超深格構(gòu)式地下連續(xù)墻在海河沉管隧道護(hù)堤結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

張斌梁

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)

1 概述

海河沉管隧道是天津市的發(fā)展中心——濱海新區(qū)中央大道上快速溝通于家堡中心商務(wù)區(qū)和東西沽地區(qū)的重點(diǎn)工程,是華北地區(qū)沉管法施工的第一條公路隧道,過(guò)河沉管段長(zhǎng)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(zhì)量和可靠性的同時(shí),還需要保證南北兩側(cè)堤岸的安全,所以岸堤保護(hù)在沉管隧道的設(shè)計(jì)和施工中顯得非常重要。

根據(jù)本工程場(chǎng)地環(huán)境、工程地質(zhì)及水文特征、岸堤保護(hù)范圍、結(jié)構(gòu)變形量要求以及與沉管法設(shè)計(jì)施工相關(guān)的特點(diǎn)要求,對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合當(dāng)前的施工技術(shù)和裝備水平,確定了采用重力式擋墻方案。護(hù)堤分為沉管與暗埋段相接處的鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)+單排深層水泥攪拌樁止水幕墻,兩翼的格構(gòu)式地下連續(xù)墻擋墻和雙排深層水泥攪拌樁擋墻3個(gè)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(gòu)式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。護(hù)堤結(jié)構(gòu)兼做臨時(shí)防汛墻的基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)施工期的防汛安全；同時(shí)南岸的連續(xù)墻格構(gòu)還有兼作干塢塢墩的作用,減少了工程量以及工程費(fèi)用。

圖1 堤岸保護(hù)結(jié)構(gòu)工程平面示意

2 場(chǎng)地環(huán)境和工程地質(zhì)條件

隧道軸線處海河兩岸岸線現(xiàn)狀是,南岸及兩側(cè)主要是天津船廠及碼頭,護(hù)堤位于原西沽碼頭砂場(chǎng)內(nèi)；北岸及兩側(cè)范圍為石油倉(cāng)儲(chǔ)基地和碼頭,護(hù)堤位于原西貨場(chǎng)內(nèi)。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(hù)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(zhì)黏土為主,局部含淤泥質(zhì)土和粉土；③第Ⅰ海相層,厚14.7～17.4 m,主要含粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)土、黏土；④第Ⅱ～Ⅲ陸相層,厚10.2～15.4 m,主要含粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)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(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)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(zhì)黏土、粉土。根據(jù)土層透水性評(píng)價(jià),其中⑥-1亞層為不透水的粉質(zhì)黏土層,該層上下土層弱透水或微透水。場(chǎng)地靜止地下水位埋深為0.80～1.30 m。

3 格構(gòu)式擋墻的結(jié)構(gòu)及布置形式

圖2 南岸東翼格構(gòu)式護(hù)堤擋墻平面示意(單位：mm)

圖3 臨河側(cè)示意

為增加格構(gòu)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(gòu)內(nèi)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(shè)100 cm厚鋼筋混凝土板,以增加其整體剛度。

經(jīng)計(jì)算,抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為1.06～1.18>1.05(安全系數(shù)),抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)為1.18～1.29>1.1(安全系數(shù)),施工期間結(jié)構(gòu)的最大水平位移約為15 mm,可滿足工程需要。

4 超深格構(gòu)式地下連續(xù)墻的施工

4.1 施工技術(shù)難點(diǎn)

格構(gòu)式地下連續(xù)墻在護(hù)堤結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用極少,上海外環(huán)沉管隧道的浦西岸壁保護(hù)中曾成功應(yīng)用一例,其結(jié)構(gòu)深度為48.5 m,而本工程結(jié)構(gòu)深度達(dá)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(wěn)定性、防滲、大幅鋼籠起吊等難題，而且還有以下特點(diǎn)：

