格構(gòu)式地連墻單元整體施工技術(shù)

沈良杰

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300450)

1 工程概況

1.1 工程簡介

廣州魚珠隧道南起海珠區(qū)新港東路，向北下穿珠江和黃埔大道，與現(xiàn)狀珠吉路相接。江中沉管段長935 m，沉管浮運(yùn)沉放前開挖基槽需拆除圍堰和珠江兩岸現(xiàn)狀堤防結(jié)構(gòu)，基槽開挖后臨空面最大高度為19.55 m，在既有護(hù)岸后方設(shè)置加強(qiáng)護(hù)岸起臨時(shí)支擋作用。加強(qiáng)護(hù)岸主要采用帶錨索和灌注樁的遮簾式地連墻[1-2]，但主線與護(hù)岸斜交的銳角區(qū)域施工錨索將侵入基坑，因此靠近主線區(qū)域采用格構(gòu)式地連墻。

該結(jié)構(gòu)由前墻、后墻和中隔墻組成1個工字形格構(gòu)單元，共5個單元，連續(xù)墻頂部設(shè)置寬度為9 m、厚度為1 m的卸荷承臺。前墻與后墻為T形地連墻(其中E單元與主線斜交，前墻與后墻均為V字形地連墻)，幅寬為5.0 m+1.5 m，一字形中隔墻幅寬4 m，前后墻的肋墻與中隔墻之間采用雙十字穿孔鋼板剛性接頭連接，相鄰工字單元之間接頭形式為工字鋼柔性接頭，墻間土體采用水泥攪拌樁滿堂加固。地連墻厚度為1 m、深度為33 m，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 格構(gòu)式地連墻平面結(jié)構(gòu)(單位：mm)

1.2 地質(zhì)條件

加強(qiáng)護(hù)岸承臺頂面高程+8.00 m，墻頂高程+7.00 m，墻底高程-26.00 m。格構(gòu)式地連墻穿越地層自上而下如圖2所示，中風(fēng)化帶主要成分為粉砂巖、粗砂巖，飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度平均24.6 MPa。場地地下水混合穩(wěn)定水位埋深一般為0.80～2.20 m。

圖2 地質(zhì)斷面

2 施工工藝改進(jìn)

格構(gòu)式地連墻為自立式復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，依靠自身剛性抵抗水土壓力，其受力機(jī)理為后墻和中隔墻對前墻起牽拉作用，使結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定[3-4]。雙十字穿孔鋼板與中隔墻、前后墻混凝土咬合嵌固，使格構(gòu)單元形成整體，除有效傳遞拉力外，還有承受直縫剪力和止水的作用。由此可見，剛性接頭連接質(zhì)量是施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前同類工程中，十字鋼板接頭施工方法比較單一，即逐幅施工地連墻，在接頭隨鋼筋籠入槽后吊放接頭箱，先期槽段澆筑完成后拔出接頭箱，后期槽段成槽后采用刷壁器對十字鋼板進(jìn)行刷壁，清除附著物[5-8]，然后重復(fù)先期槽段步驟循環(huán)施工。

采用傳統(tǒng)的接頭箱和刷壁工藝面臨以下問題：①深度超過30 m的接頭箱安裝精度難以保證[9]，穿孔鋼板變形時(shí)下放困難，頂拔時(shí)機(jī)不易把握，頂拔耗時(shí)長，所需頂力較大，可能破壞導(dǎo)墻，引起事故。②本工程接頭形式為雙十字穿孔鋼板，間距較小，若采用底部回填砂袋、碎石的方法降低接頭箱深度，則回填物無法清理或清理效率低、效果差。③鋼板孔內(nèi)的繞流物清理困難，需采用特制的刷壁器，刷壁過程可能導(dǎo)致鋼板變形加劇甚至焊縫斷裂，輕則影響相鄰幅鋼筋籠沉放，重則降低格構(gòu)單元的工作性能。④本工程剛性接頭數(shù)量少(兩岸一共20個)，市場上無此類型接頭箱和刷壁器，定制利用率低，不經(jīng)濟(jì)。

