鄧文濤

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司 陜西西安 710021)

1 工程概況

1.1 地連墻設(shè)計(jì)概況

廣州地鐵18號線番禺區(qū)間2＃盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)全長130 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度24.3 m，基坑開挖深度約43.1～45.5 m，采用地連墻＋內(nèi)支撐的支護(hù)體系。地連墻厚度為1 200 mm，包括52幅“一”字形槽段，12幅“L”形槽段，共64個(gè)槽段，地連墻標(biāo)準(zhǔn)幅寬為6 m，最小幅寬為3.27 m，地連墻長度42.86～55.33 m，成槽深度46.66～59.54 m，鋼筋籠單幅重量為35.08～75.97 t。采用C35 P6水下混凝土灌注，混凝土方量19 033 m3。

1.2 工程地質(zhì)

(1)地連墻成槽深度范圍從上到下為<1>素填土、<5Z-2>砂質(zhì)黏性土、<6Z>全風(fēng)化混合花崗巖、<7Z>強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖，局部有<3-2>中粗砂層、<4N-2>粉質(zhì)黏土層。墻底主要位于<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖，局部為<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖。

(2)特殊巖土:主要有填土、殘積土和風(fēng)化巖。①人工填土:未完成自重固結(jié)，地連墻成槽施工過程中易造成槽壁坍塌等。②殘積土:具遇水軟化，失水干裂的特點(diǎn)，成槽過程中易造成槽壁坍塌等。③<8Z>、<9Z>中、微風(fēng)化混合花崗巖:巖石強(qiáng)度較高，成槽施工難度很大。

1.3 水文條件

穩(wěn)定水位埋深3.50～7.90 m；主要含水層為局部區(qū)域<3-2>中粗砂層，透水性中等～強(qiáng)；<4N-2>粉質(zhì)黏土透水性較弱，為相對隔水層；<5Z-2>、<6Z>、<7Z>、<9Z>透水性較弱，為弱透水層，<8Z>透水性中等。

2 成槽設(shè)備的適用性分析

2.1 成槽機(jī)

主要負(fù)責(zé)土層(<1>、<5Z-2>、<6Z>、<7Z>)的挖槽施工，其中<5Z-2>標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)N＝16～39擊，平均30.6擊，<6Z>標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)N＝45～68擊，平均59.2擊，為成槽機(jī)理想的適用地層。而〈7Z〉地層，考慮標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)N＝70～100擊、平均達(dá)79.8擊，為半巖半土性狀，以及可能存在中風(fēng)化巖夾層，該地層成槽機(jī)成槽施工難度較大，工效低，適用性不強(qiáng)[1]。

2.2 雙輪銑

雙輪銑對地層適應(yīng)性較強(qiáng)，巖層中能正常施工?？紤]<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖，近似RQD為40% ～60%，巖體裂隙發(fā)育，局部夾微風(fēng)化巖塊，單軸抗壓強(qiáng)度最小值33.7 MPa，最大值50.20 MPa，平均值37.5 MPa。<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖，近似RQD為50% ～75%，該巖層巖體較完整，強(qiáng)度最高達(dá)80 MPa，成槽難度很大。參考圖1，根據(jù)本工程地質(zhì)特點(diǎn)，選用錐形齒銑頭[2]。

圖1 銑槽機(jī)銑輪使用范圍

2.3 旋挖鉆

為提高雙輪銑成槽工效，降低銑輪(子彈頭)磨損量，考慮采用旋挖鉆引孔，減少雙輪銑的工作量，提高其工作效率。鉆頭是影響施工效率的關(guān)鍵因素，對鉆齒的選擇，包括齒形的選擇、數(shù)量的確定、角度的設(shè)計(jì)等。

考慮旋挖鉆機(jī)在<7Z>、<8Z>地層中引孔具有一定的適用性，鉆齒采用入巖截齒。截齒角度:50°～55°適宜巖石破碎，角度分析見圖2，但應(yīng)考慮施工過程中碰到微風(fēng)化夾層等情況會(huì)對槽孔垂直度產(chǎn)生較大影響，一旦斜孔，其糾偏難度很大，應(yīng)盡量避免在極硬巖及巖面變化較大槽段使用[3]。

