工機械及工藝,配制合適性能的泥漿,并做好槽壁垂直度檢測和控制。

2.1 成槽機械選擇

結合福建路站施工區域的地質條件,對位于強風化地層以上的各地層,考慮選用SJ70型液壓抓斗成槽機,其抓斗最大張開幅度可達2.8 m,同時其配備的自動糾偏系統可在成槽期間實時監測槽壁垂直度。此外,施工中所產生的渣土以自卸汽車運至臨時渣土堆場,經排水后再轉運出場。針對強風化巖面,其巖石強度小于30 MPa,此時需采用SCR-285旋挖鉆進行巖石段槽段開挖施工,若部分槽段存在巖石強度大于30 MPa地層時,首先利用GC-1200型沖擊鉆將孔間巖墻擊碎后,再進行后續的掃孔成槽作業(見圖1)。

2.2 槽段開挖

成槽開挖作為地下連續墻施工期間的關鍵工序。為保證槽段成槽的最佳質量,并結合本項目的地質資料和設計要求,故選用液壓抓斗、旋挖鉆機和沖擊鉆機進行槽段成槽開挖作業,其具體施工方式如下所述:

1)為保證抓斗下放位置的準確性,同時避免抓斗發生左右傾斜,故在成槽施工開始前需要對抓斗每次下放的中心位置進行嚴格定位,并在導墻上放置標志物。

2)在成槽施工期間,為保證成槽機抓斗下放的精準度,抓斗中心與導墻上的標記物應嚴格對應;與此同時,抓斗還應平行于導墻下放,即抓斗中心線應與導墻中心線相重合。

3)地下連續墻槽段采用跳槽法進行施工。槽段的首開幅和閉合幅位置參考單元槽段的長度與成槽機開口的寬度數據確定,此舉可以有效保證成槽機作業期間兩側鄰界條件的均衡性,進而確保槽段內壁的垂直度滿足施工要求。此外,為確保成槽垂直度質量,在成槽結束后可借助超聲波儀進行檢驗。

4)單元槽段的施工選用“兩鉆一抓”的作業方式,即首先對槽段兩端進行開挖,之后再進行中間段隔墻的開挖。由于中間段隔墻長度小于抓斗開斗長度,因此抓斗能夠套住隔墻進行開挖,吃力較為均衡,且能夠有效糾偏,進而確保槽段的成槽垂直度滿足要求。

5)因為抓斗成槽垂直度各不相同會形成凹凸面,故待開挖至設計深度后,需再沿槽段長度方向套挖幾斗將凹凸面修理平整,確保槽段橫向良好的直線性。

6)完成成槽后,使用抓斗清理槽段設計深度的槽底沉渣。

7)轉角處部分槽段會出現一斗無法完全挖盡,或能夠一斗挖盡但作業期間抓斗受力的均勻性難以保證的情況。此時,應根據現場實際施工情況在抓斗位置放置特制鋼支架以平衡阻力,避免抓斗因受力不勻衡而出現左右傾斜的現象。

8)在成槽開挖期間還應注意以下方面:抓斗應閉斗并緩慢下放,正式開挖時再張開;施工期間,為避免抓斗在槽段內形成渦流并對槽壁產生沖刷造成塌方,因此抓斗的每斗進尺深度應控制在0.3 m左右;此外,在槽段內混凝土未澆筑前,嚴禁大型機械在槽段附近作業或行走。

9)在槽段成槽期間,必須嚴格控制抓斗的垂直度。具體可利用成槽機自身所配備的垂直度檢測儀表進行實時監測,若出現偏差須及時糾偏,確保垂直度不大于1/300。

2.3 土層成槽

考慮到抓斗的沖擊力和閉合力,對強風化巖以上的各地層可選用液壓抓斗進行開挖施工。在成槽作業期間,需對抓斗的平面位置和垂直度進行嚴格控制,特別是開槽階段。若發現X軸和Y軸的任一方向上的抓斗垂直度超出偏差允許值,此刻必須立即進行糾偏。

成槽機抓斗還應緊貼導墻入槽,且整個操作期間需保持抓斗的平穩。此外,若成槽期間發現槽段內的泥漿高度不足,應及時補足以維持導墻中泥漿液面的穩定。而槽段開挖的順序及流程參見圖2。

