堅(jiān)硬巖層內(nèi)地下連續(xù)墻成槽工藝的比選

宗春華

上海建騰建筑工程監(jiān)理有限公司 上海 201800

1 工程概況

長沙某軌交車站沿麓山南路南北鋪設(shè)，為單柱雙跨（設(shè)備區(qū)雙柱三跨）兩層站。車站東西兩側(cè)分布有教學(xué)樓、體育館等建筑。依據(jù)基坑規(guī)范和總體技術(shù)要求的有關(guān)規(guī)定，本基坑安全等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.1，變形控制保護(hù)等級為一級。

車站全長215 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度20.70 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約19.72 m。車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚800 mm地下連續(xù)墻，共計(jì)82幅。標(biāo)準(zhǔn)段基坑底部主要為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，局部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度取3 m（中風(fēng)化巖層）、5 m（強(qiáng)風(fēng)化巖層），地下連續(xù)墻成槽深度21～23 m，入中風(fēng)化灰?guī)r深度12～16 m（圖1）。

圖1 車站地下連續(xù)墻圍護(hù)典型剖面

2 工程地質(zhì)及水文條件

本次勘察揭示車站區(qū)域內(nèi)地層主要為三疊系巖層（T）及石炭系巖層（C），第四系（Q）土層覆蓋于基巖之上。場地主要土層自上而下可依次劃分為：①1雜填土、④1-3粉質(zhì)黏土、④6卵石、⑥T-2全風(fēng)化泥巖、⑦T-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖、⑥T-4全風(fēng)化砂巖、⑦T-4強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑦C-1強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、⑧C-1中風(fēng)化灰?guī)r。

場地所有鉆孔均遇見地下水，主要為賦存于雜土層中的上層滯水、基巖裂隙中的基巖裂隙水與碳酸鹽類巖溶裂隙水，其承壓性均為潛水。

3 前期成槽工藝和成果

3.1 沖擊鉆機(jī)＋成槽機(jī)

本項(xiàng)目首先采用了常規(guī)的沖擊鉆機(jī)＋成槽機(jī)的設(shè)備組合進(jìn)行成槽。主要工藝為將上部的雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖層采用成槽機(jī)挖除，然后采用沖擊鉆機(jī)對中風(fēng)化灰?guī)r進(jìn)行處理。沖擊鉆機(jī)處理巖層的原理為在沖擊式鉆孔架懸吊沖擊鉆頭（又稱沖錘）上下往復(fù)沖擊，將巖層破碎后形成巖屑，用泥漿循環(huán)帶出成孔。

沖擊順序?yàn)殚g隔施工（圖2），先沖擊奇數(shù)孔位，后沖擊偶數(shù)孔位，最后沖擊孔位間的棱角部分。全部沖孔完成后開始用方錘修槽。

圖2 沖擊錘沖孔順序

沖擊錘施工過程中存在以下3個(gè)問題：

1）入巖后沖擊鉆錘頭受高強(qiáng)度巖層影響持續(xù)損壞，需不斷暫停施工進(jìn)行修焊。

2）入巖一定深度后，鋼絲繩已貼近地下連續(xù)墻側(cè)壁，偏孔嚴(yán)重?zé)o法滿足垂直度要求，回填片石后因片石層與原巖層強(qiáng)度差別過大，二次修偏仍然多方向偏孔，無法修復(fù)。

3）方錘跟進(jìn)施工后，圓弧外棱角巖石同樣因軟硬不均造成方錘偏孔及錘頭旋轉(zhuǎn)，除垂直度無法保證外，錘頭亦因無規(guī)則旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致卡錘，無法上提施工。

根據(jù)沖擊鉆試鉆情況，開孔8孔，僅圓錘成孔2孔，成孔率為25%，且沖孔后垂直度無法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)圓孔的沖孔時(shí)間為7～14 d，按每幅沖8孔考慮，圓孔沖孔時(shí)間就超過80 d/幅，即便考慮增加沖擊鉆機(jī)數(shù)量和流水施工，也無法滿足圍護(hù)工程的工期要求。

3.2 旋挖鉆機(jī)＋成槽機(jī)