圖2 截齒典型角度對比

2.4 沖擊鉆機(jī)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，<7Z>、<8Z>地層中沖擊鉆機(jī)具有一定的工效，若遇夾層<9Z>地層，工效會(huì)明顯降低，但可充分發(fā)揮其數(shù)量優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件及文明環(huán)保要求，投入適量的沖擊鉆機(jī)，配合其他成槽設(shè)備作業(yè)，提高整體施工工效?，F(xiàn)場采用抽桶掏渣，錘頭重量為4.5 t，鉆頭選用十字鉆頭[4]。

3 設(shè)備聯(lián)合模式成槽作業(yè)

由于地質(zhì)的復(fù)雜性，依靠單一成槽設(shè)備難以完成整個(gè)工程成槽施工，主要采用以下幾種聯(lián)合模式完成成槽施工[5]。

3.1 “抓＋銑”結(jié)合

首開幅槽段為一字型標(biāo)準(zhǔn)幅槽段，設(shè)計(jì)槽寬6 m，考慮兩端接頭箱下放空間實(shí)際成槽寬度達(dá)7.5 m，采用成槽機(jī)分三抓，即2.8 m、2.8 m、1.9 m依次抓除槽段上部土層部分，雙輪銑按抓槽順序完成剩余巖層銑槽作業(yè)[6]，即三抓三刀成槽，成槽方法示意見圖3。

圖3 三抓三刀成槽示意(單位：mm)

(1)能充分發(fā)揮成槽機(jī)跟雙輪銑的性能優(yōu)勢，總體施工工效高，周期短。

(2)成槽質(zhì)量好、效率高、噪聲低，文明環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)高，適合城市繁華地段及近接施工。

(3)適合大體積槽段(首開幅槽段)、槽壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)較大的槽段(轉(zhuǎn)角幅槽段、地質(zhì)較差槽段)及其他有特殊要求的槽段使用。

3.2 “抓＋鉆＋銑”結(jié)合

對于連接幅或閉合幅槽段，采用成槽機(jī)分兩抓抓除槽段上部土層，并保留至少3 m厚度土層便于旋挖鉆引孔施工。引孔作業(yè)時(shí)，引孔孔位選擇在第一刀、第二刀中心位置(便于雙輪銑銑槽作業(yè))，旋挖鉆孔徑應(yīng)小于槽厚1個(gè)量級，剩余巖層部分采用雙輪銑按抓槽順序完成銑槽、修槽作業(yè)，即兩抓兩鉆兩刀成槽，成槽方法示意見圖4。

圖4 兩抓兩鉆兩刀成槽示意(單位：mm)

(1)采用超聲波測壁儀對槽孔的垂直度進(jìn)行及時(shí)檢測，旋挖鉆在<7Z>、<8Z>地層引孔，垂直度控制能滿足施工要求，但若施工過程中碰到夾層等地質(zhì)突變情況，會(huì)對槽孔垂直度產(chǎn)生較大影響，同時(shí)考慮鉆孔工效及糾偏的困難性，不建議在極硬巖地層進(jìn)行旋挖鉆引孔作業(yè)。

(2)引孔位置布設(shè)在每一刀中間位置(即左右銑輪滾刀中間區(qū)域)，相比將引孔布設(shè)在滾刀正下方，能增加接觸面及著力點(diǎn)，銑槽工效更高。

(3)抓鉆銑結(jié)合工藝，大大減小雙輪銑工作量，銑輪(子彈頭)磨損小，工作效率更高。

3.3 “抓＋沖＋銑”結(jié)合

對于閉合幅槽段，單獨(dú)考慮圓錘沖孔、方錘修孔施工，施工周期太長，會(huì)帶來一系列的問題，需配合其他成槽設(shè)備施工。先采用成槽機(jī)分兩抓抓除槽段上部土層，保留至少3 m厚度土層便于沖錘引孔施工；再采用沖擊鉆進(jìn)行沖孔作業(yè)，沖孔孔徑應(yīng)小于槽厚1個(gè)量級，沖孔孔位布置采用均布梅花孔的形式，考慮鉆機(jī)作業(yè)空間需要，一般由2臺(tái)沖擊鉆機(jī)負(fù)責(zé)1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幅槽段的1＃、3＃和 2＃、4＃孔，5?？滓曘@機(jī)施工進(jìn)度由進(jìn)度快的鉆機(jī)完成；最后采用雙輪銑修槽清底完成銑槽作業(yè)，即兩抓五沖孔兩刀成槽，成槽方法示意見圖5。