2.4 巖層成槽

在進入中風化巖層后成槽機進尺緩慢,功效較低。改用旋挖鉆進行巖層段的成槽施工,開孔方式按照先行幅、后行幅分為以下幾種,見圖3。

成孔選用SCR285旋挖鉆機(現場施工圖見圖4),采用人造泥漿靜態護壁。根據本工程地下連續墻厚度,成孔時鉆頭直徑取900 mm。當鉆孔至設計標高應停止旋挖,鉆孔不得小于巖層底部。成孔垂直度偏差不大于1/300。成孔時應及時補充泥漿,同時泥漿液面高度距離導墻頂應保持在30 cm左右。

2.5 槽段檢驗

成槽施工結束后,必須對槽段成槽質量進行全方位的檢測,檢測內容包括平面位置、深度和垂直度是否存在偏差。而檢驗所需的工具及方法主要包括:1)槽段平面位置的偏差可利用測錘進行檢驗,其偏差值可用槽段兩端實測位置線與該槽段分幅線之間的偏差表示;2)槽段深度也使用測錘檢測,其值可用實測槽段左中右三個位置的槽底深度的平均值表示;3)每幅槽段成槽完成后,其成槽垂直度可使用超聲波測壁儀器掃描槽段內的槽壁壁面(如圖5所示),測量地下連續墻的成槽狀態,對地下連續墻成槽垂直度和完成質量進行評價。

成槽質量應滿足以下標準:1)槽段槽壁的垂直度應控制在1/300以內,且槽壁的局部突出不宜超出100 mm;2)槽段深度的允許誤差應保持在+100 mm～-200 mm的范圍內;3)槽段寬度的允許誤差則不宜超過±10 mm;4)槽段長度,即軸線方向的允許偏差應保持在±50 mm的范圍內;5)而墻頂中心線所能容許的偏差值則不應超過30 mm。

3 泥漿配制及槽底沉渣控制措施

由于地下連續墻的深度較大,且其各項施工工序的施工時間也相對較長,故其施工進度也相對較慢,尤其是在較硬地層進行施工時。與此同時,在作業完成并嚴格掃孔和清孔后,還需進行槽段鋼筋籠吊裝鋼、槽段接頭段回填和設置導管等工序,各項工序的總共用時較長,有時需4 h～6 h左右。而在此期間,槽段內懸浮在泥漿中的砂會逐漸下沉并堆積在槽段底部,致使槽段底部的沉渣過厚,進而加大地下連續墻接頭部位和墻身主體發生夾泥的風險;同時,槽底較厚的沉渣也會增加混凝土澆筑難度。

因此,為減少砂粒的沉淀現象,避免槽段底部沉渣過厚,必須結合實際情況對泥漿指標進行相應的調整,以提高泥漿的浮砂能力和穩定性能,減緩浮砂的下沉速度,從而避免泥漿出現絮凝等現象。除此之外,泥漿的配制還應采取以下措施:

1)優質配漿材料的選用。常規泥漿會出現護壁性能和攜渣能力不足、穩定性較差以及回收處理不當等方面的問題,因此,本項目選用新型復合鈉基膨潤土(GTC-4)進行泥漿配制。此類膨潤土的造漿率高,其內還另外添加了特制的聚合物——200目鈉基膨潤土。因此,此種泥漿可適用于各類土層,尤其能夠滿足超深地下連續墻的護壁需求。

2)泥漿分離設備和工藝的改良。為提高泥漿的分離效率,確保泥漿中的砂粒能夠完全被分離,進而保證泥漿的各項指標滿足規范要求,本項目施工現場配備了宜昌黑旋風公司設計的泥漿分離系統。該系統改變了傳統振動篩的篩網結構,并同時增設了旋流分離器,故其對較大泥沙顆粒、垃圾和細微砂礫的分離效率較高。

此外,為更高程度的保證泥漿的分離質量,本項目還對泥漿回收分離凈化工藝進行了優化改良,其具體工作流程為:泥漿首先會通過土渣分離篩,泥漿中粒徑大于1 mm的泥土和泥沙顆粒會被篩分出來,以防止此類堵塞旋流除碴器下泄口;一次篩分后的泥漿會依次通過由沉淀池、旋流除碴器和雙層振動篩所組成的多級分離系統,以進一步凈化泥漿中的細小泥沙,以此降低泥漿的比重與含砂量,直至泥漿的比重和含砂量滿足要求為止,即砂性土小于1.15,黏性土小于1.1,且砂性土小于7%,黏性土小于4%。

