地下連續(xù)墻在高強(qiáng)石灰?guī)r中成槽的工藝創(chuàng)新

李志強(qiáng) 王 強(qiáng) 王 磊 黃京新

中鐵建工集團(tuán)有限公司廣州分公司 廣東 廣州 511400

1 工程概況

廣州棠溪站綜合交通樞紐工程包含棠溪站東廣場基坑、12/24號線地鐵車站基坑、佛8、新線地鐵車站基坑?；釉O(shè)計(jì)形式為地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)＋內(nèi)支撐體系。工程情況如圖1所示。

圖1 背景工程情況

本工程基坑深度范圍內(nèi)從上向下依次為：素填土、雜填土、淤泥層、填砂層、黏土層及全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化炭質(zhì)石灰?guī)r。典型地質(zhì)情況如圖2所示。炭質(zhì)石灰?guī)r主要礦物成分為方解石。石灰?guī)r節(jié)理裂隙稍發(fā)育，部分裂隙面見黑色炭質(zhì)，污手。石灰?guī)r埋深為11.50～52.10 m，厚度為4.50～36.60 m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為30.20～79.50 MPa。巖層埋深起伏較大，并且地質(zhì)中廣泛存在溶洞，造成的巖面傾斜率高。

圖2 典型地質(zhì)情況

地下連續(xù)墻厚度大部分為1.2 m，槽段寬以6 m為主，成槽深度在35～46 m，共計(jì)224幅。地下連續(xù)墻底部端頭嵌固深度設(shè)計(jì)要求進(jìn)入坑底以下微風(fēng)化巖4 m，部分為5 m，則地下連續(xù)墻需穿越14.2 m的中化石灰?guī)r及12～13 m的微風(fēng)化石灰?guī)r。

2 傳統(tǒng)成槽工藝

對于此類灰?guī)r地質(zhì)，傳統(tǒng)成槽工藝一般有2種：一種是成槽機(jī)＋沖孔錘（或潛孔錘）組合設(shè)備成孔的方法；另一種是成槽機(jī)（或銑槽機(jī)）單一設(shè)備成孔的方法。

單一設(shè)備成槽機(jī)或銑槽機(jī)成孔主要工藝為：除導(dǎo)墻部分，自土層至巖層從上至下均采用成槽機(jī)或銑槽機(jī)挖除土體和切削巖層。成槽方式一般為分為三序（也稱為三刀），間隔下刀切削。采用此方法時(shí)，成槽機(jī)在中風(fēng)化以及微風(fēng)化石灰?guī)r中的施工工效非常低下，施工過程中成槽進(jìn)尺很緩慢。

在本工程中，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，成槽機(jī)在微風(fēng)化石灰?guī)r中成槽進(jìn)尺只能達(dá)到10～15 cm/h，銑槽機(jī)在微風(fēng)化石灰?guī)r中成槽進(jìn)尺最大也只能達(dá)到20～25 cm/h，平均一幅地下連續(xù)墻成槽需24 d。另外，成槽機(jī)和銑槽機(jī)價(jià)格昂貴，尤其是銑槽機(jī)基本上為進(jìn)口設(shè)備，采用單一設(shè)備成槽，長時(shí)間耗用此類設(shè)備，其性價(jià)比與適用性都未得到很好的發(fā)揮。

組合設(shè)備成孔的主要工藝為先采用成槽機(jī)將強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r層上部的素填土、雜填土等土層及抗壓強(qiáng)度低的巖層挖除，再采用沖孔錘（或潛孔錘）對中風(fēng)化和微風(fēng)化石灰?guī)r進(jìn)行破碎處理。沖孔采用“跳倉法”，對于厚1.2 m、長6 m槽段的地下連續(xù)墻一般需在其兩側(cè)外放80 cm以適配沖孔錘（或潛孔錘）的模數(shù)要求，一般沖擊7個(gè)孔，間隔跳倉沖孔，完成沖孔后使用方錘修整槽壁，以磨去沖孔過程中的突起棱角，如圖3所示。然而，該方法施工過程中存在2個(gè)較為突出的問題。一是沖孔錘（或潛孔錘）入巖后錘頭受高強(qiáng)度巖層影響持續(xù)損壞，需不斷暫停施工進(jìn)行修焊[1]；二是施工工效較為緩慢，微風(fēng)化沖擊進(jìn)尺30～40 cm/h，平均沖一孔需4.5 d，一幅地下連續(xù)墻成槽需要31.5 d。

圖3 沖孔成槽示意

3 創(chuàng)新成槽工藝

創(chuàng)新工藝為旋挖機(jī)＋成槽機(jī)＋銑槽機(jī)的組合設(shè)備成孔方式，亦稱之為“三一槽”工藝，運(yùn)用3種成槽機(jī)械對一幅地下連續(xù)墻成槽。其工藝原理可簡單歸納為旋挖機(jī)引孔＋成槽機(jī)抓取上部土層＋銑槽機(jī)銑削下部高強(qiáng)度石灰?guī)r層，工藝流程如圖4所示。采用此“三一槽”工藝，可全工序流水施工，能夠最大限度地提高地下連續(xù)墻成槽的工效，同時(shí)最大限度利用各種設(shè)備效能。本工程中應(yīng)用此創(chuàng)新工藝后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，旋挖鉆在微風(fēng)化石灰?guī)r中鉆桿進(jìn)尺平均30～40 cm/h，銑槽機(jī)在引孔后的微風(fēng)化石灰?guī)r中進(jìn)尺平均30～40 cm/h，平均一幅地下連續(xù)墻成槽需16 d。