圖5 兩抓五沖孔兩刀成槽示意(單位：mm)

(1)鉆頭選用十字鉆頭，在<8Z>地層中具有一定的工效，但若遇夾層<9Z>地層，工效明顯降低，判斷該型號沖擊鉆機(jī)在強(qiáng)度40 MPa范圍內(nèi)風(fēng)化巖層中具有一定的適用性，但在強(qiáng)度更高的風(fēng)化巖中，工效、垂直度均無法保證。

(2)槽段入中風(fēng)化巖2 m以上時(shí)，采用沖錘沖孔、方錘修孔施工方法容易造成縮孔，會(huì)影響后續(xù)鋼筋籠、接頭裝置下放等問題，因此，采用沖錘施工其槽段分副寬度應(yīng)盡量縮小，并盡量采用沖錘沖孔、雙輪銑修槽施工方法。

3.4 工效統(tǒng)計(jì)分析

各成槽設(shè)備施工工效統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 1.2 m厚超深地連墻設(shè)備成槽工效統(tǒng)計(jì)

(1)強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖<7Z>地層雙輪銑工效約為成槽機(jī)72%，成槽機(jī)優(yōu)勢明顯，但雙輪銑在中風(fēng)化混合花崗巖<8Z>地層具有很強(qiáng)的適用性。

(2)中風(fēng)化混合花崗巖<8Z>地層旋挖鉆引孔(工效約為雙輪銑25%)、沖擊鉆沖孔(工效約為雙輪銑5.5%)，整體工效偏低，但與雙輪銑搭配使用能有效提高綜合工效，節(jié)約成本。

4 超深槽段槽壁穩(wěn)定性控制

一般情況下，槽段淺部(20 m以內(nèi))拱效應(yīng)更明顯，泥漿作用主要平衡地下水及預(yù)防其侵蝕，隨著槽段加深，泥漿壓力的余量提高槽壁穩(wěn)定的作用逐漸增加，適當(dāng)提高泥漿比重對改善深部槽壁穩(wěn)定性有明顯效果。因此，超深槽段應(yīng)充分利用槽孔的空間效應(yīng)(土體拱效應(yīng))，盡量壓縮槽段寬度；適當(dāng)提高泥漿比重以提高槽壁穩(wěn)定性；針對性地采取槽壁加固措施，結(jié)合工況合理選擇成槽設(shè)備以縮短施工周期[7]。

4.1 合理劃分槽段

(1)首開幅槽段

因施工工藝原因，其幅寬一般較大，應(yīng)選擇“一”型槽段，采用三抓成槽時(shí)，中間一抓按(0.3～0.7)倍抓斗單元長度，地質(zhì)條件較好時(shí)取大值，既限制了槽段寬度，又利用了中間單元穩(wěn)定槽壁。

(2)轉(zhuǎn)角幅槽段

單獨(dú)劃分出一個(gè)槽段，以免槽段寬度過大，盡量避免出現(xiàn)“Z”型，角槽通過外放使兩邊不等長，且先施工短邊再施工長邊，避免第一抓時(shí)槽壁偏斜、塌孔。同時(shí)，應(yīng)避免采用旋挖鉆或沖擊錘成孔、方錘修孔等方法，以減少對槽壁的擾動(dòng)次數(shù)，控制槽壁穩(wěn)定。

(3)閉合幅槽段

避開轉(zhuǎn)角等不規(guī)則部位，采用合適的槽段寬度，應(yīng)充分考慮到工字鋼接頭兩邊各自有翼緣板無法采用成槽機(jī)挖槽或雙輪銑銑槽以及自身的左右偏差等問題，建議采用4～5 m幅寬。

