同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工技術(shù)*

張 琨，王 輝，王開強(qiáng)，周環(huán)宇，魏 倩，巴 鑫，鄧 雷

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

目前，地下連續(xù)墻在我國(guó)水利水庫(kù)、露天礦山、橋梁、建筑物地下室、地鐵、盾構(gòu)工程豎井、深基坑工程等方面廣泛應(yīng)用。隨著地下連續(xù)墻的數(shù)量、規(guī)模越來(lái)越大，施工暴露的問題和缺陷也越來(lái)越多。如分幅式連續(xù)墻結(jié)構(gòu)存在接縫，防滲性能差；成槽施工采用大量泥漿護(hù)壁和攜渣，排渣效率低，需附加設(shè)施進(jìn)行泥漿沉淀和處理，且泥漿對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)存在較大污染，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工文明和環(huán)保；復(fù)雜地質(zhì)條件下綜合效率較低。

近年來(lái)，TRD工法在基坑工程中得到應(yīng)用，主要將等厚度水泥土攪拌墻作為隔水帷幕或內(nèi)插型鋼形成止水擋土結(jié)構(gòu)。由于TRD工法施工裝備切削能力較強(qiáng)且能連續(xù)成墻，形成的墻體隔水性能可靠。但水泥土攪拌體自身強(qiáng)度較低，作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)成墻深度一般<30m。

針對(duì)傳統(tǒng)地下連續(xù)墻施工工藝存在的上述問題，結(jié)合TRD工法連續(xù)高效銑槽的優(yōu)點(diǎn)，利用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)異擋土、承載、防滲性能，研發(fā)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工法機(jī)(synchronous cutting and pouring concrete wall，以下簡(jiǎn)稱SCP工法機(jī))，實(shí)現(xiàn)地下混凝土連續(xù)墻“鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑、土-混凝土隔離、后置骨架”施工工藝。

1 同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻施工裝備及原理

1.1 施工裝備

SCP工法機(jī)尺寸為13.3m×6.4m×17.4m(長(zhǎng)×寬×高)，成墻厚1 000mm，設(shè)計(jì)成墻深度>50m，切削力>600kN，掘進(jìn)速度0.6m/h，額定功率600kW。由主機(jī)和地下作業(yè)裝置組成，如圖1所示。主機(jī)包括行走底盤，切割箱升降系統(tǒng)，切削動(dòng)力單元，鏈張緊機(jī)構(gòu)，桅桿調(diào)垂機(jī)構(gòu)及接、排土機(jī)構(gòu)；地下作業(yè)裝置包括切削-提土機(jī)構(gòu)、地下糾偏機(jī)構(gòu)及隔離-頂推機(jī)構(gòu)。

圖1 SCP工法機(jī)組成

1.2 施工工藝原理

同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工法施工原理如圖2所示。

圖2 SCP工法施工原理

1)采用鏈刀及斗提機(jī)構(gòu)沿成墻方向橫向切割并排土，向前掘進(jìn)成槽。

2)鏈刀附著于切割箱體，切割箱由若干節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼箱體連接而成，沿槽深方向垂直布置，切割箱沿槽寬方向尺寸較刀具最大切削寬度內(nèi)縮約100mm，因此切割箱側(cè)壁與槽壁存在50mm的理論超挖間隙，用于減小切割箱橫移及升降時(shí)與槽壁土體的側(cè)摩擦阻力。

3)隨掘進(jìn)同步向后方槽段內(nèi)澆筑超緩凝混凝土，維持混凝土液面在一定高度，對(duì)槽壁形成靜壓支撐，防止槽壁塌縮。

4)混凝土澆筑區(qū)間與挖掘區(qū)間采用隔離裝置進(jìn)行干-濕分離，且隔離裝置緊貼槽壁密封處具有一定的彈性和密封比壓。

5)后方槽段內(nèi)的混凝土通過(guò)隔離裝置對(duì)切割箱施加靜壓推力，作為掘進(jìn)推進(jìn)力的組成部分。

6)掘進(jìn)一段距離后，將鋼筋籠或勁性鋼骨架以后置方式插入未凝固的超緩凝混凝土中，待混凝土凝固并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，形成鋼筋混凝土連續(xù)墻。

2 同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻施工工藝

同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻施工工藝流程為：場(chǎng)地平整→墊層及基礎(chǔ)施工→測(cè)量放線→開挖導(dǎo)槽→導(dǎo)墻澆筑、養(yǎng)護(hù)→設(shè)備安裝、調(diào)試→鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑→后置骨架，其中鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑、土-混凝土隔離、后置骨架為關(guān)鍵施工工藝。

