復(fù)雜地質(zhì)條件下緊鄰城軌隧道超深地下連續(xù)墻施工技術(shù)研究*

劉曉敏，王歲軍，馮 偉，宋子文

(中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451)

1 工程概況

項目位于珠海橫琴新區(qū)金融島，基坑占地面積約為8 335m2，基坑周長約378m，最大開挖深度26.7m，采用地下連續(xù)墻+4道鋼筋混凝土支撐梁的支護(hù)形式，地下連續(xù)墻厚1.2m，采用工字鋼接頭方式，主體結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖順作法施工，支護(hù)布置形式如圖1所示?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，除周邊管線眾多和緊鄰市政道路外，南側(cè)廣珠城軌盾構(gòu)區(qū)間隧道距離項目地下連續(xù)墻約10m左右，隧道內(nèi)徑8.5m，壁厚400mm，位置關(guān)系如圖2所示。為保證基坑開挖及降水施工時城軌隧道運(yùn)行安全，止水帷幕需穿過透水砂層進(jìn)入不透水風(fēng)化巖≥1.5m，地下連續(xù)墻采用鋼筋混凝土墻有效段+素混凝土墻段兩部分，地下連續(xù)墻成槽總深度達(dá)62m。

圖1 基坑支護(hù)形式

圖2 支護(hù)剖面及與區(qū)間隧道位置關(guān)系

基坑影響范圍地層主要為：人工填土層、海陸交互相沉積層和花崗巖殘積層。其中，淤泥質(zhì)土和淤泥厚度達(dá)35m，呈流～軟塑飽和狀，具有承載力極低、含水量高、孔隙比大、透水性差、強(qiáng)度低、壓縮性高、高靈敏度等特殊性能。地下水位高，埋深1.5m左右，同時地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)存在砂層，位于淤泥質(zhì)土和黏土層之間，有相對隔水層，賦存承壓水，具承壓性。

2 地下連續(xù)墻位置處拋石層處理

2.1 處理方案選擇

圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時，發(fā)現(xiàn)緊鄰城軌的南側(cè)場地地面以下2m內(nèi)土壤夾雜著小石塊，下面是緊密結(jié)合的大石塊層，對拋石層范圍和深度采取了補(bǔ)充勘察工作，根據(jù)勘察結(jié)果，石層基本位于2～5m深度，個別石塊掉至6m深度以下。針對石層厚度大、深度較深，先后嘗試了采用旋挖鉆配合長套筒鉆頭和分層探坑翻挖等方法，由于部分石塊直徑較大且淤泥質(zhì)土很軟，旋挖樁掏挖方法效率很低，同時翻挖位置距離既有城軌隧道距離很近，若采用大面積翻挖，會擾動隧道，需要對翻挖方案進(jìn)行專項設(shè)計，同時保證翻挖對隧道的影響控制在允許范圍內(nèi)。

2.2 翻挖方案設(shè)計

石層翻挖采取分2層、小放坡開挖溝槽，上層開挖2～3m，下層開挖3～4m，邊挖邊回填的方式。場地整平后，根據(jù)補(bǔ)勘報告，使用全站儀和鋼卷尺放出影響地下連續(xù)墻施工的范圍，拉通線，撒白灰線。采用1輛挖掘機(jī)在前面后退著進(jìn)行小放坡土方開挖，開挖到石塊層下面的淤泥層后，停止開挖，后一輛挖掘機(jī)立刻將場地里不摻雜石塊的凈土回填到坑中，并用挖斗壓實，確保土坑不會大面積塌方。開挖方式如圖3所示。

圖3 拋石層翻挖布置

2.3 翻挖對盾構(gòu)隧道的影響分析

國內(nèi)外研究表明軟土開挖卸載對臨近隧道影響不能忽略，主要控制點(diǎn)包括隧道結(jié)構(gòu)允許的變形值和內(nèi)力變化值等。本文采用大型巖土有限元軟件Madis GTS，采用能夠相對準(zhǔn)確模擬開挖卸載的小應(yīng)變硬化土體本構(gòu)模型，對翻挖方案進(jìn)行校核驗證。

