黏土混角礫地層地下連續(xù)墻成槽施工關鍵技術

盧 瑛，應 煜，王 哲

（1．騰達建設集團股份有限公司，浙江杭州311215；2．浙江工業(yè)大學土木工程學院，浙江 杭州310023）

隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵建設將是21世紀城市地下空間開發(fā)的重點。迄今為止，我國大陸地區(qū)共有35個城市先后邁入地鐵時代，預計21世紀初至中葉將是我國地鐵建設蓬勃發(fā)展的時代。在地鐵建設過程中，其開挖對地連墻施工工藝要求也越來越高。在地質條件復雜的地層中，開挖地連墻會產生難以下挖、塌孔等嚴重問題，給地連墻施工帶來很大挑戰(zhàn)，所以針對一些復雜地質條件下的地連墻成槽，一些專家學者對地連墻的施工工藝進行了研究。

針對地層巖質堅硬、地下條件復雜給成槽開挖帶來很大困難，甚至開挖后發(fā)生基坑失穩(wěn)的問題，牛自強［1］以徐州地鐵6號線工程為背景，因工程周圍建筑物環(huán)境條件復雜，無法采用爆破開挖，進行了硬質巖石高效開挖及其對臨近建（構）筑物影響的研究，并總結形成了硬質巖石開挖法，成功應用于徐州東站深基坑開挖。羅反蘇等［2］在長沙某在建地鐵站地下連續(xù)墻成槽施工中遇到高黏度堅硬地層成槽困難的問題，研究采用了一種 “旋挖鉆＋成槽機＋雙輪銑＋沖擊鉆” 組合施工技術提高了施工工效，保證了成槽質量。李有道等［3］以廣州番禺廣場地鐵站項目為依托，針對雙輪銑在極硬巖地層條件下成槽進尺慢的現狀，采用重錘配合雙輪銑的組合施工方式成功地提升了施工效率。Hsieh PG等［4］為有效控制基坑墻體穩(wěn)定性，研究發(fā)現了支撐壁對壁撓度的抑制作用主要來自支撐壁表面與周圍土壤之間的摩擦阻力。柳建國等［5］對非飽和土體條件下的基坑穩(wěn)定進行研究，得出一套基坑錨固技術，有效解決了基坑支護問題。

針對復雜地層 “上軟下硬” 且含大量潛在高強度孤石給成槽開挖帶來困難的問題，張文新等［6］以蘇埃通道工程盾構始發(fā)井及后配套地下連續(xù)墻成槽施工為背景，通過優(yōu)化和改進形成了 “成槽機抓取軟土，沖錘往返沖擊破碎法破除孤石，旋挖鉆和成槽機鉆抓配合挖除強風化巖以及牙輪鉆鉆取斜面基巖等方法相組合的成槽施工工藝，有效解決了成槽困難的難題，提高了施工效率。楊武廠［7］通過對不同巖石強度情況下成槽設備和工藝的研究分析，得出當巖石強度達到100 MPa左右時，采用錘擊和銑槽機相結合的 “鑿銑法” 進行成槽是最優(yōu)的選擇方案。宗敦峰等［8］對60年間地下墻在施工機械、固壁泥漿、接頭處理以及復雜地質的鉆孔技術等方面關鍵性技術進行了總結，包括嚴重漏漿地層以及大塊巖石破碎地層的處理方法。

針對開挖深度大，地下條件復雜不利于成槽開挖且拖延施工進度的問題，劉洋［9］以韓國釜山海云臺旅游度假村項目為背景，對堅硬巖層地質條件下的超深地下連續(xù)墻施工進行了分析和研究，采用液壓雙輪銑槽機成槽技術，成功應用于該項目基坑開挖成槽。楊中州［10］在珠海市灣仔北站深基坑工程中采用沖抓結合（上部軟土成槽機施工，下部硬巖沖擊鉆施工）的方法解決超深地下連續(xù)墻入巖成槽問題。李洪勛等［11］以深圳前海綜合交通樞紐項目為背景，研究出了一種小型潛孔錘預先引孔，降低巖石整體強度，提高成槽施工效率，從而順利進行地連墻超深硬巖成槽。Zhou Jun等［12］對地連墻節(jié)點連接件的彎曲、剪切、防水等進行了分析，研究出了具有大剛度、高抗剪、整體穩(wěn)定功能的新型 “雙H” 節(jié)點，可以很好地適應超深地下連續(xù)墻節(jié)點的需要。Hsieh PG等［13］研究了不同基坑深度下，支壁與相鄰土間摩擦阻力對R形、T形支撐壁的撓度影響差異。

