富水深厚軟土地層超深地下連續(xù)墻施工關(guān)鍵技術(shù)

汪良軍，王松茂，楊 超

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概述

隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展步伐加快，地下空間(基坑、隧道等)的開發(fā)正向大規(guī)模、大深度方向發(fā)展，尤其在長三角、珠三角等典型軟土分布廣泛地區(qū)，受限于軟土地層高含水率、高壓縮性、抗剪強度低、自穩(wěn)性差等特性，其地下連續(xù)墻設(shè)計成槽深度往往超過40 m，最深達150 m[1]。

韓江榕江練江水系連通后續(xù)優(yōu)化工程GX14#工作井地下連續(xù)墻設(shè)計成槽深度為88.5 m，刷新了廣東省水利防滲墻施工記錄，針對富水深厚軟土地層超深地下連續(xù)墻施工設(shè)備選型、成槽工藝、護壁泥漿性能、垂直度控制、超長鋼筋籠分節(jié)連接、銑削接頭處理、水下砼配合比設(shè)計及澆筑等關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)研究，歸納總結(jié)成果，為今后同類工程施工提供參考，助推區(qū)域工程建設(shè)高質(zhì)量快速發(fā)展[2]。

2 工程概況

韓江榕江練江水系連通后續(xù)優(yōu)化工程GX13#～GX16#工作井分布于榕江南岸，以沖積平原地貌為主，零星分布殘丘，總體上地形平坦。該段區(qū)間為單線Φ6 600盾構(gòu)隧洞長約4.57 km，沿線布置GX13#、GX16#兩座永久工作井和GX14#、GX15#兩座臨時工作井。其中GX14#工作井圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻成槽深度達88.5 m，為工程全線最深，兼顧盾構(gòu)始發(fā)及接收功能。工作井為外徑24 m圓形豎井，開挖深度為38.5 m，采用地下連續(xù)墻+砼內(nèi)襯墻支護方案，地下連續(xù)墻厚1 m，Ⅰ序槽段長6.868 m，采用三銑成槽，Ⅱ序槽段長2.8 m，采用一銑成槽，槽段連接采用銑削接頭，其套銑長度為307 mm。槽段劃分及銑削接頭大樣見圖1。

圖1 地下連續(xù)墻槽段劃分及銑削接頭大樣示意

根據(jù)鉆孔揭露，地下連續(xù)墻穿越地層以淤泥質(zhì)土、中粗砂和黏性土為主，淤泥質(zhì)土壓縮性高、自穩(wěn)能力差；砂層透水性好、水量豐富；黏性土土質(zhì)較均勻、可塑狀為主、局部硬塑；下覆基巖為花崗巖，埋深達82.4～89.7 m。工程區(qū)域地下水類型主要為第四系松散沉積物孔隙性潛水，潛水水位埋藏較淺，一般為0.5～2.5 m；下部砂層為主要含水層，微承壓，與榕江連通，水位與江水相近。

3 施工重難點分析

GX14#工作井地下連續(xù)墻成槽深度大，軟土透水地層厚，基坑開挖深度達38.5 m，為保證豎井開挖襯砌、盾構(gòu)掘進施工，地下連續(xù)墻的垂直度、墻體質(zhì)量、防滲效果成為施工控制的重點。本工程地下連續(xù)墻施工主要解決如下技術(shù)難題。

1)墻體0～30 m范圍主要地層為流塑～軟塑狀淤泥質(zhì)土、可塑狀黏性土，30～88.5 m范圍主要地層為中密～密實狀中粗砂、可塑～硬塑狀黏性土、全～強風化巖層，上、下地層特性差異大，需選擇合適的成槽設(shè)備和工藝，以適應(yīng)不同地層，加快成槽工效。

2)為控制墻體不侵入二襯結(jié)構(gòu)線內(nèi)，避免相鄰槽段墻身傾斜錯位過大導致滲漏等問題，墻體垂直度要求高(不大于1/450)，需采取可靠措施保證成槽垂直度滿足要求。

3)墻體穿越強透水性中粗砂層厚度大，地下水位高，基坑開挖滲漏風險大，必須保證槽段接頭防滲質(zhì)量，選擇合適的接頭形式和接縫清洗工藝至關(guān)重要。

4)地下連續(xù)墻鋼筋籠長88 m，重約69 t，分2節(jié)吊裝，需選擇合適的接籠工藝，保證鋼筋連接質(zhì)量，提高鋼筋籠安裝效率。

5)Ⅰ序槽段水下混凝土澆筑設(shè)計方量達598.9 m3以上，澆筑深度達88.5 m，水下混凝土的性能和澆筑方法的可靠性是保證墻體質(zhì)量的關(guān)鍵。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)備選型與成槽工藝

