富水砂層超深地下連續(xù)墻工字鋼接頭止水適用方法比選

劉 偉 趙亞軍 趙保森 呂 朋 韓志強(qiáng)

中建一局集團(tuán)第五建筑有限公司 北京 100024

地下連續(xù)墻作為深大基坑工程的擋土結(jié)構(gòu)，以其剛度大、變形小、整體性好、抗?jié)B性能良好等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于地鐵基坑工程。在地下連續(xù)墻兩幅之間連接形式上，較多采用止水質(zhì)量易于控制的工字鋼接頭，但施工地下連續(xù)墻接頭時(shí)，也常出現(xiàn)因地下連續(xù)墻澆筑時(shí)繞流使工字鋼內(nèi)夾雜混凝土、泥砂等雜物，增加接頭滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。在本工程高水頭、砂層地質(zhì)情況下，基坑開挖導(dǎo)致內(nèi)外水位壓力差增加，加之地下連續(xù)墻接縫形成的涌水通道，基坑開挖時(shí)易發(fā)生涌水涌砂的險(xiǎn)情。

正是由于上述原因，本文基于高水頭、富水砂層，對(duì)超深地下連續(xù)墻工字鋼接頭止水控制開展關(guān)鍵技術(shù)研究，通過2種防繞流施工方法對(duì)比，選擇可保證接頭止水質(zhì)量的方法[1]，為今后地下連續(xù)墻工字鋼接頭止水質(zhì)量控制提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 項(xiàng)目概況

福州地鐵4號(hào)線鰲峰洲站，為地下3層島式車站，車站全長(zhǎng)145 m，基坑面積3 409.22 m2?；油谏?5 m，基底地層位于③1粉質(zhì)黏土層；車站距閩江450 m，距光明港二支河15 m，施工場(chǎng)地的地下水動(dòng)態(tài)變化，與閩江水系聯(lián)系緊密。場(chǎng)地承壓水穩(wěn)定水位埋深1.75～4.32 m，標(biāo)高為2.30～4.30 m。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻，深度64 m，地下連續(xù)墻接頭采用工字鋼連接形式。本基坑采用明挖法開挖，基坑內(nèi)共設(shè)置6道內(nèi)支撐。

1.2 地下連續(xù)墻工字鋼接頭概況

工字鋼接頭采用厚10 mm鋼板工廠加工焊接成12 m一節(jié)的半成品運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。工字鋼接頭高880 mm，翼板寬350 mm，翼板一側(cè)偏出150 mm，一側(cè)偏出200 mm（圖1）。

圖1 地下連續(xù)墻工字鋼接頭斷面

因槽壁與鋼筋籠間保護(hù)層的間距有70 mm，混凝土澆筑時(shí)，大坍落度的混凝土向兩側(cè)流動(dòng)至鋼筋籠工字鋼背面，使背側(cè)的混凝土很難清除，從而在薄弱面形成滲漏水通道，基坑開挖時(shí)在內(nèi)外水壓差的作用下，出現(xiàn)接縫滲漏水。

2 施工前安全評(píng)估

2.1 混凝土繞流檢測(cè)

首開幅澆筑完成，相鄰幅成槽、刷壁后，采用超聲波檢測(cè)儀，對(duì)工字鋼接頭夾泥或繞流混凝土進(jìn)行檢測(cè)。

在水平距離工字鋼接頭800 mm處，固定檢測(cè)儀，將方形傳感器按一定速度下放入槽，通過超聲波反射信號(hào)的強(qiáng)弱生成的圖像分析成槽質(zhì)量（圖2），深色代表密實(shí)的介質(zhì)，淺色代表懸浮物質(zhì)。在圖像中深色介質(zhì)突起與淺黃色存在重疊，此處為混凝土繞流塊體，或表現(xiàn)為突出體由深色逐漸向淺色過渡也是這種情況[2]。

圖2 工字鋼附著雜物示意

超聲波檢測(cè)工字鋼的另一個(gè)目的是得到該側(cè)工字鋼傾斜的趨勢(shì)和傾斜的最大值，然后再檢測(cè)槽段另一端開挖面一側(cè)垂直度，兩者的凈尺寸需大于鋼筋籠長(zhǎng)度以滿足鋼筋籠入槽的要求，施工中預(yù)超挖出400 mm移動(dòng)量，吊車提升鋼筋籠入槽過程中通過水平尺找平工字鋼，擺動(dòng)大臂來微調(diào)鋼筋籠位置。

2.2 隔水帷幕內(nèi)外水頭差

以隔水帷幕隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，基坑內(nèi)降低承壓含水層，承壓水位下降，承壓水位為地表下3 m至基坑底，所產(chǎn)生的內(nèi)外水頭差見表1。

表1 隔水帷幕內(nèi)外水頭差

2.3 鎖口管起拔驗(yàn)算

鎖口管直徑980 mm，總長(zhǎng)43 m，槽內(nèi)41 m，外露2 m，鎖口管質(zhì)量約為0.9 t/m，使用800 t引拔機(jī)起拔。

