“上軟下硬”復(fù)合地層地連墻快速成槽施工關(guān)鍵技術(shù)研究

盧偉

“上軟下硬”復(fù)合地層地連墻快速成槽施工關(guān)鍵技術(shù)研究

盧偉

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司市政工程公司，浙江 杭州 310000)

針對上軟下硬地層條件下地連墻施工經(jīng)驗(yàn)相對匱乏的現(xiàn)狀，以杭州某地鐵車站“上軟下硬”復(fù)合地層地連墻施工為工程背景，以不增加工程造價(jià)為前提，對地下入巖連續(xù)墻施工快速施工技術(shù)開展研究。通過“優(yōu)化地下入巖連續(xù)墻施工機(jī)械配套選型，提高成槽質(zhì)量及效率”、“改進(jìn)護(hù)壁泥漿配比，確保護(hù)壁效果”、“研發(fā)改造成槽施工機(jī)械，減少渦流對上部軟土層的影響”等多方面工作，優(yōu)化傳統(tǒng)入巖地連墻成槽工藝，形成了一套“旋挖鉆機(jī)配合方錘破碎巖層、成槽機(jī)取土”的快速成槽工藝，有效確保車站地連墻施工進(jìn)度及質(zhì)量，可為日后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

地鐵工程；上軟下硬復(fù)合地層；地下連續(xù)墻施工；施工工藝優(yōu)化；快速成槽

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，很多城市可用地表土地面積稀缺，因此城市地下空間的開發(fā)利用逐漸成為發(fā)展趨勢。在城市的地下工程建設(shè)中，地下連續(xù)墻以其眾多優(yōu)點(diǎn)在基坑開挖支護(hù)中，使用日益廣泛。地連墻為基坑圍護(hù)體系中關(guān)鍵組成部分，起到止水、承受土體側(cè)壓力的作用，為基坑開挖提供一個相對安全的作業(yè)環(huán)境，地連墻施工質(zhì)量直接影響基坑開挖施工安全[1-2]。在軟土地層中，地下連續(xù)墻的施工工藝和技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對于復(fù)雜地層，嵌巖式地下連續(xù)墻施工技術(shù)仍處于探索和完善階段，在應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)方面資料有限，缺乏系統(tǒng)的成套施工工藝。嵌巖式地下連續(xù)墻施工過程中存在“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，國內(nèi)部分學(xué)者結(jié)合相應(yīng)的工程實(shí)例，提出了相應(yīng)的嵌巖式地下連續(xù)墻的施工工藝。但由于不同工程中地質(zhì)條件的差異，采取的施工工藝也會有所不同[3-5]。目前，地下入巖連續(xù)墻施工常用設(shè)備主要有傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(jī)(大多需鉆機(jī)配合)和新興的雙輪銑槽機(jī)。傳統(tǒng)的液壓抓斗成槽機(jī)入巖段無法獨(dú)自成槽，大多需鉆機(jī)配合施工。液壓雙輪銑法作為專用的入巖地下連續(xù)墻施工設(shè)備，其雖適合入巖施工，但機(jī)械主要依賴進(jìn)口，整機(jī)購進(jìn)、租賃費(fèi)用昂貴，且設(shè)備維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用較高，僅適用于工程量大、工期緊、且中風(fēng)化巖層在總工程量中占比較大等復(fù)雜條件下的入巖地連墻施工。本文以杭州地鐵某地鐵站“上軟下硬”復(fù)合地層地連墻施工為工程背景，以不增加工程造價(jià)為前提，對入巖地下連續(xù)墻施工機(jī)械配套選型優(yōu)化和進(jìn)度組織等方面開展研究，優(yōu)化傳統(tǒng)入巖地連墻成槽工藝，確保地連墻施工進(jìn)度及質(zhì)量，并形成成套施工工藝，為后續(xù)類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

杭州某地鐵站位于杭州市余杭區(qū)創(chuàng)新路(原溪望路)與創(chuàng)景路路口，車站沿創(chuàng)景路南北方向布置。車站為地下2層雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，共設(shè)4 個出入口、2 組風(fēng)亭，如圖1所示。車站總建筑面積12 046 m2，其中主體面積8 998 m2，附屬面積3 048 m2。車站主體結(jié)構(gòu)覆土約3.76 m(車站頂板頂至永久恢復(fù)路面)，采用明挖法施工。