為加快巖層處理效率，施工單位采用了旋挖鉆機(jī)＋成槽機(jī)的設(shè)備組合進(jìn)行成槽。主要工藝和沖擊鉆機(jī)加成槽機(jī)基本類似，將沖擊鉆機(jī)更換為處理巖層能力更強(qiáng)的旋挖鉆機(jī)。旋挖鉆機(jī)破巖的原理是：依靠施加壓力將鉆具截齒壓入巖石，在強(qiáng)大的動(dòng)力頭輸出扭矩的作用下，使巖石產(chǎn)生剪切破碎。旋挖鉆機(jī)在施工過程中，通過動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，在加壓載荷與旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下，鉆具與巖石的接觸面之間就會(huì)產(chǎn)生剪切力，實(shí)現(xiàn)剪切破巖。

旋挖鉆機(jī)引孔順序與圖2相同，間隔施工，先引奇數(shù)孔位，后引偶數(shù)孔位，全部沖孔完成后開始用方錘修槽。

根據(jù)旋挖鉆試鉆情況，1月24日開始成孔，1月30日引孔結(jié)束，共計(jì)進(jìn)尺23.50 m，累計(jì)消耗旋挖鉆頭30個(gè)，中風(fēng)化巖層內(nèi)平均進(jìn)尺為1.73 m/d。據(jù)此工效計(jì)算，每幅地下連續(xù)墻需完成引孔8個(gè)，單幅槽段巖層處理時(shí)間為56 d，相比沖擊鉆機(jī)工效提升了30%，但仍然無法滿足圍護(hù)工程的工期要求[1-4]。

3.3 潛孔錘（打排孔）與沖擊鉆（修邊）＋成槽機(jī)

在常規(guī)巖層處理方式無法滿足工期要求的背景下，施工單位選用了潛孔錘＋沖擊鉆機(jī)的設(shè)備組合進(jìn)行成槽。潛孔錘鑿巖的工作原理為在潛孔錘鑿巖鉆進(jìn)過程中，由空壓機(jī)提供的高壓空氣驅(qū)動(dòng)潛孔錘缸體內(nèi)的活塞做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。并將該運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能源源不斷地傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功。鉆頭在該沖擊功作用下，連續(xù)對空地巖石施行沖擊鑿進(jìn)。巖石在該鉆頭沖擊功作用下，形成體積破碎。同回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，該工藝以鉆頭沖擊破碎巖石取代了切削巖石，以動(dòng)載沖擊代替了靜載研磨，以巖石的體積破碎代替了研磨剪切破碎。在潛孔錘鉆進(jìn)的同時(shí)，一部分被破碎下來的巖屑被具有一定壓力及速度的空氣吹離孔底，并排出孔口，減少了巖石重復(fù)破碎的機(jī)會(huì)。所以氣動(dòng)潛孔錘有較高的鉆進(jìn)效率。

潛孔錘引孔時(shí)，相鄰孔邊間距不小于20 mm，避免產(chǎn)生串孔現(xiàn)象。沖擊順序亦為間隔施工（圖3），先沖擊奇數(shù)孔位，后沖擊偶數(shù)孔位，全部沖孔完成后開始用方錘修槽。

圖3 潛孔錘沖孔順序

現(xiàn)場施工過程中，潛孔錘引孔效果較為理想，但方錘修孔過程中由于巖層高度不同和硬度不一致等原因，旋轉(zhuǎn)卡錘偏孔現(xiàn)象更為嚴(yán)重，處理卡錘的時(shí)間更長，加上錘頭的持續(xù)損壞和補(bǔ)焊，2個(gè)月仍無法完成一幅槽段的成槽，該工藝以失敗告終。

4 潛孔錘＋銑槽機(jī)成槽施工工藝

4.1 成槽設(shè)備選型

在嘗試了多種施工工藝，均以失敗而告終之后，經(jīng)綜合考慮，最終決定采用全進(jìn)口的德國寶峨雙輪銑槽機(jī)BC40和潛孔錘輔助引孔成槽工藝施工。銑槽機(jī)BC40可在堅(jiān)硬的砂層中銑削成槽，并具有良好的糾偏性能（圖4），其主要性能參數(shù)為：最大開挖深度120 m，開挖尺寸為（0.8～1.8） m×2.8 m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為570 kW，最大起重能力為120 t，泥漿泵排量為450 m3/h，泥漿凈化設(shè)備的處理能力為500 m3/h。

圖4 寶峨BC-40型銑槽機(jī)