計算結(jié)果如圖4所示，按翻挖方案，引起管片周邊土體最大變形為10.51mm，小于基坑設(shè)計時由于基坑開挖引起的允許變形值；盾構(gòu)管片及周邊土體應(yīng)力處于基本對稱狀態(tài)，說明翻挖引起管片及周邊土體的應(yīng)力變化很小。同時翻挖結(jié)束，挖坑全部回填后，隧道變形及應(yīng)力基本恢復(fù)，說明翻挖對盾構(gòu)隧道影響較小，滿足隧道保護(hù)要求。根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，整個翻挖過程隧道變形指標(biāo)均處于允許范圍之內(nèi)。

圖4 翻挖引起的隧道及周邊土體變形與應(yīng)力

3 超厚超深地下連續(xù)墻成槽技術(shù)

主要從成槽設(shè)備選型、場地加固、槽壁加固、護(hù)壁泥漿配合比等方面對復(fù)雜地質(zhì)條件下的超厚超深地下連續(xù)墻成槽技術(shù)進(jìn)行研究，同時對槽壁穩(wěn)定和橫向變形進(jìn)行驗算。

3.1 成槽設(shè)備選擇

地下連續(xù)墻成槽深度62m，成槽寬度1.2m，同時，因止水要求槽底需進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖≥1.5m，且?guī)r面不平整，部分區(qū)域需要入巖深度較大，風(fēng)化巖標(biāo)貫值均>50，都對成槽設(shè)備提出較高要求。經(jīng)過設(shè)備功能比選，選用寶峨GB60液壓抓斗可滿足施工要求，設(shè)備主要參數(shù)如表1所示，經(jīng)工程實踐效果良好。

表1 寶峨GB60設(shè)備主要參數(shù)

3.2 場地加固和槽壁加固

成槽機(jī)主機(jī)、履帶式起重機(jī)(包括吊重)質(zhì)量較大，且在成槽機(jī)工作過程中可能會產(chǎn)生振動，二者均要求地面必須具有較好的地基承載力和平整性。根據(jù)場地地基土及機(jī)械設(shè)備荷載情況，場地經(jīng)平整后采用30cm厚C30混凝土硬化，配置雙層雙向間距250mm、直徑16mm的鋼筋。同時根據(jù)成槽順序及成槽機(jī)占位情況和鋼筋籠吊裝行走線路，確定場地內(nèi)硬化范圍為地下連續(xù)墻導(dǎo)墻邊緣外擴(kuò)15m。

臨近城軌地下連續(xù)墻兩側(cè)采用套接一孔的三軸攪拌樁加固槽壁，加固深度與有效連續(xù)墻等深，并穿過淤泥質(zhì)土層≥1.5m，攪拌樁長度達(dá)43.2m，屬于超深攪拌樁，采用ZLD180動力頭結(jié)合JB160A樁架，單機(jī)總用電量達(dá)450kW。采用42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比20%，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況確定水灰比為1.0。采用兩噴兩攪的施工工藝，攪拌下沉速度控制在0.6m/min左右，提升速度宜控制在1m/min內(nèi)；噴漿壓力≤0.8MPa，水泥漿注漿流量為120L/min。

3.3 成槽控制

采用“順開式” 施工槽段，單側(cè)工字鋼的鋼筋籠吊裝難度大，同時，加固工字鋼的措施筋用量很大，選擇采用“跳開式”開閉成槽順序，成槽時采用“三抓”開挖，先挖兩端最后挖中間，使抓斗兩側(cè)受力均勻。轉(zhuǎn)角處部分槽段因一斗無法完全挖盡時或一斗能挖盡但無法保證抓斗兩側(cè)受力均勻時，在抓斗的一側(cè)下放特制鋼支架來平衡另一側(cè)阻力，防止抓斗因受力不勻?qū)е虏郾谧笥覂A斜。為保證挖土位置準(zhǔn)確，抓斗中心應(yīng)每次對準(zhǔn)放在導(dǎo)墻上的槽位標(biāo)志物，抓斗出入導(dǎo)墻口時要輕放慢提，防止泥漿形成渦旋，影響導(dǎo)墻下土體的穩(wěn)定性。