改進(jìn)工藝為格構(gòu)單元整體施工，即1個格構(gòu)單元3幅地連墻同時(shí)成槽，1次澆筑完成。此工藝優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)剛性接頭無縫施工，避免使用接頭箱和刷壁，單元澆筑后形成一個整體，更有利于墻間拉力傳遞，施工速度快，成本低，可解決傳統(tǒng)工藝的所有問題。缺點(diǎn)是同時(shí)成槽幅寬較大，澆筑時(shí)車輛荷載較大，不利于槽壁穩(wěn)定。

3 格構(gòu)單元整體施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 深層攪拌樁輔助成槽技術(shù)

單元整體開挖時(shí)，中隔墻所在的軸線成槽幅寬達(dá)到9 m，超過了設(shè)計(jì)建議幅寬?；鶐r上部地層抗剪強(qiáng)度低且穿越粉細(xì)砂、中砂層，格構(gòu)單元之間已滿堂加固，但前后墻外側(cè)特別是拐角處仍有塌孔風(fēng)險(xiǎn)[10]，因此參照滿堂加固體系，在墻外側(cè)設(shè)置單排輔助成槽水泥攪拌樁，樁底與基巖相接，平均樁長14 m，樁徑600 mm，間距500 mm，水泥摻量18%。攪拌樁采用4攪4噴工藝，水灰比0.5∶1，出口壓力0.4～0.6 MPa，預(yù)期效果28 d齡期樁身強(qiáng)度達(dá)到0.8 MPa，實(shí)際14 d齡期強(qiáng)度已超過1 MPa，加固效果良好。

攪拌樁成樁過程中有16根樁在4.2～5.7 m深度范圍無法鉆進(jìn)，經(jīng)調(diào)查分析，障礙物為既有護(hù)岸拋石護(hù)腳時(shí)擴(kuò)散的孤石。采用旋挖鉆干作業(yè)取出孤石，回填密實(shí)后在每處旋挖區(qū)域補(bǔ)充2根攪拌樁。

3.2 成槽質(zhì)量控制技術(shù)

3.2.1 施工順序

總體施工順序?yàn)锽單元→D單元→A單元→C單元→E單元，其中B、D單元為首開幅，其余為閉合幅。對于1個格構(gòu)單元，將單元分為3個直槽段，首先同步開挖前后墻直槽段，保留中隔墻軸線核心土，最后開挖中隔墻軸線槽段。

3.2.2 施工步驟

減少槽壁暴露時(shí)間對于防止槽壁坍塌有重要意義，根據(jù)地質(zhì)情況和現(xiàn)場機(jī)械配置，采用組合方式成槽，縮短成槽時(shí)間。以B單元前墻直槽段為例，第1步：旋挖鉆機(jī)引主孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高?？紤]前墻間工字鋼柔性接頭處加寬，引孔數(shù)量為7個，4個主孔、3個副孔間隔設(shè)置。第2步：成槽機(jī)抓土至基巖面并抓出主孔鉆渣。第3步：2臺沖擊鉆機(jī)同時(shí)引副孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高。第4步：成槽機(jī)抓出鉆渣后用沖擊鉆機(jī)換方錘修槽。第5步：成槽機(jī)間隔1 m細(xì)抓槽底沉渣。

后墻施工步驟與前墻相同，旋挖鉆機(jī)引完前墻主孔后即轉(zhuǎn)入后墻引主孔。

中隔墻軸線幅寬7 m，引孔數(shù)量為8個，不再區(qū)分主副孔，采用旋挖鉆機(jī)由靠近前墻一端開始順序引孔。為避免機(jī)械互相干擾，中隔墻引第1個孔在前墻修槽完成后進(jìn)行，引第6個孔在后墻修槽完成后進(jìn)行。引孔工況見圖3。