4.2 引孔布置和順序

考慮到銑槽機(jī)有良好的巖層處理能力，從減少潛孔錘引孔成本角度考慮，本項(xiàng)目對引孔布置數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，以厚度為800 mm、分幅為6 m的地下連續(xù)墻為例，首開槽段引4個(gè)孔，連接槽段引3個(gè)孔，閉合槽段引1～2個(gè)孔（圖5～圖7），其中1#孔必引，2#孔選引。

沖擊順序仍為間隔施工，先沖擊奇數(shù)孔位，后沖擊偶數(shù)孔位。

圖5 首開幅引孔布置

圖6 連接幅引孔布置

圖7 閉合幅引孔布置

4.3 銑槽機(jī)銑槽

潛孔錘引孔完成后即可采用銑槽機(jī)對剩余巖層進(jìn)行銑槽施工。由于潛孔錘引孔垂直度不能完全保證，故雙輪銑在施工時(shí)經(jīng)常遇到潛孔錘引孔偏等情況。一般雙輪銑施工時(shí)降低速度，充分利用導(dǎo)向架、糾偏板及時(shí)糾偏，保證垂直度。

4.4 其他技術(shù)措施

1）銑槽機(jī)施工連接幅或閉合幅時(shí)經(jīng)常遇到打工字鋼情況，此時(shí)如果硬銑將對銑槽機(jī)齒輪箱造成較大損傷，并且銑齒消耗增大，銑槽效率降低，應(yīng)該及時(shí)采取措施。根據(jù)本項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，將下接頭箱擋在銑槽機(jī)銑架和工字鋼之間，效果比較好。

2）雙輪銑施工連接槽或閉合槽時(shí)經(jīng)常遇到一期槽回填的沙袋堵管，此時(shí)銑槽將會(huì)極大降低銑槽效率。根據(jù)本項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，一期槽施工完成后應(yīng)及時(shí)用沖擊錘沖擊沙袋回填區(qū)域，并在沖擊錘錘頭頂部焊接鋼筋，沖擊錘上下反復(fù)撈出回填袋子，直至撈完為止，這樣可以大大減少沙袋堵管次數(shù)[5-6]。

4.5 成槽工效

取深度相同的相近兩幅槽W8-34第一銑和W8-29槽第一銑進(jìn)行對比，其中W8-34槽第一刀用φ800mm潛孔錘引孔2個(gè)，W8-29槽第一刀未引孔，工效對比如表1所示。

表1 潛孔錘引孔前后銑槽機(jī)施工效率對比

本項(xiàng)目總計(jì)82幅地下連續(xù)墻，其中有13幅未引孔，而是使用雙輪銑槽機(jī)直接施工，其余69幅經(jīng)過引孔后再使用雙輪銑槽機(jī)施工，將每幅施工記錄的數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行綜合對比，結(jié)果如表2所示。

表2 潛孔錘引孔前后全部槽段施工效率對比

5 結(jié)語

本文通過對長沙中風(fēng)化灰?guī)r中地下連續(xù)墻多種成槽工藝的試驗(yàn)和比選，通過合理的設(shè)備組合保證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高效施工。

1）傳統(tǒng)的沖擊錘機(jī)和旋挖鉆機(jī)在飽和抗壓強(qiáng)度50 MPa以內(nèi)的巖層內(nèi)具有一定的入巖工效，但在飽和抗壓強(qiáng)度平均超過100 MPa的堅(jiān)硬巖層內(nèi)入巖工效急劇下降，垂直度控制不理想也導(dǎo)致修槽時(shí)間增加，降低了整體的成槽工效。

2）潛孔錘具有較高的引孔工效，但在施工過程中垂直度無法保證，因此引孔時(shí)必須預(yù)留合理的間隔距離。

3）采用潛孔錘和雙輪銑槽機(jī)的設(shè)備組合，有效地完成了飽和抗壓強(qiáng)度超過100 MPa的堅(jiān)硬巖層內(nèi)的地下連續(xù)墻成槽施工，滿足了地下連續(xù)墻施工的質(zhì)量和工期要求。

4）銑槽機(jī)施工前可通過提前撈除沙袋、鋼筋和鐵塊等雜物以防止銑槽機(jī)堵管和卡輪現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而提高銑槽機(jī)施工工效，并減少對銑槽機(jī)的損傷。