趙煜成,楊新湘,劉 武
(湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410004)
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大傾角破碎巖層葫蘆形嵌巖地連墻施工關(guān)鍵技術(shù)研究
趙煜成,楊新湘,劉武
(湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司,湖南 長沙410004)
以杭瑞高速洞庭湖大橋錨碇地下連續(xù)墻施工為依托,研究了一套在大傾角破碎巖層施工的關(guān)鍵技術(shù),解決了在復(fù)雜地質(zhì)條件下成槽易出現(xiàn)的斜孔、垮孔問題,解決了成槽廢漿排放問題,實現(xiàn)了在保證施工質(zhì)量的前提下,提高效率、降低成本的研究目標,為類似復(fù)雜工程提供借鑒參考。
;橋梁;破碎巖層;葫蘆形地連墻;鑿銑法;廢水處理
地下連續(xù)墻于上個世紀90年代開始應(yīng)用于我國的橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中,主要用于懸索橋重力式錨碇基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)形式也從矩形結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)閳A形結(jié)構(gòu)。
杭瑞高速洞庭湖大橋項目率先使用“葫蘆型”地連墻新型結(jié)構(gòu)設(shè)計,在國內(nèi)尚屬首次,實施經(jīng)驗參考匱乏。
同時該項目地質(zhì)條件特殊,周邊環(huán)境復(fù)雜,精度要求高,工期緊,任務(wù)重。
因此,研究一套在復(fù)雜地質(zhì)情況下,提高成槽質(zhì)量、加快工程進度的方法勢在必行。
本文就該橋地連墻施工的關(guān)鍵工藝和實施成果進行介紹,為以后同類型項目施工提供經(jīng)驗和借鑒。
1.1設(shè)計概況
錨碇地連墻平面布置采用與錨體相匹配的葫蘆形,由2個半徑不相等的圓弧組成,小圓半徑為28 m,大圓半徑為32 m,墻厚1.2 m,中間設(shè)置一道隔墻,由隔墻將基礎(chǔ)分割成前、后倉兩大部分。地連墻墻頂標高+26.0 m,墻高26~35 m。
設(shè)計要求地連墻施工采用先進工藝,保證墻體平面誤差小于3 cm,垂直度允許最大偏差值不得大于1/400,盡量保證樁底沉淀層厚度不大于15 cm。
1.2施工條件
1.2.1地貌條件
岳陽側(cè)錨碇地連墻基礎(chǔ)位于岳陽市吉家湖社區(qū)內(nèi),與成魚湖相連,三面環(huán)水,周邊為居民區(qū)和巴陵石化動力事業(yè)部,環(huán)境復(fù)雜。
1.2.2地質(zhì)條件
根據(jù)地質(zhì)勘察資料成果,施工區(qū)域內(nèi)上覆土層為黏土,下伏基巖以砂質(zhì)板巖為主,夾泥質(zhì)板巖,厚度較大,強風(fēng)化上段巖體破碎,下端強度較高。如表1所示。
表1 地質(zhì)情況一覽表地質(zhì)類型厚度/m層頂標高/m抗壓強度/MPa地質(zhì)描述黏土0~9+29—硬塑,偶見石英碎石全風(fēng)化板巖4~14+29~+19.6—呈硬塑土狀,夾強風(fēng)化巖碎塊及石英碎石強風(fēng)化板巖14~24+23.1~+13.15~15.8砂質(zhì)板巖,質(zhì)軟,巖層陡立,存在小破碎帶,節(jié)理裂隙發(fā)育中風(fēng)化板巖—+5.5~-5.518.5~49.9砂質(zhì)板巖,巖質(zhì)較硬,裂隙發(fā)育
