剛性地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

左少兵

上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司 上海 200436

隨著施工技術(shù)的成熟與發(fā)展，地下連續(xù)墻在橋梁錨碇基礎(chǔ)中的應(yīng)用越來越多，在超深超大基礎(chǔ)中大有取代沉井、樁基礎(chǔ)的趨勢(shì)。在以往的工程建設(shè)中，地下連續(xù)墻在懸索橋錨碇基坑中經(jīng)歷了矩形到圓形，再到“∞”字形的發(fā)展，如潤揚(yáng)大橋北錨碇矩形基礎(chǔ)、虎門二橋東錨碇圓形基礎(chǔ)、深中通道伶仃洋大橋西錨碇“∞”字形基礎(chǔ)等。

矩形地下連續(xù)墻可以很好地適應(yīng)錨碇的要求，因?yàn)殄^碇從受力結(jié)構(gòu)上來說，順橋向比較長，橫橋向比較短，完全契合錨碇的受力要求，能夠充分地被利用。但是這種結(jié)構(gòu)形式需要很大的支撐體系將地下連續(xù)墻墻體支護(hù)起來，由于結(jié)構(gòu)整體剛度不連續(xù)，導(dǎo)致深基坑開挖時(shí)地下連續(xù)墻墻體變形較大，不可避免地會(huì)影響周邊環(huán)境。另外，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基坑開挖作業(yè)相對(duì)比較困難。

圓形基礎(chǔ)形式利用結(jié)構(gòu)自身的拱效應(yīng)，得到較大的連續(xù)結(jié)構(gòu)剛度?；娱_挖過程中墻體變形較小，可以做到無支撐開挖。其主要弱點(diǎn)是，圓形兩側(cè)沒有被充分利用，開挖的面積比錨碇需要的受力面積大，在場(chǎng)地比較有限的地方，圓形錨碇基礎(chǔ)受限較多。

“∞”字形地下連續(xù)墻不僅具有較好的結(jié)構(gòu)剛度，而且可以像圓形地下連續(xù)墻那樣做到無內(nèi)支撐開挖，既能很好地適應(yīng)錨碇結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的持力要求，又能最大限度地節(jié)約土地，可以有效降低深基坑施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響[1-5]。

該項(xiàng)目錨碇地點(diǎn)位于山區(qū)，山區(qū)地形復(fù)雜，場(chǎng)地受限，土方轉(zhuǎn)運(yùn)困難。上述3類錨碇地下連續(xù)墻形式均存在著局限，為克服傳統(tǒng)地下連續(xù)墻及錨碇開挖中的難點(diǎn)，本項(xiàng)目錨碇基礎(chǔ)采用了剛性地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)方案。

1 工程概況

本工程是四川某大橋錨碇地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)項(xiàng)目，地下連續(xù)墻墻深27 m，墻厚1.2 m，地下連續(xù)墻接頭采用新型剛性接頭。地下連續(xù)墻墻身兩側(cè)設(shè)置注漿管，以增強(qiáng)框架基礎(chǔ)側(cè)壁與土體之間的黏結(jié)力，減少錨碇基礎(chǔ)水平變位。地下連續(xù)墻完成后，無需開挖，采用特殊方式將剛性接頭進(jìn)行連接，以形成承受懸索橋巨大拉力的錨碇基礎(chǔ)。

1.1 地層巖性

錨碇區(qū)覆蓋有巨厚覆蓋層，主要由3層土體構(gòu)成：

1）坡表有厚4～14 m的第四系全新統(tǒng)崩坡積含碎石粉質(zhì)黏土或角礫覆蓋，呈稍密-中密狀為主，干燥-稍濕。

2）下為厚度較大的第四系上更新統(tǒng)崩坡積碎石、塊石及角礫，鉆孔揭露最厚可達(dá)145 m，該層石質(zhì)成分均為志留系泥巖，泥巖受風(fēng)化影響明顯，自上而下石質(zhì)風(fēng)化程度逐漸減弱，整體密實(shí)程度逐漸增大，主要由中密-密實(shí)狀碎石及塊石構(gòu)成，為錨碇基礎(chǔ)持力層。

① 根據(jù)鉆探揭露，強(qiáng)風(fēng)化石質(zhì)的碎石土層厚40～50 m，呈黃灰色為主，中密狀，石質(zhì)以強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為主，手捏易碎。