4.2 泥漿管理

(1)泥漿配合比設(shè)計(jì)

超深連續(xù)墻所處地層多為復(fù)合地層，應(yīng)以最容易坍塌的土層(人工填土層、砂層及花崗巖殘積土層等)為依據(jù)確定泥漿的配合比。同時(shí)，考慮槽深、成槽設(shè)備、施工周期等，適當(dāng)加大泥漿比重[8]。泥漿配合比設(shè)計(jì)見表2，泥漿主要性能參數(shù)見表3。

表2 廣州地區(qū)復(fù)合地層成槽施工泥漿經(jīng)驗(yàn)配合比

(2)泥漿用量

按照施工經(jīng)驗(yàn)，澆筑混凝土泥漿回收率一般在60% ～80%，泥漿的消耗率(泥漿循環(huán)、排水、形成泥皮、漏漿等)一般在10% ～20%，所有泥漿儲(chǔ)備量應(yīng)達(dá)到每日計(jì)劃施工最大成槽方量的2倍以上，遇易產(chǎn)生漏漿等特殊地層時(shí)應(yīng)再適當(dāng)提高泥漿的儲(chǔ)備量。

表3 泥漿主要性能參數(shù)

(3)雨季施工泥漿的使用管理

在大雨、暴雨等惡劣天氣情況下，極易因?yàn)橛晁构?、破壞泥漿性能導(dǎo)致槽壁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。因此，雨季施工還應(yīng)做好地面防汛工作，槽段邊提前堆碼砂包，大雨來臨時(shí)暫停成槽作業(yè)，槽段口加蓋防雨蓋板，同時(shí)，保持一定的抽測頻率，做好新鮮泥漿、槽內(nèi)泥漿的質(zhì)量管控。

4.3 槽壁加固處理

(1)地表加固

地連墻最容易坍塌的部位主要發(fā)生在導(dǎo)墻底部及墻頂一定范圍，導(dǎo)墻施工時(shí)，根據(jù)開挖情況對松散土層進(jìn)行挖除、換填或水泥攪拌加固等，對廢棄構(gòu)筑物、管道等進(jìn)行封堵處理；成槽作業(yè)前，在設(shè)備停放區(qū)鋪設(shè)20 mm鋼板，以降低導(dǎo)墻承受集中荷載、緩沖設(shè)備震動(dòng)帶來的不利影響。

(2)軟弱地層加固

根據(jù)地質(zhì)資料，提前結(jié)合止水帷幕設(shè)計(jì)對砂層、淤泥層等采用旋噴樁、攪拌樁進(jìn)行加固處理[9]。

(3)轉(zhuǎn)角幅槽段

成槽過程中其內(nèi)側(cè)(陽角)土體呈兩面臨空狀態(tài)，相比其外側(cè)(陰角)槽壁更容易發(fā)生坍塌，可結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需要，提前采用旋噴樁、攪拌樁等對軟弱地層進(jìn)行加固處理[10]。

4.4 合適的成槽方法

對于轉(zhuǎn)角幅、異形幅槽段，優(yōu)先考慮成槽機(jī)＋雙輪銑施工方法，除特別情況外，避免增加鉆、沖孔輔助成槽措施，以減少地層擾動(dòng)，縮短施工周期。

本工程64幅槽段存在塌孔現(xiàn)象的有11幅，且多為輕微坍塌。塌孔主要發(fā)生在導(dǎo)墻往下10 m范圍、花崗巖殘積土范圍及土石分界處，集中在異形槽段、地質(zhì)突變槽段(見圖6)。建議針對特殊槽段加強(qiáng)槽壁加固處理，適當(dāng)提高泥漿比重，通過調(diào)整槽段劃分、合理選擇設(shè)備縮短成槽周期以減少坍塌[11]。