圖1 地鐵車站平面圖

圖2 車站典型地質(zhì)剖面圖

地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，地下連續(xù)墻共計(jì)86幅，總延長為473.4 m，采用鎖口管接頭。車站標(biāo)準(zhǔn)段墻深約18.95~25 m，端頭井墻深20.5~27 m，車站地連墻存在大面積入中風(fēng)化砂礫巖情況，中風(fēng)化砂礫巖天然單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)18.07 MPa，車站典型地質(zhì)剖面如下圖2所示。同時，地連墻槽段上部土層為④1淤泥質(zhì)黏土及④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，其標(biāo)貫值低，摩擦角小，擾動后極易發(fā)生滑移坍塌，為典型的“上軟下硬”地層，地連墻成槽施工難度大，合理選擇成槽施工工藝是確保成槽進(jìn)度與質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 成槽施工工藝初選

目前，地下入巖連續(xù)墻施工常用設(shè)備主要有傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(jī)(大多需鉆機(jī)配合)和新興的雙輪銑槽機(jī)。

傳統(tǒng)的液壓抓斗成槽機(jī)入巖段無法獨(dú)自成槽，大多需鉆機(jī)配合施工。

液壓雙輪銑法作為專用的入巖地下連續(xù)墻施工設(shè)備，以其成槽(硬巖層)效率高(較之抓斗高4~5倍)，孔形規(guī)則(垂直度可控制在3‰以下)、安全、適應(yīng)地層范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)已在發(fā)達(dá)國家普遍采用。雙輪銑槽機(jī)雖適合入巖施工，但機(jī)械主要依賴進(jìn)口，整機(jī)購進(jìn)、租賃費(fèi)用昂貴，且設(shè)備維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用較高。一般在工程量大(≥1.8萬m3、槽深>40 m)，工期緊，且中風(fēng)化巖層入巖施工在地墻總工程量中占比較大，其他成槽設(shè)備無法施工及地下連續(xù)墻在敏感構(gòu)筑物附近等條件下才考慮采用雙輪銑。

由于本項(xiàng)目工程地質(zhì)的特殊性，地下連續(xù)墻存在入中風(fēng)化巖情況，且入巖深度較大，致使常規(guī)的成槽工藝成槽困難；同時，由于地連墻槽段上部土層標(biāo)貫值低，摩擦角小，擾動后極易發(fā)生滑移坍塌。本工程若采用常規(guī)的成槽工藝進(jìn)行地連墻成槽施工，單幅地連墻成槽施工投入成本高，施工時間長；另一方面，長時間的入巖段施工，將對上部軟弱地層產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動，導(dǎo)致上部土出現(xiàn)滑移坍塌情況，影響成槽質(zhì)量的同時，也使施工便道下方出現(xiàn)空洞，削弱便道承載能力，影響便道的正常使用，間接阻礙成槽施工效率[6-8]。

綜上所述，針對本工程上軟下硬地層情況，以不增加工程造價(jià)為前提，對入巖地下連續(xù)墻施工機(jī)械配套選型優(yōu)化和進(jìn)度組織等方面開展研究，優(yōu)化傳統(tǒng)入巖地連墻成槽工藝，確保地連墻施工進(jìn)度及質(zhì)量為本工程地連墻施工的關(guān)鍵所在。本工程車站設(shè)計(jì)共86幅地下連續(xù)墻，地連墻最大深度為27 m，深度較淺，工程量較小，且中風(fēng)化巖層所占比例較小。綜合經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度等多方面因素考慮，本工程擬初步采用旋挖鉆機(jī)配合抓斗式成槽機(jī)成槽施工工藝，其成槽工藝流程如圖3所示。

圖3 初選地下連續(xù)墻施工工藝流程

初步地連墻成槽方案主要成槽工藝如下。

1) 成槽機(jī)上部土層抓取

成槽機(jī)就位后，首先對槽段內(nèi)上部土層進(jìn)行部分抓除。首次抓槽時抓取至全風(fēng)化巖層，預(yù)留全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層作為旋挖鉆機(jī)鉆孔時的導(dǎo)向?qū)?，防止旋挖鉆機(jī)偏孔，確保旋挖鉆機(jī)鉆孔的垂直度。標(biāo)準(zhǔn)槽段采取三序成槽(如圖4所示)，先挖兩邊，再挖中間，成槽至全風(fēng)化巖層暫停成槽，如圖5所示。