1)設(shè)備選型分析

成槽是地下連續(xù)墻施工關(guān)鍵工序，其持續(xù)時間占到槽段施工時間一半以上，成槽設(shè)備選型至關(guān)重要，常用設(shè)備有沖擊式鉆機、旋挖鉆機、液壓抓斗、雙輪銑槽機等，主要從地層特性、成槽深度、垂直度控制、套銑接頭、成槽工效和質(zhì)量等方面綜合考慮，選擇最適用的施工設(shè)備[3]，設(shè)備選型分析見表1。

表1 成槽設(shè)備選型分析

2)成槽工藝

本工作井地下連續(xù)墻要求嵌入井底(開挖面以下)地層和全風化層總深度≥7.5 m，且嵌入全風化層≥3.5 m，根據(jù)表1分析結(jié)果，成槽施工采用“抓銑結(jié)合”工藝，上部淤泥質(zhì)土、黏性土等軟土層采用液壓抓斗施工，成槽速度快，工效高；下部密實中粗砂層、全風化巖層以及接頭套銑砼等部位，采用雙輪銑槽機施工，地層擾動較小，垂直度控制精度高，成槽質(zhì)量好[5]。

3)工效分析

Ⅰ序槽段長6.868 m，三銑成槽，第1刀及第2刀上部采用液壓抓斗施工，下部采用雙輪銑槽機施工，中間第3刀從上至下均采用雙輪銑槽機施工。Ⅱ序槽段長2.8 m，一銑成槽，雙輪銑槽機從上至下銑削土體及套銑接頭處砼。GX14#工作井地下連續(xù)墻成槽施工工效分析見表2。

從表2數(shù)據(jù)分析，Ⅰ序槽液壓抓斗單刀(2.8 m)挖槽平均速度為6.03 m/h，雙輪銑槽機單刀(2.8 m)銑槽平均速度為4.01 m/h，完成一幅Ⅰ序槽段(3刀)平均用時為55 h；Ⅱ序槽銑槽和套銑平均速度為2.23 m/h，完成一幅Ⅱ序槽段(1刀)平均用時為39.9 h。由此得知，Ⅰ序槽采用“抓銑結(jié)合”工藝能夠顯著提高成槽速度。

4.2 護壁泥漿性能

護壁泥漿性能控制是成槽質(zhì)量的關(guān)鍵，它關(guān)系著槽壁穩(wěn)定、成槽速度、砼澆筑質(zhì)量、銑齒磨損等。針對本工作井地層特性，采用新型復合納基膨潤土泥漿，配比見表3，主要優(yōu)點有：

表3 新型復合納基膨潤土泥漿配比

1)含聚合物分子作用，土粒、砂粒更容易被聚合物吸附成大顆粒，加快其沉淀，有利于泥漿凈化。

2)化學性能穩(wěn)定，微小顆粒懸浮能力強，利于反循環(huán)吸出槽段進行處理，能有效減少槽底沉渣。

3)密度低，新配泥漿比重為1.03～1.06 g/cm3，與混凝土的密度差大，水下混凝土澆筑過程中利于混凝土在槽內(nèi)擴散，保證墻體質(zhì)量。

槽內(nèi)混凝土充盈系數(shù)(≥1.0)大小直接體現(xiàn)護壁泥漿性能的優(yōu)劣，充盈系數(shù)接近1.0，說明槽壁穩(wěn)定，坍塌量少，泥漿護壁效果好，反之則不然。經(jīng)統(tǒng)計，GX14#工作井地下連續(xù)墻混凝土充盈系數(shù)在1.000～1.032之間，平均值為1.023，取得了很好的泥漿護壁效果。

4.3 槽壁垂直度控制

成槽垂直度是超深地下連續(xù)墻施工質(zhì)量的控制要點，垂直度偏差過大會導致鋼筋籠下放刮碰槽壁引起坍塌、墻身侵入內(nèi)襯結(jié)構(gòu)線、相鄰槽段墻身接頭錯位引起滲漏等問題，影響墻體質(zhì)量和后續(xù)豎井開挖及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工，主要采取如下控制措施。

1)開槽定位控制

① 刀架校核：設(shè)備組裝完成后，使用全站儀校核刀架垂直度。

② 刀位測放：按設(shè)計槽段長度劃分刀位，準確測放刀位線，在導墻頂做好標記和編號。

③ 定位開槽：設(shè)備就位后調(diào)整刀架姿態(tài)，兩端刀位線處各設(shè)置一根橫跨導墻的移動式導向界限桿，緩慢下放刀架入槽，慢速銑削，待刀架入槽深度滿足糾偏系統(tǒng)使用時，采用正常速度銑削，確保開槽精準定位。