1.2.3水文條件
錨碇區(qū)地下水為基巖裂隙水,因上覆土層和全風(fēng)化巖層透水性較差,為相對隔水層,下伏基巖地下水具有承壓性。地下水與周邊江湖水的關(guān)系為向江湖排泄。
2.1重難點分析
結(jié)合本項目的特點,地連墻施工具有以下難點:
1) 施工區(qū)周邊居民區(qū)密集,工廠林立,拆遷協(xié)調(diào)難度大,具備施工條件時,距規(guī)定的地連墻完成時間節(jié)點僅5個月。而地連墻基礎(chǔ)采用葫蘆形新型結(jié)構(gòu),混凝土共11 000 m3,施工規(guī)模大,任務(wù)重,經(jīng)驗缺乏,要在短時間完成工作任務(wù),施工難度極大。
2) 施工區(qū)地質(zhì)條件特殊,巖層陡立,軟硬夾雜,破碎易塌,屬國內(nèi)罕見。由于巖層陡立,成槽設(shè)備在鉆進過程中,鉆頭由于受力不均易發(fā)生孔斜。同時由于破碎帶存在,全風(fēng)化巖層夾強風(fēng)碎塊,強風(fēng)化巖層上段巖體破碎夾泥巖。破碎帶受泥漿浸泡后,泥巖軟化。在鉆具成孔時,孔壁被泥漿沖刷使破碎帶形成空隙。受裂隙承壓水、鉆頭擾動等因素影響下,破碎巖塊沿傾斜面滑落,容易發(fā)生塌孔事故。而地連墻作為錨碇受力結(jié)構(gòu)的一部份,同時作為后續(xù)深基坑開挖的防滲支護結(jié)構(gòu),設(shè)計對施工質(zhì)量又有較高的要求,傳統(tǒng)施工工藝無法滿足施工需要。
3) 施工區(qū)域位于洞庭湖國家級自然保護區(qū),該區(qū)域水域內(nèi)有國家級重點野生保護動物。錨碇周邊還有大量居民的養(yǎng)殖水域。地連墻在施工過程中,不可避免地要產(chǎn)生大量工業(yè)廢水,例如廢棄泥漿。為保證基礎(chǔ)施工質(zhì)量和安全,成孔泥漿通常具備不分散、低固相、低密度、高粘度的特點。因此該類泥漿如不經(jīng)處理直接排放,將造成很大程度的環(huán)境破壞。如何對施工廢水進行生態(tài)化處理,同時最大程度的降低施工成本,也是研究的重點。
綜上所述,在大傾角破碎特殊地質(zhì)條件下,按時保質(zhì)保量,綠色環(huán)保地完成大規(guī)模地連墻施工屬于國際性難題。而研究解決偏孔、塌孔問題、環(huán)保問題,提高成孔效率、降低施工成本是重中之重。
2.2解決思路
1) 根據(jù)地連墻結(jié)構(gòu)形式、施工條件、設(shè)計要求,通過設(shè)備選型,確定適用性好、成孔效率高、質(zhì)量可控性強的地連墻施工專用設(shè)備液壓雙輪銑槽機作為主要施工設(shè)備;同時選用破巖工效較好的沖擊鉆機作為輔助施工設(shè)備。利用設(shè)備優(yōu)勢組合規(guī)避了傳統(tǒng)單一設(shè)備施工巖層適應(yīng)性差的問題。
2) 成槽施工前采用分級分段循環(huán)注漿工藝固化破碎巖層,并設(shè)置塑性錨樁支護受力較為復(fù)雜的“Y”型特殊槽段,防止垮孔。
3) 采用低固相不分散泥漿,防止成槽過程中垮孔并提高攜渣能力。選擇優(yōu)質(zhì)膨潤土進行造漿,進行泥漿配比試驗,選擇最優(yōu)配比。監(jiān)控泥漿指標變化對成孔效率及質(zhì)量的影響,制定出適用于本項目特殊地質(zhì)的泥漿指標。做到提高效率和保證質(zhì)量的雙贏。
