軟土-花崗巖地層地下連續(xù)墻施工工藝研究

袁習(xí)奎，萬(wàn)魁元，任 輝，劉飛飛

（1.廣東長(zhǎng)正建設(shè)有限公司，廣東 珠海 519000；2.珠海市軌道交通有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，結(jié)構(gòu)變形較小，且同時(shí)可作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)，在明挖基坑已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。地下連續(xù)墻是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中的重要步驟。目前，地下連續(xù)墻施工常用設(shè)備主要有傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(jī)(大多需鉆機(jī)配合)和新興的雙輪銑槽機(jī)。傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(jī)在入巖段無(wú)法獨(dú)自成槽，大多需要鉆機(jī)配合施工[1]。在地下連續(xù)墻成槽施工過(guò)程中，許多學(xué)者提出了不同的成槽施工工藝。宗春華[2]通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬巖層內(nèi)地下連續(xù)墻成槽工藝的比選，總結(jié)出潛孔錘+銑槽機(jī)組合施工工藝可滿足堅(jiān)硬巖層內(nèi)的地下連續(xù)墻成槽施工。鄒俊峰等[3]通過(guò)硬巖地下連續(xù)墻施工實(shí)踐，總結(jié)出潛孔錘跟管咬合引孔成槽施工技術(shù)，其成槽速度快，成槽質(zhì)量好。劉鋼立等[4]通過(guò)比較4 種適合深厚淤泥覆蓋下高強(qiáng)度硬巖復(fù)雜地質(zhì)條件的施工方案，總結(jié)出在巖石地層中采用旋挖鉆機(jī)成孔方案較為適宜。除此之外，針對(duì)不同地層中地下連續(xù)墻的成槽施工工藝，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者結(jié)合工程地質(zhì)分布情況，提出了不同的地下連續(xù)墻成槽施工工藝[5-9]，都在實(shí)際工程中取得了良好的應(yīng)用效果。

珠海隧道東岸工作井及掛錠角以西明挖段場(chǎng)地東側(cè)為掛錠角山體，西側(cè)為磨刀門(mén)水道。上部主要為流塑態(tài)淤泥層；下部主要為堅(jiān)硬花崗巖層，最大強(qiáng)度達(dá)到151 MPa，巖面走向由東向西逐漸降低。本文以珠海隧道東岸工作井及掛錠角以西明挖段地下連續(xù)墻施工為背景，針對(duì)臨山臨海區(qū)域內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)條件下地下連續(xù)墻成槽施工工藝機(jī)械設(shè)備組合進(jìn)行比選。選擇一套適合軟土-花崗巖地層中的成槽機(jī)械設(shè)備，在保證施工效率的同時(shí)提高施工經(jīng)濟(jì)效益，是本工程的一大技術(shù)難點(diǎn)。

1 工程概況

珠海隧道東岸工作井及掛錠角西側(cè)明挖段位于珠海市珠海大橋南側(cè)、掛錠角山體西側(cè)，臨近磨刀門(mén)水道。東岸工作井基坑長(zhǎng)20 m、深25.740 m；明挖段全長(zhǎng)147 m，基坑深18.18～22.036 m。東岸工作井及明挖段DA01～DA03 節(jié)段采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式（見(jiàn)圖1），其中東岸工作井采用厚1.2 m 地下連續(xù)墻，DA01～DA03 節(jié)段采用厚1.0 m 地下連續(xù)墻，共計(jì)50 幅，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)主要參數(shù)表

圖1 地下連續(xù)墻斷面圖（單位：mm）

2 工程及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

場(chǎng)地屬海陸交互相沉積地貌區(qū)，上部以第四系填土、沖海積淤泥、細(xì)中砂及含碎石粗砂為主，中部以花崗巖殘積土為主，下部基巖為花崗巖。主要地層有①-1素填土、①-2雜填土、①-4填砂、②-1淤泥、②-5細(xì)中砂、③-3含碎石粗砂、⑤-3礫砂、⑥-1全風(fēng)化花崗巖、⑥-2-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑥-3-1中風(fēng)化花崗巖、⑥-3-2中風(fēng)化花崗巖、⑥-4微風(fēng)化花崗巖。