在槽底混凝土澆筑2 h后開始松動(dòng)鎖口管，向上起拔，鎖口管起拔阻力主要為2個(gè)分力，即鎖口管自重G、土體與鎖口管之間的摩阻力S，因起拔鎖口管時(shí)，混凝土未初凝，所以未考慮混凝土與鎖口管之間的黏結(jié)力C與摩阻力f，鎖口管頂拔受力見圖3。

圖3 鎖口管頂拔受力分解示意

鎖口管外壁與土體間的摩阻力，按鎖口管周圈與土體接觸面阻力計(jì)算，各土體摩阻力取值見表2。

表2 土體與鎖口管外壁間的單位面積摩阻力

經(jīng)計(jì)算，鎖口管與土體間的摩阻力S為4 028.84 kN，鎖口管自重計(jì)算G為387 kN，鎖口管外壁摩阻力總和為4 415.84 kN，小于引拔機(jī)的頂拔力8 000 kN，故引拔機(jī)能將鎖口管拔出。

3 工字鋼接頭止水適用方法

3.1 接頭砂袋填充防繞流

1）接頭砂袋填充工序：首開幅澆筑完成→連接幅槽段成槽→槽底及接頭清渣→槽壁超聲波檢測(cè)→鋼筋籠入槽→工字鋼背側(cè)填充砂袋→槽段二次清孔→澆筑混凝土。

2）連接幅開挖6 m寬槽段，水平超挖出槽段400 mm作為調(diào)整鋼筋籠擺放位置和填充砂袋的空間，砂袋填充防繞流與澆筑導(dǎo)管安裝同時(shí)進(jìn)行，砂袋填充采用挖機(jī)和人工配合推入槽內(nèi)，人工測(cè)繩測(cè)量孔深，每3 m錘擊密實(shí)一次，方錘尺寸為0.45 m×0.20 m×2.00 m，由履帶吊提升從地面向下自由落下，將砂袋夯實(shí)，循環(huán)反復(fù)以上工序（圖4）。工字鋼背側(cè)填筑砂袋需6～8 h，其間將槽頂泥漿通過澆筑導(dǎo)管向槽底輸送，槽底泥漿上浮攜渣，泥漿泵抽排至泥漿凈化裝置除砂后，再返回槽段，其間泥漿液位下降，向槽段補(bǔ)充新漿，直至砂袋填筑完成，槽底深度滿足設(shè)計(jì)要求，然后澆筑混凝土至設(shè)計(jì)頂標(biāo)高。反壓→槽段二次清孔→澆筑混凝土。

圖4 連接幅槽段開挖示意

2）鎖口管直徑980 mm，壁厚40 mm，管節(jié)長(zhǎng)10 m，重9 t；工字鋼寬880 mm，將鎖口管垂直卡入工字鋼凹槽內(nèi)并在底部嵌入砂袋1 m深度，在成槽時(shí)再超挖出鎖口管一側(cè)270 mm，反壓碎石，固定鎖口管；為減少混凝土繞流，在工字鋼翼板兩側(cè)固定0.6 m寬、0.3 mm厚鍍鋅鐵皮（圖7）。

圖7 鎖口管防繞流平面

3）砂袋填充防繞流缺陷與不足。從基坑開挖裸露墻面外觀看，第1道至第2道支撐間7.15 m高范圍墻面基本無滲漏，質(zhì)量缺陷主要為表層8 m深度內(nèi)的垃圾土、軟弱砂層坍塌產(chǎn)生的墻面鼓包嚴(yán)重，墻體外觀質(zhì)量差（圖5）。從第2道支撐以下至基底17.85 m深，質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)為墻體接縫夾雜砂袋、泥土，清除砂袋等黏結(jié)物的凹陷形成水流通道，接縫滲漏水明顯，可見明水外流（圖6）；經(jīng)統(tǒng)計(jì)，車站63幅地下連續(xù)墻接縫共有滲漏28處，占總幅數(shù)44%。

圖5 第2道支撐以上墻體外觀質(zhì)量

圖6 工字鋼接頭凹陷及滲漏水

4）施工工效。超深地下連續(xù)墻成槽需用時(shí)39～42 h，鋼筋籠吊裝3～4 h，接頭填充砂袋6～8 h，澆筑混凝土用時(shí)約8 h。從地下連續(xù)墻成槽開始至澆筑完成，平均用時(shí)為4 d/幅。

3.2 接頭鎖口管防繞流

1）接頭鎖口管填充施工工序：首開幅澆筑完成→連接幅成槽→槽底及接頭清渣→槽壁超聲波檢測(cè)→鋼筋籠入槽→槽底砂袋回填→安放鎖口管→鎖口管背面碎石

3）采用鎖口管與砂袋配合填充的方法，其中43 m長(zhǎng)鎖口管，進(jìn)入地下連續(xù)墻有效長(zhǎng)度41 m，管底為圓錐形，嵌入砂袋1 m，鎖口管以下24 m填充砂袋，鎖口管露出導(dǎo)墻面2 m。