② 中風(fēng)化石質(zhì)的碎石土層呈灰色為主，以中密狀為主，局部密實(shí)，埋深多為50～60 m，錘擊聲啞。

3）第3 層為卵石層，鉆孔揭示卵石層最厚可達(dá)31.2 m，石質(zhì)成分以灰?guī)r、玄武巖及少量紫紅色砂巖、石英砂巖等為主，密實(shí)狀，該層普遍膠結(jié)較好，具半成巖狀，錘擊聲脆。

1.2 水文地質(zhì)

1）錨碇區(qū)土體入滲系數(shù)為6.90×10－4～7.07×10－4cm/s，為中等透水性土；含水率4.47%～7.53%，土體中地下水總體含量不豐，整體呈稍濕狀。

2）根據(jù)水質(zhì)分析，錨碇區(qū)地表水類型為HCO3－Ca2+型水，按地層滲透性對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性為微腐蝕，對(duì)鋼筋的腐蝕性為微腐蝕。

3）錨碇基礎(chǔ)最低標(biāo)高為628.204 m，遠(yuǎn)高于地下水位線，基礎(chǔ)持力層無地下水。

1.3 錨碇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

大橋錨碇區(qū)為典型的“象鼻地形”：山脊頂部狹窄，山脊兩側(cè)斜坡高陡；錨碇正位于山脊左側(cè)陡緩轉(zhuǎn)換區(qū)。相比傳統(tǒng)的擴(kuò)大基礎(chǔ)方案，創(chuàng)新的框架基礎(chǔ)方案極大地減少了邊坡開挖的土方量和丟棄的土方量，更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)；極大地減小了邊坡開挖高度和永存高度，更安全、更經(jīng)久。

基礎(chǔ)包括承臺(tái)、框架基礎(chǔ)兩部分。承臺(tái)厚6 m，在錨體與框架基礎(chǔ)間承上傳下?？蚣芑A(chǔ)分為前趾和后趾，前后趾框架基礎(chǔ)尺寸相同，平面尺寸均為64.8 m（橫橋向）×18 m（順橋向），均分為6個(gè)隔室，深度均為25 m，壁厚1.2 m。框架與承臺(tái)相連處設(shè)置1.5 m×0.5 m倒角，避免應(yīng)力集中，增大關(guān)鍵截面承載能力。

2 剛性地下連續(xù)墻的施工原理

在地下連續(xù)墻技術(shù)中，單元槽段間的連接設(shè)計(jì)與施工是地下連續(xù)墻體系關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地下連續(xù)墻受力有明顯的三維空間效應(yīng)，接頭需承擔(dān)豎向、水平向剪力、橫向彎矩，且接頭施工往往是地下連續(xù)墻施工的薄弱環(huán)節(jié)，因此需確保接頭處的抗剪與抗彎達(dá)到設(shè)計(jì)要求。近年來，隨著地下連續(xù)墻的發(fā)展，圍繞著地下連續(xù)墻槽段單元接頭的受力和防滲效果的改善，發(fā)展了較多接頭形式。目前，橋梁基礎(chǔ)中的地下連續(xù)墻接頭形式主要采用銑接頭或工字鋼接頭，這類接頭仍存在著結(jié)構(gòu)整體不連續(xù)的缺點(diǎn)。本項(xiàng)目采用的特殊剛性接頭可以實(shí)現(xiàn)地下連續(xù)墻接頭處的真正連接，解決了矩形地下連續(xù)墻框架結(jié)構(gòu)整體剛度不連續(xù)的問題。圖1為特殊剛性接頭的大樣。

圖1 接頭大樣

3 施工的主要設(shè)備介紹

結(jié)合項(xiàng)目施工環(huán)境和地質(zhì)條件，成槽設(shè)備選擇了低凈空銑槽機(jī)。地下連續(xù)墻成槽設(shè)備一般選用成槽機(jī)、銑槽機(jī)或沖擊錘，在塊石、碎石密集的區(qū)域成槽機(jī)抓槽困難，而沖擊錘在此類地質(zhì)條件下沖孔會(huì)使下方碎石越錘越密實(shí)而導(dǎo)致沖孔效率越來越低，且沖孔完成后需要方錘修孔，施工進(jìn)度緩慢，銑槽機(jī)在這類地層中則優(yōu)勢(shì)明顯。另外，項(xiàng)目地勢(shì)險(xiǎn)要，從邊坡穩(wěn)定性考慮，大型設(shè)備行走安全性差，低凈空銑槽機(jī)以其重心低的優(yōu)勢(shì)更加適應(yīng)這個(gè)項(xiàng)目。