4) 采用全封閉泥漿系統(tǒng),集中造漿,循環(huán)利用,三級凈化排渣,提高泥漿的利用率,在有限的施工場地內(nèi)做到減少施工成本,節(jié)能環(huán)保,綠色施工的高標準要求。
5) 采用廢水混凝沉降處理技術(shù),通過使用新型“復(fù)合型絮凝劑”及廢水處理成套設(shè)備,對施工廢漿進行脫穩(wěn),使其固、液分離,分離的上清液達到國家一類排放標準,或循環(huán)利用。分離出的固體可運輸至指定位置進行掩埋。
3.1分段分級循環(huán)注漿地質(zhì)加固技術(shù)
在施工前需對破碎嚴重的強、中風(fēng)化巖層采取高壓注漿預(yù)處理,以固結(jié)填充破碎帶,并封閉巖層裂隙。工藝流程見圖1。
圖1 循環(huán)注漿工藝流程圖
按水泥漿在巖石裂隙中擴散半徑1.5 m考慮,每個一期槽段兩側(cè)各布置2個灌漿孔,每個二期槽段兩側(cè)各布置1個灌漿孔。灌漿孔布置在兩側(cè)墻邊0.5~1.0 m左右位置。地質(zhì)處理灌漿孔布置見圖2。
圖2 循環(huán)注漿孔位布置圖(單位;cm)
3.1.1鉆孔
采用地質(zhì)鉆機進行鉆孔施工,選用金剛石鉆頭鉆孔,孔底深入中風(fēng)化層以下0.5 m。
覆蓋層和全風(fēng)化層的鉆進,采用泥漿護壁以防止垮孔。鉆至強風(fēng)化頂后下放套管。
為防止泥漿堵塞裂隙,強風(fēng)化和中風(fēng)化段采用清水鉆進。
3.1.2裂隙沖洗
灌漿孔在灌漿前必須進行裂隙沖洗,采用壓水沖洗直至回水澄清,并持續(xù)12 min結(jié)束。
用水沖洗壓力采用80%的灌漿壓力,壓力超過1 MPa,則采用1 MPa。
裂隙沖洗應(yīng)沖至回水澄清后12 min結(jié)束,且總的時間單孔要求不少于30 min,串通孔不少于2 h。
對回水達不到澄清要求的孔段,應(yīng)繼續(xù)進行沖洗,使孔內(nèi)殘存的沉積物厚度不得超過20 cm。
3.1.3壓水試驗
采用“簡易壓水法”進行壓水試驗。簡易壓水試驗在裂隙沖洗后或結(jié)合裂隙沖洗進行。
壓力為灌漿壓力的80%,該值若大于1 MPa時,采用1 MPa;壓水20 min,每5 min測讀1次壓水流量,取最后的流量值作為計算流量,其成果以透水率表示。
3.1.4灌漿
根據(jù)逐孔地質(zhì)勘察資料,破碎帶分部位置在深度上波動較大,應(yīng)根據(jù)各孔位處的實際情況采用自下而上分段灌漿,分段長度不大于10 m,灌漿壓力為0.3~0.5 MPa。灌入漿液采用1、0.8、0.6等3個水灰比的水泥漿。
采用由稀至濃的漿液灌入順序。灌漿塞設(shè)置在灌漿段頂面上0.5 cm左右,防止漏灌。
漿液經(jīng)灌漿塞、自動記錄儀回到儲漿桶形成循環(huán)。
注漿順序參照銑槽的順序,以不影響施工為前提,相鄰兩孔注漿應(yīng)錯開進行。
水泥砂漿選取原則為:當灌漿壓力保持不變,注入率持續(xù)減少時,或注入率不變而壓力持續(xù)升高時,不改變水灰比。
當某等級漿液注入量已達300 L以上,或灌漿時間已達30 min,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時,應(yīng)改濃一級水灰比。
當注入率大于3 L/min時,可根據(jù)具體情況越級選用濃漿。在規(guī)定的壓力下,采用灌漿孔注入率不大于1 L/min后,繼續(xù)灌注60 min即可結(jié)束。
3.2銑槽機與沖擊鉆組合施工技術(shù)