4）槽段開挖。連接幅成槽，第1抓開挖原土一側(cè)并超挖出鎖口管直徑980 mm和270 mm填充碎石的空間。然后第2抓開挖工字鋼翼板一側(cè)，因工字鋼寬880 mm，小于成槽機(jī)抓斗1 m厚度，所以工字鋼內(nèi)側(cè)待成槽完成后，采用鏟壁器緊貼工字鋼，將雜物削落槽底，最后采用刷壁器清刷工字鋼腹板（圖8）。

圖8 連接幅開挖

5）槽底砂袋回填。成槽完成并將鋼筋籠吊裝入槽后，進(jìn)行槽底砂袋回填，砂袋回填寬度1 250 mm，高度約24 m至鎖口管底標(biāo)高。底部3 m人工均勻回填砂袋，3 m以上采用鏟車將砂袋一次推入槽內(nèi)，每回填10 m高，鎖口管壓實(shí)一次。

6）安放鎖口管及碎石反壓。采用履帶吊提升43 m長(zhǎng)鎖口管下放槽段，鎖口管伸出導(dǎo)墻頂面2 m，將引拔機(jī)穿入鎖口管，擺放于導(dǎo)墻頂面，引拔機(jī)均布有4個(gè)千斤頂，總頂拔力8 000 kN，一次提升行程1 000 mm，引拔機(jī)抱住鎖口管循環(huán)靜壓至槽底設(shè)計(jì)標(biāo)高，自卸車裝載碎石回填鎖口管背面270 mm空隙。

7）混凝土澆筑與鎖口管起拔[3]。鎖口管與澆筑導(dǎo)管安裝完成，槽深滿足設(shè)計(jì)要求，開始澆筑混凝土，在澆筑底部混凝土1～2 h后，啟動(dòng)引拔機(jī)，提升100～200 mm，松動(dòng)鎖口管，之后每10～20 min提升一次，再?gòu)?fù)位鎖口管，反復(fù)以上工序，至澆筑至地下連續(xù)墻頂標(biāo)高4 h后，分節(jié)提升鎖口管，履帶吊配合拆卸節(jié)管，放至導(dǎo)墻旁空地上，場(chǎng)地需4 m×10 m空間放置管節(jié)。

8）實(shí)施效果。工字鋼接頭鎖口管防繞流技術(shù)，可有效阻擋水泥漿或混凝土進(jìn)入工字鋼背側(cè)，起到良好的隔斷作用；基坑開挖后，地下連續(xù)墻滲漏水點(diǎn)主要集中在異形幅拐角處，局部幾幅地下連續(xù)墻滲漏點(diǎn)出現(xiàn)在站臺(tái)層，表現(xiàn)為工字鋼接頭濕澤，表明鎖口管防繞流技術(shù)達(dá)到了工字鋼止水的目的。

9）施工工效。鎖口管防繞流技術(shù)，槽底回填砂袋約2 h，安放鎖口管需40 min，可在鋼筋籠下放4 h左右澆筑混凝土，減少了槽段暴露的時(shí)間，有利于保證澆筑混凝土質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

1）砂袋填充工字鋼是目前普遍采用的防繞流方法，此方法施工簡(jiǎn)單，操作方便，但砂袋填充的工字鋼接頭質(zhì)量缺陷主要在于整體填充砂袋后會(huì)造成鋼筋籠傾斜，且回填砂袋壓實(shí)過程向兩側(cè)外擠，使接頭混凝土間夾雜砂袋的問題尤為突出，基坑開挖后接縫滲漏水點(diǎn)多且成滲流狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)采取基坑內(nèi)聚氨酯止水堵漏，坑外補(bǔ)注水泥-水玻璃雙液漿方式加強(qiáng)止水。

2）工字鋼鎖口管防繞流技術(shù)，較適用于上部黏土為主地層，成槽時(shí)不易造成坍孔，后期槽段澆筑混凝土，坍孔處混凝土繞流至鎖口管周圍，結(jié)硬將鎖口管抱住，造成起拔困難。

3）對(duì)于高水位、上部軟弱砂層的地基，則需要對(duì)表層的雜填土采用單管旋噴樁固化處理，以提供足夠的導(dǎo)墻地基承載力。鎖口管安放時(shí)必須緊貼工字鋼下放，鎖口管后背填實(shí)，防止大的混凝土繞流情況發(fā)生；對(duì)于上部軟弱砂層，在澆筑混凝土過程中，必須嚴(yán)格按起拔時(shí)間規(guī)定對(duì)鎖口管進(jìn)行松動(dòng)，防止混凝土黏結(jié)鎖口管，造成后期埋管事故。

4）鎖口管防繞流技術(shù)在任何土層均可采用，既能有效控制工字鋼止水質(zhì)量，又節(jié)約了澆筑混凝土前準(zhǔn)備時(shí)間，但鎖口管與引拔機(jī)進(jìn)場(chǎng)后需有一定的放置場(chǎng)地，尺寸約為8 m×10 m，對(duì)施工場(chǎng)地狹小的地下連續(xù)墻施工，造成阻礙，工效降低。在場(chǎng)地允許時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮工字鋼鎖口管防繞流方法。