圖6 槽壁坍塌深度范圍及槽段數(shù)量統(tǒng)計(jì)柱狀圖

5 超深槽段槽壁垂直度控制

5.1 垂直度控制

(1)成槽時(shí)，懸吊抓斗、銑輪的鋼索不能松弛，要使鋼索呈垂直張緊狀態(tài)。同時(shí)，量測兩側(cè)導(dǎo)墻與鋼絲繩的距離，如兩側(cè)導(dǎo)墻與鋼絲繩的距離相等或相差不超過20 cm，可認(rèn)為垂直度滿足要求。

(2)成槽機(jī)、雙輪銑、旋挖鉆成槽、成孔作業(yè)中，時(shí)刻關(guān)注自帶測斜儀器的數(shù)據(jù)，及時(shí)糾正垂直偏差。同時(shí)，槽深大于15 m后，配合超聲波測壁儀器對成槽質(zhì)量及時(shí)進(jìn)行檢查。

(3)沖錘、旋挖鉆在沖孔、引孔作業(yè)時(shí)，需保留巖層上部不小于3 m以上土層，便于引導(dǎo)及穩(wěn)定錘頭、鉆頭。

(4)超硬巖地層、巖面坡度較大地層及存在風(fēng)化夾層的不均勻地質(zhì)段，盡量采用雙輪銑或重錘作業(yè)，不建議采用旋挖鉆引孔。

(5)成槽施工中引孔、沖孔孔徑應(yīng)小于槽厚1個(gè)量級，如墻厚1.2 m，孔徑則為1 m，一是控制由于偏孔造成的超挖；二是便于銑槽機(jī)較好地修正垂直度確保鋼筋籠順利吊放入槽。

2＃盾構(gòu)井地連墻共有64幅槽段，垂直度偏差≤2.5‰的有50幅，垂直度偏差>2.5‰的有14幅，垂直度偏差較大主要原因?yàn)閹r面變化較大處、土石分界面采用旋挖鉆、沖錘引孔造成(具體見圖7)。建議提前對每一槽段地質(zhì)情況進(jìn)行分析，選擇合適的成槽方法；同時(shí)，選擇有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備操作人員、加強(qiáng)過程中的垂直度檢查、檢測工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并采取糾偏措施。

圖7 垂直度偏差超2.5‰原因統(tǒng)計(jì)分析折線圖

5.2 糾偏措施

(1)土層中糾偏

成槽機(jī)可利用起、趴臂桿上下反復(fù)拉動(dòng)強(qiáng)行鏟除傾斜的土體自行糾偏。如果槽段發(fā)生嚴(yán)重的傾斜，在直接用液壓抓斗或其他工具無法將傾斜的部分鏟除的情況下，可采用履帶吊將1塊楔型鋼板吊放至所需糾偏的深度，將鋼板墊塊作為壁面靠山，配合薄壁液壓抓斗強(qiáng)制糾偏[12]。

(2)巖層中糾偏

旋挖鉆引孔出現(xiàn)偏斜、自行糾偏無法實(shí)現(xiàn)時(shí)需及時(shí)暫停施工，后續(xù)再配合雙輪銑進(jìn)行修槽糾偏處理。沖錘沖孔出現(xiàn)偏斜時(shí)，可及時(shí)回填2～3 m大塊石后，重新沖孔、修孔反復(fù)糾偏，必要時(shí)采用雙輪銑進(jìn)行處理。

(3)糾偏效果驗(yàn)證

糾偏完成后，采用超聲波測壁儀進(jìn)行檢測，吊放鋼筋籠前采用探籠進(jìn)行復(fù)核。

6 結(jié)束語

單幅槽段成槽工效低、施工周期長、槽壁坍塌、槽壁垂直度差等問題嚴(yán)重影響超深地連墻施工的進(jìn)度和質(zhì)量。廣州地鐵十八號線番南區(qū)間2＃盾構(gòu)井基坑地連墻施工中，針對不同類型的槽段、不同的地質(zhì)條件，選用不同的設(shè)備組合成槽，有效解決了硬巖地層成槽工效低以及單幅槽段施工周期長的問題，并通過調(diào)整槽段劃分、加強(qiáng)泥漿的使用管理、優(yōu)化引孔、沖孔工藝等措施，提高了成槽質(zhì)量，為同類工程積累了經(jīng)驗(yàn)。