3.2.1施工順序
錨碇“葫蘆型”地連墻劃分為33個Ⅰ期槽,34個Ⅱ期槽。兩類槽交錯布置并按角度相互搭接,通過直線段加轉(zhuǎn)角模擬圓弧段。
由于液壓銑槽機覆蓋層成槽速度數(shù)倍于沖擊鉆機基巖成孔,為使設(shè)備效能利用能實現(xiàn)最大化,成槽設(shè)備應(yīng)采用錯位同步跳躍施工。
即液壓銑槽機施工至基巖且工效低于0.5 m/h或銑齒磨損嚴重時,移位至下個Ⅰ槽段施工。改未施工完槽段的基巖采用沖擊鉆機破巖成孔,待成孔至槽底設(shè)計標高后,液壓銑槽機返回至該槽段銑孔至設(shè)計成槽標高。
總體順序為先施工隔墻槽段,再施工錨碇后倉槽段,最后施工錨碇前倉槽段。先施工Ⅰ期槽,再施工Ⅱ期槽,Y型槽在附近Ⅱ期槽施工完成后開始施工。
隔墻槽段開始施工后,順時針方向依次進行各槽段的施工。待最先完成的相鄰兩個Ⅰ期槽砼強度達75%后,開始施工這兩個槽段之間的Ⅱ期槽。Ⅰ、Ⅱ期槽錯開幾個槽段同步向前推進,直至地連墻最后封閉。成槽施工順序見圖3。
圖3 槽段劃及分施工順序圖
3.2.2施工方法
Ⅰ期槽采用三銑成槽,Ⅱ期槽段一銑成槽,Y形槽段采用五銑成槽。單個槽段成槽銑削示意見圖4。
圖4 單個槽段成槽銑削示意(單位;m)
在單元槽段施工前,用挖掘機將槽段開挖至導(dǎo)墻頂面以下3.5~4 m的位置,以保證液壓銑銑頭進入工作位置。
導(dǎo)墻上放樣出擬施工槽段的設(shè)計位置,在該位置處設(shè)置導(dǎo)向架。施工時銑槽機銑輪對準孔位,垂直穿過導(dǎo)向架,徐徐入槽切削。導(dǎo)向架在開孔過程中起固定銑頭的導(dǎo)向作用。
泥漿通過輸送管道,從泥漿箱進入施工槽段內(nèi),使被銑輪切割成的土體或巖體碎塊,并使之與泥漿相混合。銑頭未完全進入槽段前,采用泥漿泵進行正循環(huán)排渣。銑頭完全進入槽段后開啟銑頭上的吸渣泵開始進行反循環(huán)排渣。
隨著槽段深度增加,向槽內(nèi)連續(xù)不斷供給新鮮泥漿,以保證泥漿液面高度,形成水頭差。同時控制各項泥漿指標要符合設(shè)計要求,使泥漿起到良好的護壁作用,防止槽壁坍塌,并利于鉆渣的排出。
由于基巖強度較高,銑槽機施工至基巖且工效低于0.5 m/h或銑齒磨損嚴重時,移位至下個槽段施工。采用沖擊鉆多點沖擊破碎預(yù)裂基巖,Ⅰ期槽沖擊鉆成孔數(shù)量為4~5個,Ⅱ期槽成孔數(shù)量為1~2個,當沖擊鉆鉆進至墻底標高后,液壓銑槽機再返回成槽至設(shè)計標高。
3.3泥漿系統(tǒng)優(yōu)化及廢水處理技術(shù)
根據(jù)本項目地質(zhì)特點,泥漿作為成孔工藝的必要元素,具有攜帶鉆屑、形成泥皮,保護孔壁、平衡地層壓力防止垮孔的重要作用。同時由于成孔過程中,泥漿所用數(shù)量較大,做好泥漿的循環(huán)利用以及廢漿處理將節(jié)省大量施工成本。
3.3.1泥漿系統(tǒng)布置
受場地和周邊環(huán)境限制,并考慮環(huán)保要求,采用集中式泥漿管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集制漿、儲漿、輸送、凈化等功能于一體,各功能區(qū)通過管道運輸泥漿,對空間要求小,對環(huán)境影響低。
制漿站布置錨碇后倉,內(nèi)設(shè)膨潤土倉庫。站內(nèi)2座NJ-1500高速泥漿攪拌機。
泥漿集中箱設(shè)置在制漿站附近,共3層,每層3個箱體,上、下級泥漿箱之間采用管道連接,閥門控制泥漿流向。