圖4 三序成槽示意圖

圖5 成槽機(jī)上部土層抓取

2) 旋挖鉆引孔

成槽機(jī)首次成槽至全風(fēng)化巖層后，旋挖鉆機(jī)就位進(jìn)行引孔，為成槽機(jī)抓取中風(fēng)化巖層提供臨空面。旋挖鉆機(jī)引孔應(yīng)嚴(yán)格按開槽時的孔位布置圖(如圖6所示)進(jìn)行鉆進(jìn)施工，鉆孔孔徑為80 cm，一次性下鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

圖6 旋挖鉆引孔孔位布置圖

圖7 旋挖鉆引孔示意圖

3) 成槽機(jī)孔間基巖抓取

旋挖鉆引孔完成后，成槽機(jī)就位，對孔間基巖進(jìn)行抓取，直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。成槽完成后，進(jìn)行清底換漿、刷壁。

3 成槽施工工藝改進(jìn)

3.1 前期成槽施工工藝存在問題

成槽施工過程中，實(shí)際地下巖層深度與設(shè)計(jì)勘察地質(zhì)剖面存在差異，地連墻實(shí)際入巖深度大于設(shè)計(jì)入巖深度，如圖8所示。同時，由于中風(fēng)化基巖整體性好，強(qiáng)度大，前期采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行引孔，雖可順利引孔至槽底，但僅能成孤孔地磨碎基巖，無法有效破碎基巖的整體性，致使成槽機(jī)抓斗無法啃動孔間基巖，成槽過程中多次出現(xiàn)成槽機(jī)抓斗斗齒斷裂的情況。以上雙重因素的綜合影響，致使成槽困難，前期單幅成槽時間嚴(yán)重不可控，急需對成槽施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 成槽工藝改進(jìn)

針對前期成槽施工過程中，旋挖鉆引孔后成槽機(jī)無法啃動孔間基巖這一實(shí)際情況，對初步方案進(jìn)行合理改進(jìn)，旋挖鉆引孔后采用方錘進(jìn)行小墻(孔間基巖)破碎，提高施工效率。

成槽工藝改進(jìn)后，地連墻成槽采用“旋挖鉆機(jī)配合方錘破碎巖層、成槽機(jī)取土”方案，其工藝流程如圖9所示。

圖8 地連墻入中風(fēng)化巖深度設(shè)計(jì)與實(shí)際對比圖

圖9 改進(jìn)后地連墻施工工藝流程

改進(jìn)后主要成槽工藝如下。

1) 成槽機(jī)上部土層抓取

同原成槽施工工藝。

2) 旋挖鉆主孔引孔施工

改進(jìn)后成槽工藝，成槽機(jī)首次成槽至全風(fēng)化巖層后，基巖段采用“主副孔”先后引孔的方式：主孔4個，采用旋挖鉆機(jī)直接鉆至槽底；副孔4個，采用方錘破碎。主副孔孔位布置圖如圖10所示。

圖10 主副孔孔位布置圖

3) 方錘小墻(副孔)破碎

旋挖鉆機(jī)幅段內(nèi)主孔引孔完成后，成槽機(jī)就位對上部預(yù)留導(dǎo)向?qū)?全、強(qiáng)風(fēng)化巖層)進(jìn)行抓除。待上部預(yù)留導(dǎo)向?qū)幼コ瓿?，方錘立即就位，對副孔(主孔間小墻)進(jìn)行破碎，如圖11所示。方錘小墻破碎時，采用高頻率、低沖程的方法來進(jìn)行。

方錘沖孔時，應(yīng)根據(jù)旋挖鉆機(jī)的孔位標(biāo)識來確保方錘正對巖柱中心下沖，以避免方錘直接沖到主孔內(nèi)。同時，方錘沖擊形成的基巖碎塊沉積較多時，方錘進(jìn)尺緩慢，為保證方錘小墻破碎效率，需及時對沉渣進(jìn)行清理。

圖11 方錘副孔破碎示意圖

方錘沖孔作業(yè)所形成的渦流，以及鉆頭沖擊所造成的地層震動，易使上部軟土層產(chǎn)生滑移坍塌。為防止上部軟土層槽壁坍塌，在泥漿中摻加適量的CMC外加劑，以提高泥漿黏度，改善泥漿性能，如表1所示[9-13]；并將鉆頭尾部做成流線型(如圖13所示)，以減少渦流對上部軟土層的影響。

表1 新制泥漿配合比(1 m3漿液)