2)銑進速度及垂直度動態(tài)管理

① 本工作井地下連續(xù)墻平均抓槽深度約為45 m，銑槽深度約為43.5 m，成槽施工過程中，密切關(guān)注地層的變化，臨近密實中粗砂層、巖層時，及時調(diào)整刀架姿態(tài)和銑輪轉(zhuǎn)速，防止刀架抖動過大，影響成槽垂直度。在抓銑結(jié)合和巖面起伏部位銑進時，均應(yīng)慢速銑削，并根據(jù)刀架抖動幅度，及時調(diào)整銑削速度。軟土地層中常用銑輪轉(zhuǎn)速見表4。

表4 軟土地基中常用銑輪轉(zhuǎn)速

② 成槽施工過程中對槽壁垂直度進行動態(tài)管理，做到隨偏隨糾。利用超聲成孔檢測儀每隔5～10 m槽深進行一次垂直度檢測，將其與成槽設(shè)備測斜儀測量成果進行對比，及時作出糾偏響應(yīng)，使槽壁垂直度始終處于可控狀態(tài)。成槽設(shè)備測斜儀檢測結(jié)果與超聲成孔檢測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 成槽設(shè)備測斜儀檢測結(jié)果示意

圖3 超聲成孔檢測結(jié)果示意

3)Ⅱ序槽開槽位預處理[6]

地下連續(xù)墻施工分兩序跳槽施工，先施工Ⅰ序槽，后施工Ⅱ序槽，Ⅱ序槽開槽銑進時，由于兩端Ⅰ序槽砼齡期不同存在強度差異，且兩幅槽墻身砼頂高程有偏差，左、右銑輪傳動油壓差異較大，極易引起刀架偏位，影響成槽垂直度控制。為解決Ⅱ序槽開槽偏位的問題，在Ⅰ序槽澆筑砼時，在槽段兩端下設(shè)接頭插板，準確預留Ⅱ序槽開槽位。接頭插板長5 m，寬1.0 m，內(nèi)側(cè)厚0.35 m，外側(cè)厚0.17 m，采用厚度為12 mm的鋼板拼裝焊接而成，接頭插板結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 接頭插板結(jié)構(gòu)示意

本工作井16幅地下連續(xù)墻槽壁垂直度實測值在1/909～1/560之間，平均值為1/683，滿足設(shè)計要求。

4.4 鋼筋籠分節(jié)吊裝快速接籠技術(shù)

1)本工作井地下連續(xù)墻鋼筋籠最大外型尺寸為長88 m×寬5.768 m×高0.85 m，籠重約69 t，一次整體吊裝施工難度大、安全風險高，分兩節(jié)制作安裝[7]，鋼筋籠主筋連接是吊裝施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)方法有焊接法、直螺紋套筒連接法等。采用焊接法作業(yè)時間長，槽壁有坍塌的風險，且立焊質(zhì)量較難保證；采用直螺紋套筒連接法施工時，鋼筋端頭螺紋出露1/2套筒長度，削弱了駁接區(qū)域鋼筋的連接強度，部分主筋上下端頭存在軸線偏差，易造成鋼筋無法對接[8]。

2)為解決上述連接方法的不足，研制了一種自鎖直螺紋套筒連接結(jié)構(gòu)(見圖5)，能夠達到鋼筋籠快速裝配對接，保證對接質(zhì)量，其組成包括連接內(nèi)套Ⅰ、連接內(nèi)套Ⅱ、連接外套以及固定螺母，連接內(nèi)套內(nèi)、外側(cè)及連接外套內(nèi)側(cè)均設(shè)有螺紋，連接外套將縱向筋兩端頭的連接內(nèi)套相連，承受各種荷載。固定螺母是用于防止連接外套松動而設(shè)置的固定件。

圖5 鋼筋自鎖直螺紋套筒連接件示意

3)自鎖直螺紋套筒連接方法：在上、下鋼筋籠主筋已滾軋好螺紋的一端，分別安裝連接內(nèi)套Ⅰ和連接內(nèi)套Ⅱ，并加以緊固，而后將固定螺母和連接外套先后旋入連接內(nèi)套Ⅱ；當連接外套旋入后端面與連接內(nèi)套Ⅱ旋入后端面齊平時，將兩個連接內(nèi)套的旋入后端面緊貼、對齊，再使用連接外套連接連接內(nèi)套Ⅰ，最后使用固定螺母鎖定，完成鋼筋連接操作。