泥漿凈化系統(tǒng)為1臺處理能力500 m3/h的泥漿凈化器,2個泥漿沉降離心機。在凈化器前布置1個120 m3的集渣坑,集渣坑前布置1條出渣便道。泥漿系統(tǒng)儲漿及凈化設(shè)備如圖5。
3.3.2泥漿制備
為有效防止塌孔并提高成孔效率,采用不分散低固相泥漿。該泥漿主要原材料為鈉質(zhì)膨潤土、水和外加劑。各類材料摻量及性能見表2。各階段過程泥漿控制指標見表3。
表2 泥漿原材料摻量及性能原材料名稱摻量/%性能水100淡水溶劑鈉質(zhì)膨潤土8~10膠體主要來源純堿0.25~0.4增大pH值纖維素(CMC)0.05~0.1提高黏度,形成泥皮聚丙烯酰胺0.003保持不分散、低固相、高粘度
表3 泥漿性能控制指標階段密度/(g·m-3)馬氏粘度/spH值含砂量/%新制≤1.0532~50≤10≤2循環(huán)再生≤1.2 32~607~9≤4砼澆筑前≤1.1532~507~9≤4(比重秤)(馬氏漏斗)(試紙)(含砂量測量器) 注:括號內(nèi)為檢測方法。
泥漿通過高速攪拌機拌制成后,泵入新漿箱內(nèi),待靜置膨化24 h后使用。新漿箱內(nèi)設(shè)循環(huán)系統(tǒng),定期使新漿循環(huán)流動,以保證泥漿新鮮、均勻。
新制泥漿比重在銑槽過程中逐漸增加達到1.25左右,為保證孔底沉淀符合標準,成槽后需換漿,泥漿比重將降至1.1以下,由于比重變化較大再加上地質(zhì)情況復(fù)雜,如泥漿比重過小,容易導(dǎo)致泥漿不能維持孔內(nèi)穩(wěn)定,而造成塌孔。因此,提鉆前的孔內(nèi)泥漿主要以控制含砂率為主,泥漿比重應(yīng)根據(jù)槽段施工過程的實際情況適當調(diào)整增大,確??妆诜€(wěn)定。
3.3.3泥漿循環(huán)
銑槽時,新制泥漿通過管道進入槽內(nèi),攜渣后通過銑頭上的泥漿泵從槽底將泥漿泵送出槽孔,進入三級凈化系統(tǒng)(振動篩、旋流器、離心機)排渣。凈化后的泥漿返回泥漿箱,形成循環(huán)。
澆注砼時,砼頂面以上5 m左右的泥漿一般會受水泥漿的影響而劣化,作廢漿排至廢漿池臨時存放,待處理。其余自孔內(nèi)置換出的泥漿用泥漿泵直接輸送至回泥漿箱相應(yīng)位置存儲,用于其它槽段成槽施工。
3.3.4廢漿處理
由于施工條件的限制,橋梁施工廢水不經(jīng)處理將對周邊環(huán)境造成不利影響。處理方式的選擇很大程度上決定著成本的高低。該項目采用湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院和湖南大學(xué)“橋梁施工廢水混凝沉降處理”課題成果,實現(xiàn)廢水的快速處理和直接排放。
通過對該項目泥漿組成成分和性質(zhì)進行分析,對常用無機低分子、無機高分子、有機高分子等絮凝劑其機理和效果,以及影響因素進行考察,最終選定以陰離子聚丙烯酰胺為主要成分的絮凝劑,配置濃度為1%。
根據(jù)現(xiàn)場施工條件,選定化學(xué)絮凝和機械處理相結(jié)合的形式。加藥罐中藥劑采用空氣壓縮機曝氣溶解。泥漿泵入處理管線后,在加藥罐1處依次泵入鹽酸將pH值調(diào)節(jié)6~7.5,泵入聚合氯化鋁使泥漿初步脫穩(wěn),泵入聚丙烯酰胺完成泥漿脫穩(wěn)。脫穩(wěn)后的泥漿泵入離心機進行固態(tài)分離處理,主機轉(zhuǎn)速控制在2 000 r/min,輔機轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。分離出的固體沉淀物已符合排放標準,外運至指定地點。分離出的淸液沿管道輸送至沉淀池,在此過程中,將加藥罐2處中的聚合氯化鋁、鹽酸依次泵入,對上淸液進行補充脫穩(wěn),并調(diào)節(jié)pH值至6~9之間。補充脫穩(wěn)后的絮凝體沉淀在池底,淸液達到標準后可循環(huán)利用于造漿或作為溶解劑,也可以外排至指定位置。廢水處理工藝流程見圖6。