(1)異形幅占總幅數(shù)的40%強(qiáng),其成槽的質(zhì)量和進(jìn)度對(duì)工程影響很大；

(2)在粉土、粉砂、細(xì)砂層,及軟土層中開(kāi)挖深槽,且臨河施工,泥漿護(hù)壁要求高；

(3)最大幅鋼筋籠長(zhǎng)44 m,質(zhì)量67.6 t,其吊裝的設(shè)備、工藝、安全性等至關(guān)重要。

4.2 總體施工方案

南北兩岸及其東西兩側(cè)翼格構(gòu)式地下連續(xù)墻同時(shí)組織平行施工,按“由深到淺,先難后易；先施工臨河側(cè)、后施工岸堤外側(cè)”的施工順序組織流水作業(yè),逐步形成環(huán)環(huán)相扣的格構(gòu)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(jīng)成槽試驗(yàn)確定主要施工設(shè)備選型,改進(jìn)施工工藝,優(yōu)化施工技術(shù)參數(shù)。施工中輔以適當(dāng)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(dǎo)管頂升法進(jìn)行水下混凝土澆筑技術(shù)。異形槽段成槽前采取對(duì)一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行預(yù)加固,提高土體強(qiáng)度等一系列的措施,以提高成槽效率,保證槽壁穩(wěn)定。

4.3 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.3.1 成槽設(shè)備選型

通過(guò)成槽試驗(yàn)和設(shè)備比選,深度超過(guò)35 m的槽段,采用具有成槽深度大(最大可達(dá)60 m)、成槽精度高的德國(guó)寶峨GB34液壓抓斗成槽機(jī),該機(jī)具有超強(qiáng)糾偏能力,采用“二鉆一抓”成槽工藝,同時(shí)輔以旋挖鉆機(jī)先行開(kāi)挖導(dǎo)孔,有效地保證了成槽質(zhì)量。

4.3.2 異形槽段成槽技術(shù)

格構(gòu)式地下墻異形幅多,相對(duì)拐角處成槽土體臨空面大,施工時(shí)間較長(zhǎng),且地面以下4～8 m為淤泥質(zhì)土,不利于槽壁穩(wěn)定,易出現(xiàn)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(dǎo)墻頂面下0.2 m,并高于地下水位1 m以上等常規(guī)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(yù)加固

為避免格構(gòu)墻異形幅拐角部位成槽時(shí)出現(xiàn)坍塌,在施工導(dǎo)墻前對(duì)拐角部位周圍土體進(jìn)行水泥攪拌樁預(yù)加固,加固范圍為陰角處3 m×3 m的三角區(qū),以及距離槽段另一側(cè)邊線1.5 m的范圍內(nèi),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(cè)采用低強(qiáng)度的雙液漿進(jìn)行加固。

淺層土體預(yù)加固的同時(shí)也起到加固導(dǎo)墻以下松軟土體的作用。

(2)開(kāi)槽順序

圖4 轉(zhuǎn)角槽段施工順序

異形幅開(kāi)槽順序按“先兩端后中間、先短邊后長(zhǎng)邊”的原則,根據(jù)異形槽段長(zhǎng)度與成槽機(jī)的開(kāi)口寬度,確定出首開(kāi)幅和閉合幅,保證成槽機(jī)切土?xí)r兩側(cè)鄰界條件的均衡性。轉(zhuǎn)角槽段拐角處3號(hào)導(dǎo)孔應(yīng)是與外側(cè)導(dǎo)墻的兩個(gè)邊、內(nèi)側(cè)陰角的頂點(diǎn)三者之間的內(nèi)切圓,如圖4所示。

4.3.3 穿越砂層的成槽控制技術(shù)

(1)泥漿品質(zhì)和液面控制

穿越砂層時(shí),大量泥砂顆粒不可避免地不斷混入護(hù)壁泥漿,使泥漿黏度、比重大幅增加,泥漿因污染而變質(zhì)。為此,采取了如下措施,以達(dá)到改善泥漿品質(zhì)、穩(wěn)定槽壁的作用：采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土拌制循環(huán)泥漿；改變振動(dòng)篩的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu),提高對(duì)較大泥砂顆粒的分離效率；適量添加CMC,改善其黏度；適當(dāng)提高槽中泥漿比重,特殊情況時(shí)使之接近規(guī)范相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的上限值,即控制在1.0～1.15,清槽后測(cè)定槽底以上0.2～1.0 m處的泥漿比重應(yīng)小于1.15。還可采取加高導(dǎo)墻,加大泥漿液面與地下水位間的高程差等措施,以提高穩(wěn)定度。