4 施工的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 成槽施工

4.1.1 成槽工藝

成槽工藝采用“純銑”工藝，選取首開-連接-閉合的方式分幅施工。

4.1.2 槽段分幅

錨碇框架地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)形式與一般基坑支護(hù)工程中地下連續(xù)墻采用的一個(gè)“框”存在較大差異。該結(jié)構(gòu)形式下，墻與墻之間存在多個(gè)交叉點(diǎn)，異形槽段勢(shì)必較多，因此合理分幅也是保障地下連續(xù)墻成功作業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)。

從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體性考慮，槽段劃分時(shí)應(yīng)盡量減少接頭數(shù)量；從施工便捷性考慮，槽段劃分形狀應(yīng)盡量統(tǒng)一。綜合考慮以上2個(gè)條件，具體分幅過程如下：

該錨碇地下連續(xù)墻左右呈矩形對(duì)稱，且矩形自身也是上下、左右對(duì)稱，邊角處可考慮為大小一致的“L”形。

隔斷處考慮統(tǒng)一大小的“T”形，由于鋼筋籠接頭部分鋼板尺寸為65 cm，且為了鋼筋籠吊裝安全，考慮“T”形短邊突出部分不宜過長，“T”形短邊突出部分取70 cm正好滿足接頭所需?！癓”形墻短邊同樣取70 cm。

隔斷部分地下連續(xù)墻減去兩短邊70 cm，剩余14.2 m，從減少接頭角度考慮，分為2幅墻，每幅墻長度6.95 m。

同理，為了槽段盡量統(tǒng)一且兼顧槽段大小不超過6 m的原則去適當(dāng)調(diào)整“L”形墻、“T”形墻的大小。

最后得出5種規(guī)格的墻，具體規(guī)格如表1所示，圖2為地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，圖3為地下連續(xù)墻分幅。

表1 槽段類型

圖2 地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖3 地下連續(xù)墻分幅

4.1.3 泥皮控制

泥漿泥皮厚度是本項(xiàng)目的一個(gè)重要控制指標(biāo)，地下連續(xù)墻側(cè)面的泥皮過厚將會(huì)減小錨碇框架與土體的側(cè)向摩阻力，也會(huì)加大錨碇的側(cè)向位移。因此對(duì)泥皮的厚度控制要求高?；诂F(xiàn)場(chǎng)施工給出以下解決措施：鋼筋籠側(cè)面注漿；縮短成孔，下放鋼筋籠、接頭箱等工序銜接時(shí)間，減短槽孔靜置；優(yōu)先泥漿配比，選用優(yōu)質(zhì)山東鈉土制備泥漿，確保最終滿足施工需求的泥漿質(zhì)量，相對(duì)密度不低于1.15，泥漿黏度＞25 s，保證泥漿具備較好護(hù)壁及懸渣效果；減少槽段5 m范圍內(nèi)大型荷載車輛并鋪設(shè)鋼板以減小地基擾動(dòng)；成槽施工第3抓時(shí)，將泥漿箱制備的新漿打入槽中，在鋼筋籠下放完畢之后進(jìn)行反循環(huán)換漿。

4.2 鋼筋籠制作及吊裝

4.2.1 鋼筋籠制作

鋼筋籠制作主要有以下步驟：“K”型鋼布置→水平筋焊接→桁架筋焊接→聲測(cè)管、注漿管綁扎→上部鋼筋焊接→“K”型鋼焊接→扁擔(dān)筋焊接→剪刀筋焊接。

水平筋焊接是制作過程中的一個(gè)難點(diǎn)，常規(guī)“一”字形鋼筋籠制作時(shí)，水平筋僅需鋪在工字鋼上進(jìn)行焊接即可，本項(xiàng)目的“一”字形鋼筋籠制作時(shí)，水平筋需要穿進(jìn)“K”型鋼接頭內(nèi)部。

“T”字形鋼筋籠制作時(shí)，“K”型鋼需要吊裝插進(jìn)豎立的2排水平筋，每個(gè)孔均需穿過“K”型鋼的預(yù)留孔。這個(gè)步驟難點(diǎn)有二：其一為豎向水平筋需精準(zhǔn)定位且保持豎直平行狀態(tài)；其二為“K”型鋼的孔需與豎向水平筋一一對(duì)應(yīng)，方可保證順利插入。針對(duì)此處難點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋籠加工順序做了優(yōu)化，將常規(guī)的“豎向水平筋焊接完成即焊接主筋，最后焊接上部型鋼”更改為“豎向水平筋焊接完成即進(jìn)行‘K’型鋼板吊裝插入，最后補(bǔ)焊主筋完成鋼筋籠的制作”。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于不焊接主筋使得豎向水平筋有活動(dòng)空間，可適當(dāng)調(diào)整其位置，便于插入“K”型鋼。