圖6 廢水處理工藝流程圖
4.1成槽工效情況
采用沖擊鉆和銑槽機組合施工技術(shù)后,銑槽機在中風(fēng)化巖層中的進尺速度有大幅提高(進尺效果見表4),且沖擊鉆的作業(yè)時間不影響關(guān)鍵工期。
根據(jù)成槽速度計算,Ⅰ槽完成可達2.5 d/槽,Ⅱ槽完成可達1.5 d/槽。地連墻完成總耗時為:33個Ⅰ期槽×2.5 d+34個Ⅱ期槽×1.5 d+6 d設(shè)備保養(yǎng)時間=140 d。能夠滿足工期要求。
表4 成槽進尺情況一覽表槽段進尺/(m·h-1)強風(fēng)化中風(fēng)化成孔方式P81.640.86純銑槽機P111.880.74純銑槽機P141.61.8銑槽機+沖擊鉆P331.691.2銑槽機+沖擊鉆
4.2斜孔、塌孔情況
采用地質(zhì)加固技術(shù)前,多個槽段施工時發(fā)生局部塌孔。采用加固技術(shù)后,大大改善此現(xiàn)象,節(jié)省了大量的處理時間。見圖7。
P27槽檢孔 P28槽檢孔
圖7加固處理前后效果對比圖
4.3經(jīng)濟效益
鑿銑法施工時,銑槽機為主要關(guān)鍵設(shè)備,沖擊鉆不占用關(guān)鍵工期,基巖經(jīng)沖擊鉆預(yù)裂后再使用銑槽機銑銑切至孔底,與純銑槽機施工工效可提高2~3倍,另外減少1個臺班設(shè)備維修非工作時間,平均每個Ⅰ期槽可節(jié)約2個臺班,每個Ⅱ期槽可節(jié)約0.5個臺班。銑槽機每個臺班單價為15 000元,可節(jié)約設(shè)備使用費124.5萬元;同時可節(jié)約出工期40 d,節(jié)約133萬元。
采用設(shè)備組合技術(shù)進行施工還能減少1/10的設(shè)備銑齒損耗,其中Ⅰ期槽平均100個/槽,Ⅱ期200個/槽,每個銑齒單價300元,可節(jié)約損耗60.3萬。
采用泥漿循環(huán)和廢水處理技術(shù),能實現(xiàn)泥漿的循環(huán)利用,有效地處理了施工廢水,保護了周邊環(huán)境,產(chǎn)生近150萬元的經(jīng)濟效益。
本研究共取得綜合經(jīng)濟效益共計467.8萬元。
經(jīng)洞庭湖大橋項目錨碇地連墻施工的實際檢驗。本研究妥善地解決了在陡立、破碎、軟硬夾雜的復(fù)雜地質(zhì)條件成槽易產(chǎn)生的斜孔、塌孔問題,降低了設(shè)備的非工作時間,大幅提高了成槽效率。
通過實際成槽檢驗,成槽垂直度均控制在1/400以內(nèi),最小垂直度達1/700;鉆芯取樣顯示槽底沉淀小于1 cm。
本研究圓滿實現(xiàn)在5個月內(nèi)完好地連墻的艱巨任務(wù),為大橋后續(xù)施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時本研究成功應(yīng)用也為以后類似工程施工提供寶貴的借鑒。
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2016-04-15
趙煜成(1984-),男,工程師,主要從事橋梁建設(shè)。
;1008-844X(2016)03-0120-06
;U 443.16+4
;A