針對在 “上軟下硬” 黏土混角礫地層中夾有高強度大塊孤石的復雜條件下連續(xù)墻成槽施工困難的問題，在上述專家學者的基礎上，就如何在這種地層中達到快速高效的連續(xù)墻施工成槽效果，筆者以杭州某地鐵線某廣場站D／E基坑連續(xù)墻成槽施工為背景，總結出一種 “抓銑結合、旋挖機＋沖擊錘輔助開挖” 的組合施工技術，從而解決在該種地層中成槽施工困難的難題，有效保障地連墻施工質量。這對今后指導杭州類似地層中的地連墻成槽施工具有重要意義。

1 工程概況

杭州某地鐵線工程起于某長街的某廣場站，經上城、江干、濱江、蕭山、大江東新城，至大江東地區(qū)的江東某站。某廣場站是該地鐵線工程的第1個站，沿長街東西向敷設，車站范圍從某花鳥城至某池頭，車站長約646m，總建筑面積為40 581．4m2。車站周邊主要建筑物有住宅小區(qū)、大酒店、集團公司、廣場、長街及花鳥城等。

本廣場站基坑深度為23．15～25．55 m，地連墻插入比標準段約為 0．52～0．78，端頭井約為 0．60。車站為地下3層、雙柱混凝土框架結構。為符合周邊管線遷改及交通導流要求，車站由臨時封堵墻分為 A、B、C、D、E共五個基坑（圖 1），采用明挖順作法施工（B基坑范圍內局部蓋挖）。車站主體圍護結構采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻＋6道內支撐，地連墻插入比標準段約為0．52～0．78，采用C35水下混凝土澆筑，槽深34．84～40．22m，第1道和第4道支撐為混凝土支撐，其余4道支撐為鋼管支撐。本廣場站基坑項目總平面圖見圖1。

圖1 基坑總平面圖

2 工程地質

全線地層共分為7個工程地質層，18個工程地質亞層和1個工程地質夾層?；娱_挖范圍內土體為典型的 “上軟下硬” 土層，地質土層情況和土體物理力學指標見表1。其中，車站結構底板位于⑤－2黏土混角礫、⑥－1全風化炭質泥巖和⑥－2強風化炭質泥巖區(qū)，地連墻墻底要求進入⑥－3中風化炭質泥巖或⑤－3黏土混角礫，不同區(qū)域插入深度不同。擬建場地內普遍分布高強度孤石，尤其是在D／E基坑內黏土混角礫地層中大塊孤石分布最為廣泛，孤石巖質堅硬，最大抗壓強度可達150 MPa。D／E基坑范圍內局部地質剖面圖見圖2。擬建場地范圍內地下水類型主要為：潛水、基巖裂隙水和巖溶水，潛水主要賦存于淺（中）部填土層和粉（黏）性土中，基巖裂隙水主要賦存于下部基巖風化裂隙內，巖溶水賦存于灰?guī)r中。

3 地連墻成槽施工技術

3．1 施工工藝流程

地連墻成槽質量取決于施工所采用的施工工藝，本工程在吸取類似基坑工程地連墻成槽施工經驗的基礎上，結合本工程實際，采取了 “抓銑結合、旋挖機＋沖擊錘輔助開挖” 的施工工藝，其中 “軟土成槽、孤石破除和硬巖成槽” 是關鍵，施工工藝流程見圖3。

表1 土體物理力學指標

圖2 D／E基坑局部地質剖面

3．2 地連墻成槽施工方案

本廣場站D基坑內共計地連墻幅數為85幅，銑接頭地下墻為33幅，型鋼接頭地下墻為52幅；E基坑內共計地連墻幅數為28幅，均為型鋼接頭地下墻。施工過程中進行平行交叉施工，E基坑完成后型鋼接頭地連墻完成后，成槽機立即轉往D基坑。

圖3 施工工藝流程

本工程D／E基坑地連墻入巖深度達25～45 m，工字鋼接頭地下墻采用成槽機液壓抓斗施工。銑接頭地下墻一期槽段運用 “抓銑結合、旋挖機＋沖擊錘輔助開挖” 的施工工藝，即對大多軟土層用液壓抓斗直接抓取成槽；進入⑥－3中風化巖層后，抓斗取土效率降低，則改用液壓銑槽機銑削成槽，充分利用銑槽機機體長度較長、重量較重和旋轉式硬巖銑切機，實現對巖質堅硬部分進行銑切成槽，并通過自身配有的電子測斜儀器糾斜系統(tǒng)對槽壁進行垂直度的質量控制。銑接頭地下墻二期槽段采用銑槽機進行施工，在施工過程中銑槽機施工工效極低時采用旋挖機和沖擊錘引孔的方式配合銑槽機施工以提高施工效率，如施工速度仍然較慢可采取引孔的措施提高施工進度。