圖4 “三一槽”施工工藝流程

4 關(guān)鍵性工藝及分析

創(chuàng)新成槽工藝中，重點(diǎn)的工藝有兩大關(guān)鍵部分，一是旋挖鉆機(jī)的選型及其引孔的孔位布置和引孔數(shù)量；二是成槽機(jī)和銑槽機(jī)的選型及其下刀順序。

對旋挖鉆孔的位置、數(shù)量、開孔順序和成槽機(jī)及銑槽機(jī)下刀數(shù)量、順序，應(yīng)綜合考慮地下連續(xù)墻槽段厚度、寬度和銑槽機(jī)銑輪寬度，并應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。以本工程為例，地下連續(xù)墻厚度1.2 m，首開槽段和閉合槽段寬度均為6 m，采用的銑槽機(jī)銑輪寬度2.8 m，則引孔位置和數(shù)量也有2種方式可供選擇。

一種是首開槽段端頭兩側(cè)各外放60 cm，設(shè)置4個(gè)孔位，孔位凈間距分別為60、120、60 cm，孔位間隔跳倉鉆進(jìn)，成槽機(jī)（銑槽機(jī)）成槽（銑槽）順序則可根據(jù)引孔布置，先施工槽段兩側(cè)，為第1刀和第2刀，再施工正中間，為第3刀。閉合槽段亦設(shè)置4個(gè)孔位，中間兩孔凈間距亦保持80 cm，中間兩孔優(yōu)先鉆進(jìn)，剩余兩孔間隔鉆進(jìn)，成槽機(jī)（銑槽機(jī)）成槽（銑槽）順序則先施工槽段正中間的第1刀，再分別施工兩側(cè)的第2刀和第3刀，其工藝如圖5所示。此方式優(yōu)點(diǎn)為在地下連續(xù)墻工字鋼接頭箱背后回填砂袋時(shí)，回填空間范圍較小，地下連續(xù)墻鋼筋籠穩(wěn)固較好，混凝土澆筑后鋼筋籠偏移量較?。淮朔绞饺秉c(diǎn)為外放間距太小，在地下連續(xù)墻接頭箱頂拔完后，旋挖鉆不能有效處理工字鋼接頭繞流及掏出回填的砂袋，回填的砂袋在銑槽機(jī)施工過程中容易堵塞泥漿泵和濾砂機(jī)。

圖5 外放60 cm引孔及成槽示意

另一種是首開槽段端頭兩側(cè)各外放100 cm，設(shè)置5個(gè)孔位，孔位凈間距均為50 cm，孔位亦間隔跳倉鉆進(jìn)，成槽機(jī)（銑槽機(jī)）成槽（銑槽）順序則是先施工槽段正中間的第1刀，再施工兩側(cè)的第2刀和第3刀；閉合槽段則只需設(shè)置2個(gè)孔位，凈間距分別為40、80、40 cm，鉆進(jìn)順序左右均可，成槽機(jī)（銑槽機(jī)）成槽（銑槽）順序亦先施工槽段正中間的第1刀，再分別施工兩側(cè)的第2刀和第3刀，其工藝如圖6所示。此方式優(yōu)點(diǎn)為外放間距較大，銑槽機(jī)的銑輪最低點(diǎn)能有效進(jìn)出外放孔內(nèi)，提高工效。另外，接頭箱頂拔完后，旋挖鉆能將回填的砂袋大部分掏出，有效處理工字鋼接頭，避免銑槽機(jī)堵塞問題。此方式缺點(diǎn)為接頭箱背后所需砂袋量大，回填和掏出均耗費(fèi)一定的時(shí)間[2]。

圖6 外放100 cm引孔及成槽示意

5 設(shè)備選型及分析

5.1 旋挖鉆機(jī)

在高強(qiáng)度石灰?guī)r中鉆進(jìn)，容易出現(xiàn)孔位傾斜度過大的問題，尤其是在巖面不平和夾雜溶土洞的地層中，偏孔率非常大。故針對類似地層情況，需選擇自帶糾偏系統(tǒng)的旋挖鉆機(jī)。本工程選用的旋挖鉆機(jī)為徐工XG550，自帶糾偏系統(tǒng)，其最大鉆孔深度120 m、下桿線速度60 m/min、機(jī)械站位尺寸為11.0 m×5.5 m、中風(fēng)化層工效可達(dá)0.8 m/h、微風(fēng)化層工效可達(dá)0.34 m/h、機(jī)械造價(jià)1 000萬元/臺。旋挖機(jī)鉆頭應(yīng)先進(jìn)行地層適配性試驗(yàn)，根據(jù)適配性結(jié)果選取鉆頭。本工程先后進(jìn)行復(fù)合平齒鉆頭、復(fù)合截齒鉆頭、牙輪鉆頭、巖芯鉆頭的適配性試驗(yàn)。經(jīng)過對比，巖芯鉆頭在此地質(zhì)情況下適應(yīng)性較好，巖層強(qiáng)度為70 MPa的微風(fēng)化巖層平均進(jìn)尺為35～40 cm/h，返修率少。同時(shí)，為保證引孔進(jìn)度，可根據(jù)實(shí)際情況配備適宜數(shù)量的鉆頭以便維修更換時(shí)使用，每臺旋挖鉆機(jī)配備2個(gè)巖芯鉆頭為宜（圖7）。巖芯鉆頭如圖7所示。