2.2 水文地質(zhì)

場(chǎng)地地下水類(lèi)型屬潛水，根據(jù)其賦存方式分為：（1）第四系土層孔隙潛水；（2）第四系松散巖類(lèi)孔隙承壓水；（3）基巖裂隙承壓水。承壓水主要賦存于②-5細(xì)中砂、③-3含碎石粗砂層中，測(cè)得承壓水位標(biāo)高為0.26～0.34 m（設(shè)計(jì)文件中建議承壓水水位標(biāo)高均按0.5 m 考慮）。

3 施工工藝及存在問(wèn)題

3.1 成槽機(jī)+沖擊鉆

3.1.1 施工工藝

采取常規(guī)“成槽機(jī)+沖擊鉆”的組合進(jìn)行地下連續(xù)墻的成槽。單幅槽段配備1 臺(tái)成槽機(jī)+2 臺(tái)沖擊鉆。

主要施工工藝：采用成槽機(jī)抓取上部的素填土、雜填土、淤泥層、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層；然后采用沖擊鉆對(duì)下部中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖層沖擊成孔。

單幅槽段布置9 個(gè)引孔，主孔間距0.75 m；主孔采用沖擊鉆機(jī)沖擊成孔，先施工1#、3#、5#、7#、9#孔，再施工2#、4#、6#、8# 孔；主孔施工完成后，采用方錘修整。

“成槽機(jī)+沖擊鉆”施工工藝下，地下連續(xù)墻主副孔布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 “成槽機(jī)+沖擊鉆”施工工藝下的地下連續(xù)墻主副孔布置圖（單位：mm）

3.1.2 存在問(wèn)題

（1）進(jìn)入中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖層后，因基巖強(qiáng)度較高，致使錘頭磨損較大（見(jiàn)圖3），錘頭下部截面因磨損變小，易卡于基巖內(nèi)，錘頭上提困難，從而造成卡鉆情況。

圖3 錘頭磨損

（2）槽段內(nèi)基巖起伏較大，且局部基巖存在裂隙，進(jìn)入基巖后，成孔過(guò)程中易出現(xiàn)嚴(yán)重偏孔現(xiàn)象。此時(shí)需反復(fù)回填片石，而回填片石與原有基巖強(qiáng)度分布不均，會(huì)造成二次偏孔。特別是W2 槽段，回填片石后出現(xiàn)了二次偏孔，且無(wú)法修復(fù)。

（3）錘頭受到磨損后，需反復(fù)提升進(jìn)行補(bǔ)焊或更換新的錘牙。根據(jù)W2、W6、W8 槽段施工情況統(tǒng)計(jì)，平均每沖孔45 min 就需進(jìn)行錘牙補(bǔ)焊或更換新的錘牙（見(jiàn)圖4）。修復(fù)錘牙要消耗大量時(shí)間，造成施工進(jìn)度緩慢。

圖4 錘牙修復(fù)

3.2 旋挖鉆+沖擊鉆

3.2.1 施工工藝

單幅槽段配備1 臺(tái)TR360 型旋挖鉆機(jī)+2 臺(tái)沖擊鉆機(jī)配方錘進(jìn)行成槽施工，其中2 臺(tái)沖擊鉆機(jī)共同抬吊方錘。

單幅槽段布置6 個(gè)引孔，主孔間距1.2 m；引孔采用旋挖鉆施工，引孔施工完成后，施工至入巖段后采用方錘修整。

“旋挖鉆+沖擊鉆”施工工藝下，地下連續(xù)墻主副孔布置圖見(jiàn)圖5。

圖5 “旋挖鉆+沖擊鉆”施工工藝下的地下連續(xù)墻主副孔布置圖（單位：mm）

3.2.2 存在問(wèn)題

（1）方錘重17 t，需2 臺(tái)沖擊鉆機(jī)同時(shí)抬吊進(jìn)行副孔修整。施工過(guò)程中，同步協(xié)調(diào)困難，對(duì)施工作業(yè)人員要求較高。