圖12 改進(jìn)后鉆頭

4) 成槽機(jī)抓斗細(xì)抓修槽、清底

待槽段內(nèi)小墻均破碎至設(shè)計(jì)底標(biāo)高，成槽機(jī)就位，對槽段進(jìn)行細(xì)抓修槽、清底，保證成槽質(zhì)量。

4 改進(jìn)后成槽工藝效果分析

杭州某地鐵站通過對地下入巖連續(xù)墻施工機(jī)械配套選型優(yōu)化和進(jìn)度組織等方面開展研究，對入巖地連墻成槽工藝進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，提出并采用“旋挖鉆機(jī)配合方錘破碎巖層、成槽機(jī)取土”的快速成槽工藝，使“上軟下硬”復(fù)合地層地連墻成槽質(zhì)量及效率明顯提高，取得了良好的施工效果。

1) 本工程為杭州地鐵5號線關(guān)鍵工程，開工初期受G20峰會及設(shè)計(jì)方案調(diào)整影響，期間停工約5個月，導(dǎo)致本工程工期較為緊張。通過對“上軟下硬”復(fù)合地層地連墻成槽工藝進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，采用“旋挖鉆機(jī)配合方錘破碎巖層、成槽機(jī)取土”的快速成槽工藝，使車站地連墻成槽效率明顯提升，單幅地連墻成槽時間縮短至28 h以內(nèi)(如圖13所示)，有效保證車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)工期。

2)“旋挖鉆機(jī)配合方錘破碎巖層、成槽機(jī)取土”快速成槽工藝的實(shí)施，有效降低渦流、地層震動對上部軟土層滑的影響，避免上部軟土層滑移坍塌，施工過程中上部軟土層滑移坍塌率為0%；且，施工過程中槽段垂直度控制良好，槽段垂直度誤差<1/300(如圖14所示)。

圖13 地連墻典型槽段成槽時間統(tǒng)計(jì)

圖14 典型槽段超聲波測壁儀檢測效果

5 結(jié)論

1) 由于現(xiàn)場投入多種機(jī)械設(shè)備，為降低機(jī)械閑置率，提高施工效率，合理的施工組織是關(guān)鍵。現(xiàn)場多個工作面同時開設(shè)，多幅槽段施工同時推進(jìn)，需要嚴(yán)密的施工組織，靈活調(diào)配成槽機(jī)、旋挖機(jī)、方錘，盡可能縮短工序銜接時間，增大機(jī)械利用率，減少機(jī)械閑置時間。

2) 嚴(yán)格控制泥漿性能指標(biāo)。地連墻槽段上部土層為④1淤泥質(zhì)黏土及④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，其標(biāo)貫值低，摩擦角小，擾動后極易發(fā)生滑移坍塌。由于成槽時間較長，且成槽擾動大，為防止槽段上部塌孔，嚴(yán)控泥漿性能指標(biāo)、保證護(hù)壁效果是關(guān)鍵。若通過控制泥漿性能指標(biāo)，無法有效防止上部土層滑移坍塌，可考慮對上部軟土層槽段進(jìn)行槽壁 加固。

3) 方錘副孔(小墻)破碎時，方錘沖擊形成的基巖碎塊沉積較多，容易黏錘，致使方錘進(jìn)尺緩慢，為保證方錘小墻破碎效率，需及時對沉渣進(jìn)行 清理。

4) 成槽過程中，施工便道長時間承受較大的振動荷載，若便道承載力不足，容易出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象，影響施工進(jìn)度及安全。因此，施工過程中，應(yīng)保證施工便道具有足夠的承載能力，及做好對便道的日常養(yǎng)護(hù)。

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Study on key construction techniques of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata

LU Wei

(Municipal Engineering Company, China Railway Tunnel Group, Hangzhou 310000, China)

Presently, the construction experience of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata is deficient. Based on the construction of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata of a subway station in Hangzhou, this paper studied the rapid construction technology of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata on condition that the construction cost is not increased. The quality and efficiency of the construction were improved by optimizing construction machinery selection. The wall protectionwasensured by improving mud mix. And the effect of eddies on the upper soft soil was reduced by modifying construction machinery. This paper formed a set of rapid construction technology by optimizing the traditional construction technology of diaphram wall in upper-soft lower-hard stratathrough the above research. It effectively ensured the construction progress and quality of diaphram wall, and also had referent meaning for similar projects.

subway engineering; upper-soft lower-hard strata; construction of diaphram wall;construction process optimization; rapid construction

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190705

U231

A

1672 - 7029(2020)01 - 0174 - 07

2019-04-07

盧偉(1980-)，男，四川眉山人，高級工程師，從事隧道與地下工程施工技術(shù)研究工作；E-mail：18911908@qq.com

(編輯 涂鵬)