4)鋼筋籠分節(jié)制作時，先將上、下籠駁接區(qū)域主筋使用自鎖直螺紋套筒連接鎖定，待籠成型制作完成后，將自鎖直螺紋套筒解鎖，而后再將固定螺母和連接外套先后旋入連接內(nèi)套Ⅱ，使得連接外套旋入后端面與連接內(nèi)套Ⅱ旋入后端面齊平或略高[9]。

5)本工作井地下連續(xù)墻鋼筋籠主筋對接全部采用自鎖直螺紋套筒連接，完成單根Ф32 mm鋼筋連接用時8 min，比焊接法節(jié)省用時22 min，完成一幅Ⅰ序槽鋼筋籠100個接頭的連接僅需2 h，大大縮短了對接時間，接頭質(zhì)量檢測全部合格，為盡快開倉澆筑水下砼創(chuàng)造了有利條件[10]。

4.5 銑削接頭處理

地下連續(xù)墻單元槽段接頭兼顧傳力及防滲作用，是地下連續(xù)墻的薄弱部位，目前接頭處理多采用刷壁器沿接縫處上下反復刷洗，以達到清理接縫夾泥的目的，但是存在刷壁質(zhì)量較差、效率低、工序繁瑣等不足，比較適用淺槽接縫的處理。對于本工程超深地下連續(xù)墻來說，由于豎井開挖深度大，接縫承受地下水壓高，采用這種方法處理存在較大的滲漏風險。

針對刷壁器工藝中的缺陷和本工程地下連續(xù)墻防滲要求，專門設(shè)計制作一種接頭沖洗裝置(見圖6)[11]。實施過程利用已有設(shè)備資源，槽底清理與刷壁兩工序同步進行，大大縮短了接縫清洗時間，對所有接頭形式的地下連續(xù)墻均適用，且施工槽深不受限制，最大限度降低了施工成本。

圖6 接頭沖洗裝置大樣圖及其安裝示意

通過多組試驗比對，當泵送壓力調(diào)整至0.8～1.0 MPa、流量為45～75 L/min的工況條件下，槽底泥漿性能參數(shù)指標接近最優(yōu)，接頭沖洗效果最佳，且形成的高壓水流對地下墻體本身不會產(chǎn)生負作用[11]。

工作井開挖后，地下連續(xù)墻16處接頭砼膠結(jié)良好，未出現(xiàn)夾泥、滲漏等情況(見圖7)，證明接頭沖洗處理工藝質(zhì)量可靠[12]。

圖7 連續(xù)墻鑿毛后接頭處砼膠結(jié)照片示意

4.6 水下砼配合比設(shè)計及澆筑

4.6.1水下砼配合比設(shè)計

1)砼性能要求

水下混凝土強度等級為C30W6，設(shè)計坍落度為180～220 mm，擴展度為500～550 mm，保坍時間要求3 h內(nèi)無坍落度及擴展度損失，初凝時間為8～10 h。要求流動性、黏聚性、保坍性、保水性、包裹性良好，無離析、無抓底。

2)原材料

采用P.O42.5R水泥；細骨料采用中砂(人工砂)，細度模數(shù)為2.7；粗骨料采用5～20 mm碎石；摻合料為F類Ⅱ級粉煤灰；減水劑采用GRT-HPC緩凝型聚羧酸高性能減水劑；拌合用水為市政自來水。

3)基準配合比設(shè)計

① 確定配制強度：根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》《水工混凝土試驗規(guī)程》進行配制強度計算。水下免振混凝土設(shè)計和普通混凝土不同，根據(jù)施工經(jīng)驗，考慮水下成型與空氣中成型試件抗壓強度差值，來保證混凝土的強度，混凝土的配制強度采用下式確定：

fcu，0=fcu，k+tσ+ΔR=30+1.645×4.5+5.0=42.4 MPa。

② 確定水膠比：根據(jù)設(shè)計、規(guī)范要求以及施工經(jīng)驗，初取水膠比為W/B=0.39。

③ 用水量初選：通過試配，取用水量mwo=220 kg。外加劑減水率為25%，則摻外加劑砼初取用水量mwo=217×(1-0.25)=163 kg。

④ 膠凝材料用量：mbo=mwo/W/B=163/0.39=418 kg；粉煤灰用量：摻量βf= 15%，則mfo=418×0.15=63 kg；水泥用量：mco=mbo-mfo=418-63=355 kg。