圖3 中隔墻軸線旋挖鉆機(jī)引孔

此成槽步驟相比“兩鉆一抓”工藝，好處是對地質(zhì)條件有更強(qiáng)的針對性，充分發(fā)揮旋挖鉆機(jī)良好的垂直導(dǎo)向作用；沖擊鉆機(jī)引副孔時(shí)基巖兩側(cè)凌空，受力面積減小[11]，采用高頻大沖程引孔效率極高；兩個槽段同時(shí)引孔，也提高了旋挖鉆機(jī)利用率和格構(gòu)單元整體施工速度。

3.2.3 控制成槽質(zhì)量的技術(shù)措施

為保證成槽質(zhì)量和穩(wěn)定槽壁，采取如下技術(shù)措施：①導(dǎo)墻強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后在機(jī)械行走區(qū)域鋪設(shè)20 mm厚鋼板(導(dǎo)墻附近采用40 mm厚鋼板)。②通過巖樣與標(biāo)高判定地層性質(zhì)，根據(jù)地質(zhì)特性調(diào)整泥漿參數(shù)。循環(huán)泥漿比重在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)接近上限值，采用1.20～1.25 g/mL，二次清孔后比重控制在1.10～1.15 g/mL。保持泥漿液面高度在導(dǎo)墻下0.2 m，高于地下水位0.5 m。穿越砂層時(shí)，適量提高增粘劑用量，保持粘度在22～28 s。用篩分機(jī)持續(xù)除砂，控制含砂率小于3%。③旋挖鉆在砂層中作業(yè)時(shí)用低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，在黏土層持續(xù)加壓，保持高轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷鉆進(jìn)。成槽機(jī)閉斗緩慢入槽后再張開，避免激起泥漿波浪，抓土后緩慢提升，防止抓斗下方形成負(fù)壓區(qū)。④每20 m采用超聲波檢測槽壁垂直度，有偏槽及時(shí)修正。⑤在中隔墻軸線導(dǎo)墻設(shè)觀測點(diǎn)，定時(shí)用全站儀觀測位移和沉降，位移或位移速率達(dá)到預(yù)警值時(shí)及時(shí)預(yù)警。

地連墻成槽終孔時(shí)采用超聲波進(jìn)行垂直度檢測，T形地連墻每幅檢測6個點(diǎn)，一字形中隔墻每幅檢測4個點(diǎn)，5個格構(gòu)單元共計(jì)檢測80個點(diǎn)，垂直度偏差均在100 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范小于1/300深度的要求。

3.3 雙十字穿孔鋼板變形控制技術(shù)

1個剛性接頭由3塊隔板和2塊穿孔鋼板焊接組成。穿孔鋼板為Q345材質(zhì)、厚度12 mm，隔板為Q235材質(zhì)，厚度10 mm。每塊鋼板長33 m，分6段加工，其中5段長度為6 m，1段長度為3 m。接頭布置見圖4。

圖4 剛性接頭平面布置(單位：mm)

3.3.1 焊接變形控制

焊接變形主要表現(xiàn)為鋼板局部受熱后呈現(xiàn)平面卷曲狀態(tài)，究其原因：一是焊縫位置線能量輸入過大[12]，二是鋼板剛度不足?，F(xiàn)場采取如下應(yīng)對措施：①采用CO2氣體保護(hù)焊，焊接前在相同環(huán)境下進(jìn)行試焊，掌握最佳電壓、電流和焊接速度，盡量減小線能量輸入。②分段焊接，減少熱量積累，每段縱焊縫焊接完成后再焊橫焊縫，最后與鋼筋籠主筋焊接，每段縱焊縫由雙人對稱焊接，從中間向兩端退焊。③焊接縱焊縫時(shí)采用無縫鋼管對穿孔鋼板進(jìn)行剛性固定，約束卷曲變形，焊縫自然冷卻后再松開。

3.3.2 吊裝變形控制

剛性接頭隨T型鋼筋籠起吊時(shí)(見圖5)穿孔鋼板與起吊平面垂直，作為肋板受力，不容易卷曲。另外在鋼筋籠主筋和穿孔鋼板間增加3排U形補(bǔ)強(qiáng)筋，間距1 m梅花形布置，U形筋兩側(cè)分別與穿孔鋼板和主筋滿焊[13]。