圖7 巖芯鉆頭

此外，為進(jìn)一步防止鉆孔引孔的偏斜，對適配到的巖芯鉆頭進(jìn)行了優(yōu)化，即改進(jìn)單巖芯鉆頭為雙巖芯鉆頭（大直徑鉆頭內(nèi)部含有小直徑鉆頭，內(nèi)鉆頭比外鉆頭長50 cm，如圖8所示）。其原理為：鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)鉆頭先接觸巖面，先得出垂直度良好的小孔，當(dāng)外鉆頭接觸到巖面時(shí)，內(nèi)鉆頭已鉆進(jìn)至已成型的孔位內(nèi)，內(nèi)鉆頭可控制住大鉆頭的活動(dòng)范圍，外鉆頭即可較容易得到垂直度良好的孔位。雙巖芯鉆頭不僅可減少偏斜情況產(chǎn)生，更能提高工效。巖層強(qiáng)度小于70 MPa，平均進(jìn)尺可達(dá)35～40 cm/h，巖層強(qiáng)度為70～100 MPa，平均進(jìn)尺可達(dá)18～30 cm/h。

圖8 雙巖芯鉆頭示意

5.2 成槽機(jī)及銑槽機(jī)

適用中風(fēng)化巖層以上土層的成槽機(jī)械較多，主要應(yīng)考慮成槽效率和造價(jià)。本工程選用金泰SG60成槽機(jī)。最大成槽深度100 m，機(jī)械長8.0 m、寬4.5 m，主機(jī)質(zhì)量92.1 t，下放線速度60 m/min，發(fā)動(dòng)機(jī)功率298 kW，強(qiáng)風(fēng)化及軟土層成槽效率4 m/h，造價(jià)約3 000萬元/臺。

適用巖層強(qiáng)度50 MPa以上微風(fēng)化石灰?guī)r層的成槽機(jī)械較少，此外銑槽機(jī)械在微風(fēng)化巖層中，因巖層強(qiáng)度高，銑切時(shí)亦容易發(fā)生偏斜，導(dǎo)致地下連續(xù)墻槽壁垂直度不達(dá)標(biāo)，且成槽工效不高。故在此地層中應(yīng)選擇有自帶糾偏系統(tǒng)，能有效糾正槽壁偏斜的銑槽機(jī)。本工程選用德國進(jìn)口寶峨MC96銑槽機(jī)，此設(shè)備適用地質(zhì)條件廣，尤其在高強(qiáng)度的巖層中具有很強(qiáng)的工效和糾偏優(yōu)勢。其機(jī)械長9.0 m、寬4.7 m，主機(jī)質(zhì)量105 t，作業(yè)半徑4 m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率570 kW，巖層強(qiáng)度70 MPa的微風(fēng)化巖層，未引孔平均進(jìn)尺16～20 cm/h，引孔后平均進(jìn)尺30～40 cm/h，機(jī)械造價(jià)約5 800萬元/臺。其具體優(yōu)勢：機(jī)械功率大，硬巖銑削效率高；自帶糾偏系統(tǒng)，保證垂直度偏差值控制在1/300內(nèi)，減少二次修槽的次數(shù)；在排渣作業(yè)時(shí)同步清孔換漿，無需其他設(shè)備進(jìn)行清理，可大幅度節(jié)約微風(fēng)化巖層中進(jìn)尺時(shí)間[3]。

6 結(jié)語

廣州棠溪站綜合交通樞紐工程地質(zhì)巖層富含高強(qiáng)度石灰?guī)r，給地下連續(xù)墻成槽帶來了不小的難度，為地下連續(xù)墻控制性關(guān)鍵性工藝，其制約著整體工程的工期。本文提出了此類高強(qiáng)度石灰?guī)r層地下連續(xù)墻的成槽創(chuàng)新方法，即“三一槽”工藝，為工程的順利建設(shè)提供了有力保障，也為今后周邊類似工程提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)可為花崗巖地層中地下連續(xù)墻成槽提供參考依據(jù)。

[1] 宗春華.堅(jiān)硬巖層內(nèi)地下連續(xù)墻成槽工藝的比選[J].建筑施工,2018,40(7):1073-1075.

[2] 周方華.地下連續(xù)墻"三合一"成槽技術(shù)[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(全文版)工程技術(shù),2019(5):281.

[3] 許劍豐.福州地鐵地下連續(xù)墻成槽入巖施工技術(shù)[J].山西建筑,2012,38(36):84-85.