4 成槽施工難點與關鍵施工技術

4．1 施工難點

4．1．1 地連墻入巖情況復雜

本工程地連墻入巖深度在25～45 m，深度較大，中間黏土混角礫層所夾塊石強度高，塊石面起伏不定，厚度不一，此外，對施工速度和成槽效率要求極高，因此對工程進度產生較大難度。

4．1．2 黏土混角礫層夾高強度孤石

D／E基坑施工范圍內黏土混角礫層厚度大，礫石含量約為10%～60%不等，粒徑一般為20～100 mm，個別大于150 mm，棱角狀為主?；娱_挖范圍內局部夾雜高強度孤石，孤石埋深大，無法采取換填方式挖除，且成槽機無法直接抓取大體積孤石。孤石最大抗壓強度達150 MPa，傳統(tǒng)施工機械及方法難以開挖。同時施工現場附近存在大量商業(yè)區(qū)建筑與假山，無法采用爆破方式破碎孤石。

4．1．3 中風化巖層強度高

地連墻入中風化巖層達15～23 m，中風化巖層巖質堅硬，根據室內土工試驗，巖石飽和單軸抗壓強度平均值為67．98 MPa。巖層面起伏不定，容易偏孔、卡錘，成槽困難，施工周期長，容易造成槽孔上部塌方。

4．2 成槽關鍵施工技術及工效

4．2．1 特殊地層開挖成槽

對于黏性土層，采用液壓抓斗成槽（圖4），當遇到黏土混角礫地層、中風化泥巖層等復雜條件地層時，改用抓銑結合方式。當施工工效低時，采用旋挖機和沖擊錘引孔的方式（即 “前期沖錘、旋挖機引孔后修邊” ）配合銑槽機施工以提高施工效率。二期槽段完全采用銑槽機進行施工。

D／E基坑地連墻首先在D－S26孔按原設計采用抓槽機試成槽，現場因地質原因無法成槽，經補勘和改進后，成槽工藝變更為 “抓銑結合、旋挖機＋沖擊錘輔助開挖” 的方式。采用新成槽工藝后，成槽效果良好，未發(fā)生塌孔現象，4個月內累計完成42幅地連墻，占總量的14．5%，確保了成槽的高效。

沖錘和旋挖機鉆頭為圓形狀，旋挖機進行地連墻主孔施工，沖擊錘采用跳打施工的方式進行擴孔及副孔施工（圖5）。引孔后導墻兩側巖層未沖擊下去，需雙輪銑槽機分三抓進行2側重新銑槽修邊并刷壁。

圖4 液壓抓斗成槽

圖5 槽段引孔

在D－S30幅地連墻中，雙輪銑槽機三抓的銑槽效率依次為 0．99、0．72、0．33 m／h，第一抓銑槽深度最大達到14 m，后兩抓為12 m左右，總用時為26．6 h，降低施工效率。采用的沖錘直徑為1 000 m，在淺層土體中，沖錘引孔的施工效率可達到0．05～0．08 m／h，隨著巖層強度增大，沖孔深度加深，地下巖層面情況變復雜，施工效率降低，沖孔效果越不明顯。在D－S28幅地連墻槽段中，沖孔深度達到6．3 m時，沖錘施工效率僅為0．01m／h，極大地降低了施工效率。采用的旋挖機鉆頭直徑為800 mm，在D－S26幅地連墻槽段中其施工效率為10 m／h，垂直度達到x＝0．2%，y＝0．3%，達到理想的鉆孔效果。

進入中風化泥巖地層時，容易發(fā)生雙輪銑糊死銑輪，尤其在半側巖層、半側泥巖的情況下，必須提輪進行清理。平均每進尺0．5～1 m需清理銑輪一次，但施工進度會滯后。