⑤ 減水劑用量：根據(jù)試驗和拌合物性能，選擇摻量為2.0%，mjo=418×0.020=8.36 kg。

⑥ 砂、石料用量：初選取砂率為βs=47.0%，含氣量選2.0%，按下列聯(lián)立方程式計算砂石用量：

Vs，g=1-(mwo/ρwo+mco/ρco+σ)；mso=Vs，g*βs*ρs；mgo=Vs，g*(1-βs)*ρg。

即：砂料mso=825 kg，石料mgo=945 kg。

每立方砼材料重量比的初步確定：水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑=355 kg∶163 kg∶825 kg∶945 kg∶63 kg∶8.36 kg=1∶0.46∶2.32∶2.66∶0.18∶0.024。

⑦ 按初步配合比，取25 L砼的材料用量進行試拌，經(jīng)測定，流動性、粘聚性、保水性良好，符合要求；經(jīng)試配后測定濕表觀密度為2 340 kg/m3，強度滿足要求，工作性能不需調(diào)整。

4.6.2水下砼澆筑控制要點

1)水下砼采用直升導管法澆筑，Ⅰ序槽布置兩根導管，導管間距不大于4 m，Ⅱ序槽布置1根導管，導管直徑為250 mm，考慮槽深較大，導管管節(jié)優(yōu)先選用法蘭盤接頭，其接頭抗拔和密封性能優(yōu)于快速接頭。

2)首幅地下連續(xù)墻水下砼澆筑前，按規(guī)范要求對導管進行水密性試驗，導管壁及接頭處不能出現(xiàn)滲漏。

3)開始灌注時，導管底端到孔底的距離宜為0.3～0.5 m；為保證導管底端一次性埋入水下混凝土的深度，打開混凝土儲料斗隔水栓的同時，加快砼罐車放料速度，增加首罐砼量，確保首罐混凝土能埋住導管底1 m以上。

4)混凝土供應(yīng)及灌注須連續(xù)進行，不得中斷。間歇時間一般控制在15 min內(nèi)，特殊情況下不得超過30 min。

5)混凝土灌注的上升速度按不小于2 m/h控制。隨著混凝土灌注面的上升，適時提升和拆卸導管，導管底端埋入混凝土面以下2～6 m。

6)在水下混凝土灌注過程中，設(shè)專人測量導管埋深，填寫好水下混凝土灌注記錄表，混凝土灌注高度超設(shè)計高度0.5 m以上。

4.6.3墻身澆筑質(zhì)量效果

1)墻體質(zhì)量檢測

按設(shè)計要求對GX14#工作井6幅地下連續(xù)墻墻身采用聲波透射法無損檢測，其中Ⅰ類墻5幅，占總檢測數(shù)的83.3%，Ⅱ類墻1幅，占總檢測數(shù)的16.7%，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

2)墻體外觀質(zhì)量

GX14#工作井已于2023年7月8日順利開挖至基底，經(jīng)現(xiàn)場查看，未出現(xiàn)墻體侵入內(nèi)襯結(jié)構(gòu)界限，所有接縫處砼膠結(jié)良好，未出現(xiàn)明顯錯臺，墻體和槽段接頭及建基面均未出現(xiàn)滲漏，外觀質(zhì)量良好(見圖8所示)。

圖8 基坑開挖后墻體照片示意

5 結(jié)語

韓江榕江練江水系連通后續(xù)優(yōu)化工程GX14#工作井超深地下連續(xù)墻施工已按要求安全順利完成，取得了滿意的效果，通過實踐，得出如下結(jié)論。

1)富水深厚軟土地層超深地下連續(xù)墻施工采用“抓銑結(jié)合“成槽工藝，并運用新型復合納基膨潤土泥漿護壁，成槽速度快，槽壁穩(wěn)定，成槽質(zhì)量好，上部地層抓槽深度宜控制在45 m左右。

2)通過Ⅰ序槽導向開槽，Ⅰ序槽砼澆筑預插Ⅱ序槽導向裝置，保證了槽段定位準確，成槽過程中采用超聲測斜儀每隔5～10 m槽深檢測槽壁垂直度，及時糾偏，確保了槽孔垂直度滿足要求。

3)超長鋼筋籠分兩節(jié)吊裝接籠，上、下節(jié)鋼筋籠主筋采用自鎖直螺紋套筒對接技術(shù)，接籠速度快，接頭質(zhì)量好。

4)槽段接頭采用銑削接頭，通過在銑輪刀架下端安裝高壓沖洗裝置，槽壁清洗速度快，效果好。

5)提出了超深地下連續(xù)墻水下混凝土施工配合比及澆筑控制要點，保證了墻體質(zhì)量。