SCP工法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)采用無(wú)泥漿(少泥漿)介入的干作業(yè)挖掘方式，掘進(jìn)及出渣效率高，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需泥漿沉淀設(shè)施，污染小，施工現(xiàn)場(chǎng)文明程度高。

2)連續(xù)掘進(jìn)澆筑成墻，不存在固定模數(shù)施工縫，成墻具有良好的防滲性能及整體剛度。

3)挖掘成槽后，直接用混凝土澆筑護(hù)壁，相較于泥漿護(hù)壁，混凝土靜壓支承力更大，防止塌槽和控制土體變形效果更好。

4)相對(duì)于三軸攪拌樁機(jī)采用的鉆桿、抓斗和雙輪銑采用的鋼絲繩，本工法裝備采用的切割箱剛度更大、自身尺寸精度更高，且切割箱全長(zhǎng)內(nèi)置有測(cè)斜傳感器，可對(duì)切削姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，理論上能達(dá)到更高的成墻尺寸精度。

5)綜合效率高，省去了泥漿置換、清底等工序，簡(jiǎn)化了施工工藝，綜合工效可達(dá)6～7m/d。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)及措施

3.1 鋸割成槽

1)切割箱升降 通過(guò)切割箱升降系統(tǒng)、切削動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)鏈鋸式切割箱，鋸割成槽至設(shè)計(jì)深度。

2)橫移頂推 通過(guò)橫移頂推機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切割箱水平橫向挖掘推進(jìn)。

3)成槽垂直度控制 切割箱主體內(nèi)部設(shè)方管、測(cè)斜儀，連接處設(shè)密封接頭，可同時(shí)監(jiān)測(cè)x，y正交雙向傾斜度及傾斜量，對(duì)地下連續(xù)墻軸向及垂直軸向進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)、報(bào)警及調(diào)垂。成槽垂直度能達(dá)到1/300以上。

4)減阻設(shè)計(jì) 為減小地下作業(yè)過(guò)程中切削阻力及側(cè)壁摩阻力，采用切割箱切割面及兩側(cè)面分標(biāo)高注漿減阻法，切割箱切割面及兩側(cè)設(shè)注漿出口，每節(jié)切割箱內(nèi)部均設(shè)注漿管(見圖3)，注漿管路通過(guò)切割箱間快插接頭連接；切割箱內(nèi)部設(shè)分流閥塊，每根注漿管均可與注漿出口靈活連接與調(diào)整，由地面注漿設(shè)備通過(guò)切割箱內(nèi)部注漿管路，將水或水膨潤(rùn)土配制成的懸浮液通過(guò)高壓注入槽內(nèi)。

圖3 注漿管布置

3.2 連續(xù)排土

在鋸割排土段利用附著于鏈鋸式切割箱鏈條上的切削刀頭切割土層，附著于鏈條上的螺旋排土斗隨著鏈條的運(yùn)動(dòng)將切割松散的土體通過(guò)鏈條循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶出地面。螺旋排土斗如圖4所示。

圖4 螺旋排土斗

排土斗將渣土帶出地面后，在頂部主動(dòng)輪處進(jìn)行卸渣，渣土依靠自重下落到下方的接、排渣區(qū)域進(jìn)行集中和二次運(yùn)輸。接、排渣區(qū)域采用有一定傾角的螺旋輸送機(jī)溜槽渣土向高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，泥漿向低點(diǎn)流動(dòng)，起初步分離渣土的目的，提高排渣效率。

3.3 隨同澆筑

3.3.1混凝土配制要求

為保證隨同澆筑及后置鋼筋籠骨架，研開發(fā)C30水下超緩凝混凝土材料。該材料在不影響混凝土出機(jī)和易性的前提下，可顯著延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(50h內(nèi))內(nèi)保持混凝土一定程度的工作性能，達(dá)到所需的混凝土和易性、凝結(jié)時(shí)間及后期強(qiáng)度發(fā)展指標(biāo)。

通過(guò)大量的混凝土復(fù)配試驗(yàn)，采用高減水型、和易型、長(zhǎng)時(shí)緩釋保坍型、降黏型功能型聚羧酸減水劑母液按一定比例復(fù)配而成，并附加一定引氣劑和消泡劑，使制備的混凝土拌合物流動(dòng)性、黏聚性和保水性達(dá)到技術(shù)要求?；炷列阅茉O(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 混凝土性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.3.2現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑參數(shù)