本分離系統所能分離的最小顆粒粒徑為0.045 mm,因此泥漿中粒徑小于0.045 mm的顆粒無法被分離,部分泥漿的比重可能無法滿足要求。此時,就需將因無法分離且比重超標的泥漿全部排除并用各項指標滿足要求的新鮮泥漿置換。

4 成槽施工質量控制措施

成槽過程中,軟土層和厚砂層極易出現槽壁坍塌,針對此類地質條件,為保證地下連續墻槽段的槽壁穩定性,需在成槽施工期間采取以下措施:

1)在保證成槽機抓斗作業半徑的前提下,確定成槽機械的施工位置;同時,還應確保成槽機履帶平行于導墻并應盡量遠離導墻邊緣,以減少施工期間可能對槽壁所產生的影響。

2)成槽機的作業平臺地面需提前進行硬化處理,一般鋪筑30 cm厚的C35混凝土進行處理;成槽機作業期間其履帶必須停放于混凝土地面上,以分散機械對地面的集中荷載作用,并保持施工區域地層的穩定性。

3)成槽機作業期間,成槽機抓斗應輕放慢提,并嚴格控制成槽施工的速度,以防止槽段內存在負壓區,造成槽段槽壁發生塌方。

4)護壁泥漿質量應優良,其應具備黏度大,失水量小,能夠形成薄而韌泥皮的特點,從而確保槽段內壁在施工期間可以保持穩定。此外,根據成槽過程中土壁的變化情況,可添加外加劑以調整泥漿指標,保證泥漿能夠維持槽段的穩定。

5)銑削時,銑頭刮刀四周受力不均會造成銑頭傾斜,進而引起槽孔偏斜。為避免此類現象的發生,應分別在銑頭的左右兩側各安裝2塊導向板,前后兩側各安裝4塊糾偏板。同時,利用觸摸屏控制液壓千斤頂系統調整導向板和糾偏板位置,控制銑頭姿態,控制銑頭下降速度,以有效保障槽壁垂直度。

6)施工期間槽段內若出現泥漿缺失,需及時補漿并將泥漿液面高度始終保持在穩定槽段所必須的液面高度,具體指低于導墻30 cm以下,且高于地下水位1 m以上的位置。

7)施工期間若遇雨天或地下水位上升等情況,則需相應地加大泥漿的比重和黏度。如果雨勢較大則應暫停施工,并封蓋槽段以避免雨水滲入。

8)由于槽段土壁會受到周圍荷載作用而產生坍塌,故在槽段施工期間還應嚴格控制槽段附近地面的附加荷載,通常情況下槽壁附近的堆載不應超過20 kPa,且施工所需的起吊設備和載重汽車的輪緣與槽壁的距離應不小于3.5 m。

9)成槽施工結束后,在進行完全徹底的清底和泥漿置換后方可進行剩余其他工序。值得注意的是,在整個鋼筋籠吊裝期間,應保證鋼筋籠的穩、準、平,避免因鋼筋籠的上下移動而引起的槽壁坍塌。此外,各工序間的銜接應嚴格保障,并盡量縮短已開挖槽壁的暴露時間。

10)針對“Z”“L”型槽段易塌的陽角部位,可預先進行注漿作業。

在整個槽段的施工期間,一旦出現塌槽問題就必須及時填入砂土,并用抓斗回填壓實;同時,在槽段內外兩側位置進行注漿處理,一般需選擇距槽壁1 m的位置,待密實后再進行后續的開挖步驟。

5 結語

地鐵車站基坑較深,目前常選用地下連續墻作為圍護結構,可以兼顧阻水、承重、擋土等功能,但往往面臨軟硬不均的地層地質條件,為地下連續墻成槽施工帶來不利影響。針對軟硬不均地層地下連續墻成槽施工的難點,得出如下結論:

1)對于較軟和較硬地層,分別采用不同的施工機械和施工工藝流程,如在較軟地層可采用液壓抓斗成槽機,在較硬地層采用旋挖鉆成槽。

2)選用新型材料配制泥漿,對泥漿分離設備和工藝進行改良,提高泥漿分離效率,滿足護壁要求。

3)成槽機成槽期間應確保槽壁的穩定性,一般在保證護壁泥漿指標符合要求的前提下,同時采取相應措施保證施工質量,包括成槽機定位、控制成槽速度和槽孔垂直度、及時補漿、減小地面附加荷載以及縮短晾槽時間等。