（2）基巖強(qiáng)度較高，方錘錘頭磨損較大，且錘牙變形嚴(yán)重（見(jiàn)圖6）。

圖6 方錘損壞變形

3.3 潛孔錘+沖擊鉆

3.3.1 施工工藝

潛孔錘（見(jiàn)圖7）原理是靠自身的配氣系統(tǒng)使壓縮空氣交替進(jìn)入活塞(沖錘)的前后氣室，使活塞連續(xù)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，沖擊錘頭尾部，利用錘頭下端的硬質(zhì)合金球齒破碎巖石。

圖7 潛孔錘

單幅槽段配備1 臺(tái)潛孔錘+2 臺(tái)沖擊鉆機(jī)配方錘進(jìn)行成槽施工，其中2 臺(tái)沖擊鉆機(jī)共同抬吊方錘。

施工工藝同“旋挖鉆+沖擊鉆”，采用潛孔錘進(jìn)行主孔成孔施工。在潛孔錘成孔施工作業(yè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)潛孔錘能有效破碎中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖，平均進(jìn)尺速度為2 m/min，實(shí)際成孔工效較旋挖鉆機(jī)成孔有明顯效果。

3.3.2 存在問(wèn)題

（1）場(chǎng)地內(nèi)地下水較豐富，潛孔錘無(wú)法滿足有水區(qū)域內(nèi)的成孔施工。當(dāng)空壓機(jī)停止供氣后，孔內(nèi)水易回灌至潛孔錘活塞缸體內(nèi)，造成潛孔錘鉆頭缸體的損壞。

（2）潛孔錘無(wú)導(dǎo)向桿，施工過(guò)程中無(wú)法定位，鉆桿擺臂嚴(yán)重，易造成偏孔情況。

（3）潛孔錘鉆頭不適用于地質(zhì)不均地層。當(dāng)潛孔錘鉆頭受力不均后，易發(fā)生偏孔，嚴(yán)重時(shí)易發(fā)生鉆頭破損。

（4）潛孔錘施工過(guò)程中，施工噪音較大，且在成孔過(guò)程中，孔內(nèi)的泥漿及破碎的碎石隨著孔壁噴濺至地面，現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工程度較差（見(jiàn)圖8）。

圖8 潛孔錘成孔施工現(xiàn)場(chǎng)

3.4 旋挖鉆+雙輪銑

3.4.1 施工工藝

單幅槽段布置5 個(gè)引孔，主孔間距1.5 m；引孔采用旋挖鉆（金泰SH32A）施工，引孔施工完成后，施工至入巖段后采用雙輪銑（金泰SX40A 和土力SC-130）施工，雙輪銑的寬度均為2.8 m，1 幅槽段分3 刀，先兩邊后中間。

“旋挖鉆+雙輪銑”施工工藝下，地下連續(xù)墻主副孔布置圖見(jiàn)圖9。

3.4.2 存在問(wèn)題

雙輪銑進(jìn)入基巖后，通過(guò)施工槽段的統(tǒng)計(jì)，平均單幅槽段每隔45 min 就需要檢查雙輪銑截齒磨損情況，檢查發(fā)現(xiàn)大量截齒磨損嚴(yán)重（見(jiàn)圖10），需頻繁更換截齒，造成施工工效降低。對(duì)地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中雙輪銑截齒的統(tǒng)計(jì)表明，單幅地下連續(xù)墻成槽平均消耗截齒1 200 副，單幅地下連續(xù)成槽最高消耗截齒2 700 副，造成施工成本增加。

圖10 雙輪銑截齒磨損

4 成槽施工工藝比較

4.1 成槽工效

4.1.1 成槽機(jī)+沖擊鉆

統(tǒng)計(jì)前期施工的W2、W6、W8、DA01-08、DA01-10、DA02-02、DA02-07、DA03-08 槽段的成槽周期，結(jié)果見(jiàn)表2。其中W2 槽段偏孔嚴(yán)重，無(wú)法成槽；其他7 個(gè)槽段的成槽周期平均達(dá)48.6 d，成槽周期較長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，采用“成槽機(jī)+沖擊鉆”施工工藝時(shí)，地下連續(xù)墻施工無(wú)法滿足工期要求，且無(wú)法保證成槽質(zhì)量要求。