為滿足現(xiàn)有設(shè)備和工藝技術(shù)的實(shí)際需求，建立標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)計(jì)算模型，如圖5所示。超緩凝混凝土的澆筑工藝參數(shù)及所需性能與整個(gè)施工工藝密切相關(guān)。主要影響因素包括掘進(jìn)速度v、全深范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度L0、新掘進(jìn)段長(zhǎng)度L、完全流動(dòng)狀態(tài)混凝土影響范圍Lf、混凝土流動(dòng)分布傾角α、地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0、安全高度h1和地下連續(xù)墻寬度d0等。

圖5 超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)計(jì)算模型

3.4 土-混凝土隔離

為保證地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量，通過(guò)在前段切割后的松散土體與后端流態(tài)混凝土間設(shè)置隔離箱進(jìn)行有效隔離，如圖6所示。隔離箱需具有雙向隔離效果，既不能使混凝土大量進(jìn)入挖掘槽段，影響切削及排渣；也不能使挖掘槽段內(nèi)的渣土進(jìn)入澆筑槽段，造成墻體質(zhì)量缺陷。

圖6 隔離箱

3.5 后置骨架

采用連續(xù)成槽、隨同澆筑、無(wú)縫成墻技術(shù)，傳統(tǒng)地下連續(xù)墻鋼筋籠結(jié)構(gòu)及接頭形式不再適用，因此提出后置骨架采用型鋼+鋼筋的組合鋼骨架形式，相鄰幅段間采用公母接頭結(jié)構(gòu)，方便定位和插入超緩凝混凝土，如圖7所示。該骨架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)地下連續(xù)墻鋼筋結(jié)構(gòu)相比，具有加工便利、吊裝方便、接頭剛度大、止水效果好等優(yōu)勢(shì)。

圖7 后置骨架

4 試驗(yàn)工程應(yīng)用

4.1 工程概況

擬建湖北廣播電視傳媒基地產(chǎn)業(yè)主體功能區(qū)項(xiàng)目位于武漢市東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)高新大道以南、光谷三路以東、光谷四路以西?？辈煦@探揭露深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地巖土層自上而下主要有7層：①雜填土層、耕植土層；②第四系全新統(tǒng)沖積黏性土層；③第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土層、碎石土層；④殘積土層；⑤二疊系龍?zhí)督M泥巖、灰?guī)r層；⑥二疊系孤峰組硅質(zhì)巖、泥巖、硅質(zhì)泥巖層；⑦二疊系棲霞組灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖層。

4.2 試驗(yàn)方案

目前SCP設(shè)備施工工藝尚無(wú)先例可循，需通過(guò)成墻試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證工藝在特定地層條件下的施工能力，以確定成墻質(zhì)量、強(qiáng)度、隔水性能及墻體施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。本次試驗(yàn)段長(zhǎng)度為12m，厚1m，試驗(yàn)成墻深度為17m。

依據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，檢測(cè)地下連續(xù)墻的墻身完整性，現(xiàn)場(chǎng)開展聲波測(cè)試及鉆芯檢測(cè)。由檢測(cè)結(jié)果可知，該地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量達(dá)到I類。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)SCP施工參數(shù) 切割箱以17m深度向前頂推，鏈條正轉(zhuǎn)(掌子面鏈條向上運(yùn)動(dòng))，鏈條速度0.2m/s。最大總切削力約為370kN，掘進(jìn)速度約為1.5m/s。

2)施工工效 在工期安排上未考慮切割箱及隔離箱打入和拔出所需時(shí)間，根據(jù)成墻試驗(yàn)的施工工效統(tǒng)計(jì)，采用SCP工法成墻施工工藝，墻體的施工效率可達(dá)6～7m/d。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)地下連續(xù)墻施工工藝存在的問題，結(jié)合TRD工法連續(xù)高效銑槽的優(yōu)點(diǎn)及置換工法施工鋼筋混凝土連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)異承載性能，研發(fā)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工法機(jī)，并對(duì)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工工藝進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論。

1)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工技術(shù)具有無(wú)泥漿、連續(xù)掘進(jìn)澆筑、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。

2)該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)地下混凝土連續(xù)墻鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑、土-混凝土隔離、后置骨架施工工藝，試驗(yàn)成墻深度17m，墻體的施工效率可達(dá)6～7m/d。

3)該技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的適用性及施工工藝關(guān)鍵參數(shù)，有待進(jìn)一步深入開展針對(duì)性研究。