對于地下連續(xù)墻垂直度控制采用雙向控制的施工方法，一方面利用液壓抓斗的垂直度顯示儀和自動糾偏裝置來控制成槽過程中的槽壁垂直度，另一方面采用全站儀進(jìn)行垂直度控制。成槽施工前，液壓抓斗按槽幅位置及成槽順序垂直于導(dǎo)墻外側(cè)進(jìn)行就位。就位時采用全站儀進(jìn)行縱橫雙向控制液壓抓斗的位置，并進(jìn)行垂直度的糾正。成槽施工過程中用全站儀進(jìn)行垂直度跟蹤觀測，做到隨挖隨測隨糾偏，確保垂直度控制在3‰。

3.4 泥漿護(hù)壁技術(shù)

泥漿是決定槽壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵，要選用有優(yōu)質(zhì)天然鈉基的膨潤土，加入純堿、高純度的CMC、重晶石細(xì)粉和自來水等拌合而成，充分靜置24h，視情況摻入水量1%～2%的紙漿、干鋸末、石棉等纖維物質(zhì)，各階段泥漿性能需滿足表2中的指標(biāo)要求。

表2 泥漿性能指標(biāo)

挖槽時需要驗算槽壁穩(wěn)定性。經(jīng)驗算，槽段壁面在42m深處開槽抗坍塌安全系數(shù)K=1.13>1，橫向變形為Δ=0.024 6m<0.04m，滿足要求。

4 鋼筋籠吊裝

地下連續(xù)墻止水采用全長工字鋼接頭，止水工字鋼配置到槽底，鋼筋籠采用分段起吊入槽，下部素混凝土段單獨(dú)起吊，上部有效連續(xù)墻段整體起吊，在槽口搭接完成后再整體下放。為保證鋼筋籠起吊時的剛度和強(qiáng)度，對鋼筋籠整體及吊點(diǎn)位置進(jìn)行加強(qiáng)。

4.1 履帶式起重機(jī)設(shè)備選型

出土口位置超載較大，此處地下連續(xù)墻配筋相應(yīng)最大，最重地下連續(xù)墻鋼筋籠長度最長41m，最大單幅地下連續(xù)墻鋼筋籠重70t，加上吊鉤、鋼絲繩索具等總吊重約75t。

1)主起重機(jī)選用 根據(jù)主起重機(jī)臂架仰角、鋼筋籠的尺寸和質(zhì)量、起吊高度及現(xiàn)場鋼筋籠加工場地布置，考慮鋼筋籠吊起后不碰撞主起重機(jī)臂架，確定起重機(jī)臂長及噸位。由于場地地質(zhì)條件差、成槽深度大，主起重機(jī)選用時還應(yīng)考慮有效段地下連續(xù)墻段與素混凝土段鋼筋籠連接成整體后，若遇特殊情況，能夠?qū)⒄w鋼筋籠提出槽口。根據(jù)各項指標(biāo)選定QUY400t履帶式起重機(jī)作為主起重機(jī)，選配78m主臂，幅度12m時額定起重量為114t。按照規(guī)范，大型起重機(jī)械的安全起重系數(shù)為0.8，114t×0.8=91.2t>75.00t，滿足起吊要求。當(dāng)起重機(jī)吊裝行走時，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)起重機(jī)如需帶載行走時，載荷不得超過允許起重量的0.7倍，即114×0.7=79.8t>75.0t，滿足起吊行走要求。

2)副起重機(jī)選用 根據(jù)雙機(jī)抬吊時極限工況，計算副起重機(jī)的垂直高度為31.5m、副起重機(jī)極限狀況時起最大荷載為39.2t，取1.6倍安全系數(shù)，副起重機(jī)荷載值為62.4t。QUY260履帶式起重機(jī)作為副起重機(jī)，選配44m主臂，幅度為 12m，額定起重量為 85.9t>62.4t，滿足施工要求。

4.2 鋼筋籠吊點(diǎn)布設(shè)及吊裝加固

一字形鋼筋籠吊點(diǎn)布置要保證鋼筋籠縱橫向受力彎矩均衡，正副彎矩值相近，根據(jù)實際吊裝經(jīng)驗及鋼筋籠措施筋和預(yù)埋件分布特點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，具體布置如圖5所示，共布置24個吊點(diǎn)，橫向每排布置4個吊點(diǎn)，與豎向桁架位置一致?？v向吊點(diǎn)布置，籠頂懸壁1m，尾部懸壁2m，主副起重機(jī)點(diǎn)間距8m，主起重機(jī)兩點(diǎn)間距8m，副起重機(jī)間距均為8m，經(jīng)對鋼筋籠撓度驗算，跨中變形滿足要求，并由實際驗證效果良好。