(2)單元槽段的長(zhǎng)度控制

槽段長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),控制在抓斗全部張開(kāi)后2倍的寬度之內(nèi)為宜,這樣完成一幅僅需兩次開(kāi)挖作業(yè),成槽快也就降低了坍方的可能。同時(shí)短槽段比長(zhǎng)槽段可更好的發(fā)揮土拱效應(yīng),利于槽壁穩(wěn)定。

(3)加強(qiáng)施工管理和過(guò)程控制

成槽機(jī)抓斗閉斗下放,開(kāi)挖時(shí)再?gòu)堥_(kāi),必須輕提慢放,避免形成渦流沖刷槽壁；掘進(jìn)速度應(yīng)控制在15 m/h左右,每斗進(jìn)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(shí)間；成槽機(jī)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(qū)域一切不必要的荷載,槽壁附近堆載不超過(guò)20 kN/m2,以免影響槽壁穩(wěn)定。

4.3.4 十字鋼板接頭施工技術(shù)

(1)接頭分體式反力箱的應(yīng)用

為保護(hù)十字止水鋼板,地下連續(xù)墻接頭采用反力箱施工,效果良好。反力箱能密貼并保護(hù)十字鋼板,可防止混凝土灌注時(shí)鋼筋籠的側(cè)移和混凝土的繞流固結(jié)。分體式反力箱的應(yīng)用見(jiàn)圖5。

圖5 分體式反力箱的應(yīng)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(shí),防止混凝土灌注時(shí)的側(cè)壓力使反力箱發(fā)生移位。

反力箱的提升采用自制的頂拔機(jī)(最大引拔力2 000 kN)緩慢進(jìn)行,混凝土初凝2～3 h后進(jìn)行第一次松動(dòng)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(dǎo)向的高強(qiáng)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(shù)

大幅鋼筋籠采用雙機(jī)整體抬吊入槽,主吊為300 t履帶吊(扒桿長(zhǎng)66 m),副吊為150 t履帶吊(扒桿長(zhǎng)42.65 m)。鋼筋籠上設(shè)置縱向起吊桁架3道、橫向起吊桁架6道,主、副吊機(jī)吊點(diǎn)各9個(gè),具體分布位置經(jīng)計(jì)算后確定。先由雙機(jī)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(yùn)鋼筋籠入槽。

為使鋼筋籠起吊時(shí)有足夠的剛度,防止產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形,吊點(diǎn)處幫焊φ28 mm鋼筋加強(qiáng)。在鋼筋籠下端系纜繩用人力控制其在空中晃動(dòng),不允許鋼筋籠下端在地面上拖拉,防止鋼筋籠下端變形。對(duì)于拐角幅鋼筋籠還增設(shè)有“人”字桁架和斜拉桿進(jìn)行加強(qiáng),以防鋼筋籠在空中發(fā)生翻轉(zhuǎn)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(jìn)行清槽,但由于槽深,各工序時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),為避免槽底沉渣對(duì)地下連續(xù)墻的承載力和抗?jié)B能力產(chǎn)生影響,防止后期沉降,需對(duì)連續(xù)墻墻底進(jìn)行充填注漿加固。墻底注漿加固是通過(guò)每幅連續(xù)墻鋼筋籠內(nèi)布設(shè)2根φ50 mm的注漿鋼管來(lái)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jié)語(yǔ)

應(yīng)用格構(gòu)式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),使之同沉管與暗埋段相接處的鋼管樁擋墻,以及臨時(shí)防汛墻巧妙地結(jié)合起來(lái),有效地控制了岸壁保護(hù)結(jié)構(gòu)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(fèi)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(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用,有效地解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下最深達(dá)52.5 m格構(gòu)式地下連續(xù)墻的施工難題。

該護(hù)堤結(jié)構(gòu)2009年3月初開(kāi)始,至當(dāng)年10月上旬結(jié)束,歷時(shí)7個(gè)月,在此期間,南岸以格構(gòu)式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)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(guān)區(qū)域、有關(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生的沉降和變形均在可控范圍內(nèi)。當(dāng)然,該結(jié)構(gòu)還有待沉管基槽浚挖施工期間的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

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