圖5 雙十字穿孔鋼板隨T形鋼筋籠吊裝入槽

雙十字鋼板焊接完成后用鋼尺測量卷曲變形，方法為測量穿孔鋼板相對于隔板中軸線距離，與設(shè)計(jì)距離差值作為變形值，每2 m測1個點(diǎn)，每套接頭共計(jì)32個測點(diǎn)，變形值均在100 mm以內(nèi)。

3.4 異形幅鋼筋籠吊裝技術(shù)

E單元與主線共用地連墻，前墻與后墻均為V字形。鋼筋籠采用雙吊機(jī)抬吊，主吊機(jī)為320 t履帶吊，副吊機(jī)為150 t履帶吊，共設(shè)8個吊點(diǎn)，其中橫向吊點(diǎn)2排，縱向吊點(diǎn)4排。整體吊裝過程為雙機(jī)水平起吊離開地面50 cm，觀察無異常后主吊機(jī)提升，副吊機(jī)向主吊機(jī)靠近完成空中豎直，此時(shí)解開副吊機(jī)吊繩，由主吊機(jī)水平搬運(yùn)至孔口下放。

以E單元前墻V形鋼筋籠為例計(jì)算橫向吊點(diǎn)，如圖6所示以外角點(diǎn)為原點(diǎn)建立x-y坐標(biāo)軸。

假設(shè)截面均質(zhì)，根據(jù)組合截面形心計(jì)算方法可求出重心坐標(biāo)x=2 340 mm，y=990 mm。然后計(jì)算截面對形心主慣性軸x1-y1的慣性矩和慣性積，可求出主慣性軸y1與原坐標(biāo)軸x的夾角為73°，形心主慣性軸的橫軸與鋼筋籠兩側(cè)中線交點(diǎn)為吊點(diǎn)位置[14]。圖中a、d為籠頂?shù)觞c(diǎn)位置，b、c為另外3排

圖6 V形鋼筋籠吊點(diǎn)計(jì)算槽

吊點(diǎn)位置，其縱向間距根據(jù)彎矩平衡定理確定。4排吊點(diǎn)將長度為33 m的鋼筋籠分為5段，經(jīng)計(jì)算每段長度自上而下分別為3.15 m、8.90 m、8.90 m、8.90 m、3.15 m。

實(shí)際吊裝過程中籠頂?shù)牡觞c(diǎn)位置，需同時(shí)考慮水平和垂直起吊兩種工況，應(yīng)設(shè)置在地連墻頂1 m位置的第一道水平鋼筋處[15]。實(shí)際鋼筋籠上密下疏，同時(shí)吊裝過程中重心也會向籠頂方向移動，故吊點(diǎn)位置應(yīng)偏向籠頂調(diào)整?？v向吊點(diǎn)分段長度分別調(diào)整為自上而下1 m、10 m、10 m、10 m、2 m。

3.5 格構(gòu)單元整體澆筑技術(shù)

格構(gòu)單元平面面積為17 m2，計(jì)算方量561 m3，每輛混凝土罐車運(yùn)輸方量為8 m3，考慮充盈系數(shù)，總車次超過70車。采用7套導(dǎo)管同步澆筑，前后墻槽段各設(shè)置3套導(dǎo)管，中隔墻槽段設(shè)置1套導(dǎo)管，導(dǎo)管布置方式見圖7。受槽段周邊場地限制，孔口只能容納5輛罐車到導(dǎo)管前直接卸料，另外2根導(dǎo)管配合2臺臨時(shí)租用的49 m天泵布料。直接卸料的導(dǎo)管采用專用起落架固定和拆除，天泵對應(yīng)的2根導(dǎo)管用簡易支架配合既有的2臺履帶吊固定和拆除。

圖7 格構(gòu)單元導(dǎo)管布置(單位：mm)