4．2．2 地連墻槽段接頭處理

根據地勘報告，可知DN19～DS19以東塊石較多且不均勻分布，由于塊石強度高、厚度厚。先采用沖擊鉆配合抓槽機成槽的方法，成槽施工的效率極低無法保證工期，且產生了較大噪音，嚴重影響周邊居民生活工作。本工程套銑接頭搭接150 mm，對垂直度偏差控制要求較高，在該復雜地質條件下，難以保證如此精度的垂直度，因而采用型鋼接頭，只需接頭處超挖1 m，做好刷壁質量和防擾流措施即可保證接縫質量。此外，銑槽機成槽速度約0．3～1 m／h，相對于型鋼接頭，采用套銑接頭將大大增加銑槽成槽的成槽比例，施工效率較低，難以保證工程整體進度和節(jié)點工期。

通過改進，對DN19～DS19以東范圍地連墻改為抓銑結合工藝成槽和型鋼接頭工藝。

4．2．3 孤石破除

對于地下墻成槽過程中遇到的高強度孤石。孤石體積較?。ㄐ∮诘叵聣χ睆剑┑模捎贸刹蹤C直接抓??；孤石體積較大的，調用銑槽幅引孔用的旋挖機或者沖擊錘樁機引孔破碎，然后成槽機直接抓取。如果進度較慢，則對孤石引孔破碎后，直接采用銑槽機銑槽。

在銑槽過程中會發(fā)生夾層孤石移動的現象，使銑槽機不能發(fā)揮功效。此時，調用沖錘等施工器械對孤石進行引孔處理，輔助銑槽機破除孤石以便成槽順利進行。但不同機械輪換施工浪費了大量時間。

由于工程所處地層中孤石存在十分廣泛，為滿足工程總體施工需要，除了采取上述措施外，現場還通過優(yōu)化施工組織，增加多臺成槽機械，采用多開工作面，多處開花，各種機械流水作業(yè)，交叉交替施工，以提高施工效率。

4．2．4 地下墻入巖

本工程圍護結構地下墻要求入巖深度為25～45 m，結合地質情況，入巖擬采用1臺寶峨BC40型液壓銑槽機和1臺徐工XTC80／85銑槽機進行該部分施工，可確保入巖深度。

雙輪銑切削成槽排渣操作（圖6）為：雙輪銑槽機采用藏在切割輪內的切齒切削巖石，并使之與膨潤土懸浮液相混合，利用切齒可以將巖石渣土切割成70～80 mm或更小的碎塊，利用緊挨切割輪的泥漿泵將碎塊懸浮液一同抽吸出開挖槽段。

4．2．5 泥漿制備

在地連墻施工過程中，泥漿對成槽質量發(fā)揮著關鍵作用：其一是支撐護壁；其二是懸浮泥砂，減小沉渣；其三是防止地下水向槽坑內滲透。泥漿質量存在問題對地連墻質量的影響機理見圖7。

圖6 雙輪銑切削成槽排渣

圖7 泥漿質量對地連墻質量的影響

泥漿制備所采用的配合比為膨潤土∶純堿∶CMC∶自來水 ＝116∶4．5∶1∶950 kg（每 1 m3泥漿投料用量），將新鮮泥漿相對密度控制在1．05～1．10，黏度22～30 s，加強護壁性能，實際護壁應用效果明顯提高。

5 結 語

通過在黏土混角礫地質條件下連續(xù)墻成槽的施工技術應用，主要結論和體會如下：

1）某廣場地鐵站地質為 “上軟下硬” ，其中D／E基坑主要位于黏土混角礫層，除了要面對下部中風化巖層強度高的問題外，還要處理區(qū)段內黏土混角礫層中夾帶的孤石問題。對上部軟土地層，采用液壓抓斗抓取成槽，對巖層部分，采用旋挖鉆、沖擊錘、雙輪銑等設備配合施工。根據不同地質，選擇相應的設備組合解決了普通成槽機無法克服的黏土混角礫地層以及場內存在孤石的問題，縮短了施工工期，大大提高了成槽效率與質量。

2）對于D／E基坑內土層夾帶的大塊孤石，采用旋挖鉆機對孤石進行引孔施工，使其整體性變差，受力軟弱面大幅增加，再通過沖擊錘往返沖擊破碎，之后用銑槽機銑槽或液壓抓斗抓取成槽。這既解決了孤石沖擊的松動問題，又提高了孤石沖擊破碎的效果。

3）槽段接頭在地連墻施工過程中也具有重要作用，合理地選用槽段接頭不僅可以保證地連墻的質量，而且也可以優(yōu)化施工進度安排，縮短工期。

4）泥漿對槽壁既有著支撐作用，防止槽壁倒塌，又有攜渣利于外排的作用，因此要定期檢測泥漿質量，并盡可能減小含砂量，以確保其性能穩(wěn)定，避免沉渣厚度過大。