4.2.2 鋼筋籠吊裝

吊裝采用雙機(jī)臺(tái)吊，由于所有鋼筋籠均帶有至少2道“K”型鋼來提升鋼筋籠整體剛度，確保起吊過程中不易彎折，該過程難點(diǎn)在于鋼筋籠的安裝。鋼筋籠的安裝精度直接決定特殊接頭對(duì)接完成度。鋼筋籠的前后左右以及高程均需要精準(zhǔn)控制，現(xiàn)場(chǎng)施工中，利用全站儀對(duì)鋼筋籠的左右進(jìn)行定位限制并做好標(biāo)記點(diǎn)；鋼筋籠的前后控制在下放時(shí)利用鋼尺量測(cè)；通過控制吊筋長度進(jìn)行鋼筋籠吊裝高程控制，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量出吊點(diǎn)所在位置的高程，通過計(jì)算配置相應(yīng)長度的吊筋即可準(zhǔn)確控制鋼筋籠的高程。

4.3 接頭施工及后期的施工

為實(shí)現(xiàn)接頭的無縫連接，采用特殊的接頭工藝處理技術(shù)，主要分以下6個(gè)步驟：接頭鋼板與先期槽段鋼筋籠形成整體，一同下放→另一槽段接頭鋼板與先期槽段鋼筋籠形成整體，一同下放→待先期槽段內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將型鋼N7與鋼板B1連接，接頭箱形成整體→采用機(jī)械連接的方式連接水平筋→下放豎向鋼筋，并與水平筋綁扎連接→澆筑接頭內(nèi)混凝土，接頭內(nèi)混凝土采用自密實(shí)、微膨脹混凝土。

在相鄰2幅槽段完成之后，接頭部分需使用潛水泵抽取泥漿，待降低液面之后，采用高壓旋噴設(shè)備對(duì)接頭進(jìn)行高壓水噴射沖洗，再使用潛水泵抽取泥漿。如此反復(fù)進(jìn)行，直至接頭沖洗干凈，潛水泵抽取上來的泥漿呈清水狀為止。另有泥砂、石子無法抽取的需要人工清理。錨碇范圍內(nèi)無地下水是該特殊接頭得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵條件。

作業(yè)人員進(jìn)入接頭內(nèi)部需要在接頭上方架設(shè)滑輪組，滑輪組連接吊籃，人隨著吊籃的下放進(jìn)入到接頭內(nèi)部，主要作業(yè)內(nèi)容包括鋼筋綁扎與焊接。在狹窄幽深的洞穴內(nèi)作業(yè)時(shí)需要保障作業(yè)人員的人身安全，具體采取以下3個(gè)措施：通風(fēng)、照明、通信。

通風(fēng)采用抽壓混合式通風(fēng)。焊接作業(yè)時(shí)焊接電弧所產(chǎn)生的高溫和強(qiáng)紫外線作用下，會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，如臭氧、一氧化碳、氮氧化物、氟化氫等，因此通風(fēng)保障既要考慮新鮮空氣的輸入也要考慮有害氣體的排出；照明方式采用頭戴式照明燈；通信方式采用對(duì)講機(jī)。

5 結(jié)語

基于四川某大橋錨碇基礎(chǔ)項(xiàng)目，進(jìn)行了剛性地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)施工，并成功實(shí)施?？偨Y(jié)如下：世界上首次實(shí)現(xiàn)了剛性地下連續(xù)墻框架基礎(chǔ)施工；設(shè)計(jì)并使用了K型鋼，并成功地將K型鋼與鋼筋籠進(jìn)行有效剛性連接；創(chuàng)新的框架基礎(chǔ)方案極大地減少了邊坡開挖土方量和丟棄土方量，同時(shí)極大地減小了邊坡開挖高度和永存高度，與傳統(tǒng)的擴(kuò)大基礎(chǔ)方案相比更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更安全、更經(jīng)久。

基于本文的研究，總結(jié)如下：

1）剛性地下連續(xù)墻在工藝上是可以實(shí)現(xiàn)的，并且在橋梁錨碇基礎(chǔ)中應(yīng)用廣泛。

2）本項(xiàng)目的特殊性為實(shí)現(xiàn)地下連續(xù)墻的剛性連接提供了必要條件。

3）應(yīng)進(jìn)一步研究新的剛性地下連續(xù)墻的施工工藝。

4）剛性地下連續(xù)墻前景廣闊，大有取代沉井的趨勢(shì)。