圖5 鋼筋籠吊點(diǎn)位置

L形鋼筋籠吊點(diǎn)的縱向布置與一字形的一致。因結(jié)構(gòu)的特殊性，起吊時鋼筋籠繞角點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度后以V字形式向上起吊。結(jié)合起吊過程及力學(xué)平衡、彎矩最小原則，在吊點(diǎn)計算時應(yīng)首先求出鋼筋籠重心位置，再求出形心主軸方向，使其在起吊過程中的扭轉(zhuǎn)角度與主慣性軸和原坐標(biāo)軸之間的夾角相等。主慣性軸橫坐標(biāo)與鋼筋籠兩側(cè)的交點(diǎn)即為吊點(diǎn)位置。以兩邊長度為3.2m和2.0m的槽段為例，按照下式計算重心坐標(biāo)G(x0，y0)，并給出各吊點(diǎn)坐標(biāo)。

(1)

(2)

有效段鋼筋籠采用整幅制作，整幅起吊入槽，為保證鋼筋籠起吊時的剛度和強(qiáng)度，需對鋼筋籠整體及吊點(diǎn)位置進(jìn)行加強(qiáng)?？v向桁架設(shè)置4道，采用φ22鋼筋；橫向桁架每3m設(shè)置1道，采用φ28鋼筋。同時設(shè)置橫向桁架加強(qiáng)筋等措施進(jìn)行骨架筋加固。

為保證鋼筋籠安全起吊，鋼筋籠施工時需對吊點(diǎn)進(jìn)行局部加強(qiáng)。吊筋采用φ32鋼筋，對設(shè)置在鋼筋籠內(nèi)的吊點(diǎn)均需設(shè)置U字形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋采用φ32鋼筋；對于鋼筋籠頂2處主起重機(jī)吊點(diǎn)及擔(dān)杠點(diǎn)均采用“U”形φ32鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，吊點(diǎn)上弧與主筋或加強(qiáng)筋禁止施焊，兩下腳雙面焊加強(qiáng)，焊縫長度≥10d，焊縫高度≥0.5d；并對所有吊點(diǎn)上部的1根水平筋進(jìn)行加粗，采用φ28鋼筋。

4.3 素混凝土段止水工字鋼加固

為保證地下連續(xù)墻混凝土澆筑前，工字鋼外側(cè)防繞流用石子回填完成后，工字鋼在內(nèi)外側(cè)壓力差作用下保持有限變形，同時考慮吊裝施工要求，需要對素混凝土段止水工字鋼加固，兩側(cè)素混凝土段鋼筋籠縱向桁架設(shè)置3道，縱向桁架采用φ22鋼筋，橫向桁架同有效連續(xù)墻段一樣每3m設(shè)置1道，每m設(shè)置1根水平分布筋，橫向桁架筋和水平分布筋采用φ28鋼筋。

為驗證素混凝土段工字鋼加固效果，采用SAP2000有限元軟件建立整體單元模型，加固鋼筋按梁單元，工字鋼按殼單元模擬，按外側(cè)回填石子計算工字鋼兩側(cè)壓力差施加荷載，如圖6a所示。加固鋼筋屈服模態(tài)如圖6b所示，沒有出現(xiàn)整體失穩(wěn)。圖6c為變形，最大位移在工字鋼底部腹板處，為44mm，加固效果良好，滿足工程要求。

圖6 止水工字鋼加固驗證

5 結(jié)語

通過實際施工情況來看，采用一臺挖機(jī)小范圍翻挖，另一臺及時回填，能夠滿足緊鄰隧道的保護(hù)要求；選擇合適的成槽設(shè)備、對場地及槽壁進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸烫幚?、控制好成槽和泥漿護(hù)壁工藝，可以很好地完成深厚淤泥質(zhì)土的超深地下連續(xù)墻成槽施工；同時，做好鋼筋籠吊裝設(shè)備的選型，設(shè)計好鋼筋籠吊點(diǎn)布設(shè)，并對吊點(diǎn)和素混凝土段止水工字鋼進(jìn)行加固，圓滿完成了超重鋼筋籠吊裝施工。