4.1.2 旋挖鉆+沖擊鉆

旋挖鉆主孔引孔完成后，采取方錘修整副孔，在副孔未修整完成前，方錘錘牙變形嚴(yán)重，故無(wú)法統(tǒng)計(jì)單幅槽段成槽時(shí)間。

4.1.3 潛孔錘+沖擊鉆

潛孔錘無(wú)法滿足有水地層中的成孔施工。

4.1.4 旋挖鉆+雙輪銑

對(duì)調(diào)整施工工藝為“旋挖鉆+雙輪銑”的8 幅槽段成槽周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，采用該施工工藝時(shí)的平均成槽周期為11.9 d。

表3 后期地下連續(xù)墻施工統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)施工工期的比較可見(jiàn)，4 種成槽施工工藝中，“旋挖鉆+雙輪銑”成槽施工工藝滿足在軟土-花崗巖地層中的成槽要求。

4.2 硬巖及斜巖處理措施

（1）在成槽施工工藝選擇時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘（見(jiàn)圖11），在原有墻位探明地層的分布與巖層的走向，以便為合理進(jìn)行地下連續(xù)墻成槽設(shè)備選型提供依據(jù)。

圖11 地質(zhì)補(bǔ)勘

（2）處理硬巖和斜巖時(shí)，采用旋挖鉆配撈砂鉆對(duì)上部巖層進(jìn)行切削。當(dāng)鉆至中風(fēng)化花崗巖層時(shí)，將旋挖鉆鉆頭更換為牙輪鉆頭（見(jiàn)圖12）正常鉆進(jìn)。牙輪鉆頭能有效切削強(qiáng)度較高的巖層（見(jiàn)圖13）。

圖12 牙輪鉆頭

圖13 旋挖鉆取出芯樣

5 結(jié)語(yǔ)

（1）地下連續(xù)墻施工前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)補(bǔ)勘，探明地層分布情況和基巖強(qiáng)度，以便為地下連續(xù)墻成槽施工提供設(shè)備選型依據(jù)。

（2）潛孔錘對(duì)硬巖有良好的破碎效果，但不適用于有地下水地質(zhì)條件或泥漿護(hù)壁條件下的成孔。若地下水較豐富或采用泥漿護(hù)壁成孔，則潛孔錘需配合全跟進(jìn)套管或全轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行成孔施工。采用潛孔錘成孔施工時(shí)，對(duì)于斜巖面，依然需要旋挖鉆機(jī)配合。在潛孔錘施工過(guò)程中，應(yīng)注意施工時(shí)間，避免因噪音污染影響連續(xù)施工，同時(shí)需要注意現(xiàn)場(chǎng)的安全文明施工。

（3）在基巖較厚且強(qiáng)度較高的地下連續(xù)墻施工中，應(yīng)充分利用工作面，多點(diǎn)展開(kāi)施工作業(yè)，同時(shí)需考慮鋼筋籠制作，做好工序銜接，以保證施工進(jìn)度。

（4）雙輪銑在進(jìn)入中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖巖層中施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)旋挖鉆機(jī)取出的芯樣和雙輪銑截齒損耗情況，合理選擇雙輪銑截齒；特別是針對(duì)基巖芯樣完整地層，應(yīng)選用強(qiáng)度更高的截齒，以減少截齒的損耗，節(jié)約施工成本。

（5）對(duì)比4 種地下連續(xù)墻成槽施工工藝后發(fā)現(xiàn)，采用“旋挖鉆+雙輪銑”施工工藝適用于軟土-花崗巖地質(zhì)條件下的地下連續(xù)墻成槽施工，其施工效率較高，同時(shí)可保證地下連續(xù)墻的成槽質(zhì)量。