現(xiàn)場投入40輛罐車，以8輛車為1組與導(dǎo)管對應(yīng)編碼(中隔墻導(dǎo)管2輛，其余導(dǎo)管每套1輛)。根據(jù)場地條件，澆筑時(shí)1次進(jìn)場3組，第1組車輛按編碼就位，另外2組有序排隊(duì)等待，前一組澆筑完成離場，后一組按對應(yīng)編碼有序就位，如此循環(huán)澆筑，分9組澆筑完成。

由于7套導(dǎo)管并非均勻布置，必須采用不同澆筑速度保證混凝土面同步上升，防止?jié)仓r(shí)導(dǎo)管間混凝土面高差過大，造成地連墻夾泥、剛性接頭在壓力差的作用下產(chǎn)生變形?；炷撩鏄?biāo)高以測量為主，輔以計(jì)算復(fù)核，根據(jù)高差動態(tài)調(diào)整卸料速度，保持高差在0.5 m以下，整體上升速度在3～5 m/h。

為確保安全，澆筑前在中隔墻的導(dǎo)墻上設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在每一組罐車離場、后一組就位之前檢測導(dǎo)墻的位移和沉降。

4 施工效果分析

南岸格構(gòu)式地連墻目前已施工完成并檢測合格，可從工期、成本、施工質(zhì)量方面與傳統(tǒng)工藝作對比分析。

工期方面，若采用傳統(tǒng)工藝，1個T形地連墻成槽2 d，吊放鋼筋籠和接頭箱、回填接頭箱后背1 d，清孔和澆筑混凝土1 d，頂拔接頭箱1 d，共需5 d。1個中隔墻施工算上刷壁時(shí)間需要2 d，吊裝作業(yè)和澆筑混凝土?xí)r機(jī)械干擾無法交叉作業(yè)，考慮清孔時(shí)成槽作業(yè)可同時(shí)進(jìn)行，則1個格構(gòu)單元需10 d施工完成。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，采用改進(jìn)工藝整體施工，成槽4 d，吊裝前清孔和吊裝1 d，第2次清孔和澆筑混凝土1 d，實(shí)際施工時(shí)間為6 d，相比傳統(tǒng)工藝縮短了4 d。

成本方面，改進(jìn)工藝節(jié)省了接頭箱和刷壁器材料，節(jié)省了吊放與頂拔接頭箱、處理接頭箱后背的人機(jī)費(fèi)用，而節(jié)約工期也相應(yīng)節(jié)約了人機(jī)費(fèi)用。唯一增加的費(fèi)用為鋪設(shè)機(jī)械行走區(qū)域鋼板的費(fèi)用，而鋼板為現(xiàn)場既有周轉(zhuǎn)材料，只考慮鋪設(shè)費(fèi)用，由此可見，改進(jìn)工藝可以節(jié)約成本。

施工質(zhì)量方面，格構(gòu)式地連墻對剛性接頭施工質(zhì)量要求較高，傳統(tǒng)工藝雖已較為成熟，但施工過程中增加了吊放頂拔接頭箱、鋼板刷壁等工序，對操作人員的能力、經(jīng)驗(yàn)等要求較高，會增加質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)工藝為格構(gòu)單元1次澆筑完成，剛性接頭處無施工縫形成整體，且施工簡便，容易保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

格構(gòu)式地連墻由于占地少，近年來頻繁用于無支撐的深大基坑的支擋結(jié)構(gòu)，但其施工方法較為單一，施工難度大、耗時(shí)長、成本高。魚珠隧道首次采用3幅地連墻整體成槽澆筑的改進(jìn)工藝，輔以系統(tǒng)性的關(guān)鍵技術(shù)對格構(gòu)式地連墻成槽、剛性接頭、鋼筋籠吊裝、混凝土澆筑等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和優(yōu)化，有效解決了施工難題。實(shí)踐表明，格構(gòu)單元整體澆筑技術(shù)相對于使用接頭箱和刷壁的傳統(tǒng)工藝，在工期、成本和施工質(zhì)量方面均有較大優(yōu)勢。