超深超硬入巖地下連續(xù)墻施工關(guān)鍵技術(shù)

蔣文杰

（上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司，上海市 200436）

0 引 言

隨著城市地下空間設(shè)計(jì)開發(fā)和施工技術(shù)的不斷發(fā)展，地下工程項(xiàng)目的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，超深、超硬的基坑支護(hù)項(xiàng)目越來越多，而地下連續(xù)墻以整體剛度大，地層適用性強(qiáng)的優(yōu)勢，已成為超深基坑的首選[1-4]。深度和巖層硬度的增加是地下連續(xù)墻施工面臨的一個(gè)技術(shù)難題，超深超硬入巖成槽施工技術(shù)是當(dāng)前地下連續(xù)墻施工中面臨的關(guān)鍵難題之一。本文以深圳恒大中心項(xiàng)目為例，對超深超硬入巖成槽施工的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了相關(guān)問題的處理措施，以期為同類工程的地下連續(xù)墻施工提供借鑒。

1 工程概況

深圳恒大中心基坑支護(hù)工程項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)白石四道與深灣三路交匯處，擬建項(xiàng)目為超高層建筑，地上高約400 m（72 層），地下6 層地下室。本工程總建筑面積約1.04×104m2，基坑深度39.05～42.35 m，基坑開挖面積8 451 m2，支護(hù)總長約370 m，基坑安全等級為一級，環(huán)境保護(hù)等級為一級。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度分別為1 200 mm、1 500 mm的地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度41.55～68.6 m，幅寬以4.0 m 和6.0 m 為主；地下連續(xù)墻墻體上部穿過10 m 填石層，下部穿過中風(fēng)化巖層，入微風(fēng)化巖，巖層強(qiáng)度超過130 MPa，入巖平均深度超過20 m，屬于超深超硬入巖地下連續(xù)墻。圖1 為7-7 剖面基坑支護(hù)剖面圖，其中標(biāo)高單位為m，其余尺寸單位為mm。

圖1 7-7 剖面基坑支護(hù)剖面圖

2 超深超硬入巖地下連續(xù)墻施工面臨的主要問題

（1）超硬巖層進(jìn)尺困難。由于中/ 微風(fēng)化花崗巖巖層的強(qiáng)度較高，裂縫較少，試驗(yàn)槽銑槽機(jī)進(jìn)尺效率僅有5～20 cm/h，嚴(yán)重制約整個(gè)工程施工的進(jìn)度。

（2）成槽垂直度控制困難。巖體硬度大且入巖面為斜巖，導(dǎo)致銑槽過程中設(shè)備刀架抖動(dòng)幅度大，槽段易銑偏，從而造成鋼筋籠下放困難等質(zhì)量問題。

3 超深超硬入巖地下連續(xù)墻成槽施工技術(shù)

3.1 工藝比選

成槽是地下連續(xù)墻施工過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，其中成槽質(zhì)量和成槽效率是地下連續(xù)墻施工中的2 個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。成槽質(zhì)量關(guān)系到鋼筋籠能否正常下放及后期基坑開挖時(shí)地下連續(xù)墻會(huì)不會(huì)侵限，成槽垂直度差時(shí)可能導(dǎo)致接縫漏水、墻面露筋等質(zhì)量問題的發(fā)生；成槽效率則關(guān)系到基坑工程甚至整個(gè)項(xiàng)目能否按時(shí)完工，成本是否在控制范圍之內(nèi)等問題[5]。因此，成槽工藝的選擇主要關(guān)注2 點(diǎn)：工藝的可行性與經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備環(huán)境市場，符合入巖成槽的設(shè)備主要有2 類，第1 類為傳統(tǒng)施工設(shè)備沖擊錘，第2 類是較為先進(jìn)的液壓雙輪銑槽機(jī)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，首先采用了沖擊錘與銑槽機(jī)做組合成槽的試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，沖擊錘沖孔每隔10 min 提錘檢查1 次，發(fā)現(xiàn)沖擊錘破損邊角2 處，后期維修時(shí)間耗費(fèi)3 d；二次沖孔試驗(yàn)中每沖擊3 次即提錘檢查，發(fā)現(xiàn)沖擊錘再次破損，說明沖擊錘工藝不適用于超硬巖層施工。圖2、圖3 給出了施工后沖擊錘出現(xiàn)嚴(yán)重破損以及修補(bǔ)后的情況。

圖2 錘牙破損的錘頭圖

圖3 新修補(bǔ)的錘頭

銑槽機(jī)直銑工藝試驗(yàn)時(shí)，歷時(shí)1 個(gè)月，單幅槽銑槽完成度80%。工效過低且齒耗量大（消耗截齒6 000余個(gè)），因此單純采用銑槽機(jī)也不能完全適用于超硬巖層施工。

上述2 種成槽工藝均不能滿足施工要求?？紤]到銑槽機(jī)是當(dāng)前地下連續(xù)墻成槽施工中最先進(jìn)的設(shè)備，應(yīng)以銑槽機(jī)成槽為主；同時(shí)考慮在槽段內(nèi)預(yù)先引孔，以減少銑輪銑削巖石時(shí)的接觸面積，加快成槽的速度。綜合分析沖擊錘、潛孔錘、大功率旋挖鉆機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定以大功率旋挖鉆機(jī)來進(jìn)行輔助成槽，采用旋-抓-銑的組合成槽工藝。

3.2 旋-抓-銑組合成槽工藝

旋- 抓- 銑組合成槽工藝為：采用旋挖鉆機(jī)引孔、成槽機(jī)抓取上部土、大功率銑槽機(jī)銑削巖層。采用上述3 機(jī)聯(lián)動(dòng)成槽技術(shù)進(jìn)行地下連續(xù)墻全工序穿插施工，能夠最大程度地提高地下連墻成槽施工的工效。

3.2.1 布孔方式

采用大功率旋挖鉆機(jī)進(jìn)行引孔可減少銑槽作業(yè)中巖層的含巖率，破壞巖層的完整性，降低巖層強(qiáng)度并減少銑槽機(jī)銑輪與巖層的接觸面積，從而達(dá)到提高成槽作業(yè)工效的目的。在多引孔的同時(shí)也要兼顧銑槽機(jī)銑輪在銑削巖體時(shí)的受力平衡，所以布孔方式對成槽效率起著決定性作用。

布孔規(guī)則：以提高成槽機(jī)、銑槽機(jī)作業(yè)效率為根本，根據(jù)成槽機(jī)、銑槽機(jī)斗架體寬度（2 800 mm）設(shè)定引孔邊界，采用“2 鉆1 抓”的原則設(shè)計(jì)引孔尺寸和個(gè)數(shù)。

厚6 m 首開幅的成槽方式采用“3 抓法”，先行2抓各引孔2 個(gè)，第3 抓即中間1 抓引孔1 個(gè)。

圖4 給出了厚1.2 m 首開槽段引孔示意圖，其中1～5 表示引孔位置及序號，第1 抓～第3 抓表示銑槽位置及順序。

圖4 厚1.2 m 首開槽段引孔示意圖（單位：mm）

3.2.2 引孔順序

如圖4 所示，一幅首開槽段需要引5 個(gè)孔，其中有2 個(gè)孔位于槽段邊緣，另外3 個(gè)孔在槽段內(nèi)部。引完孔1，接著進(jìn)行孔2 引孔時(shí)，由于周邊土體壓力不平衡易導(dǎo)致孔2 向孔1 偏斜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生如圖5所示的串孔現(xiàn)象，從而導(dǎo)致槽段易挖偏。圖5（a）的情況發(fā)生后，銑槽時(shí)槽段的邊緣部分仍可以進(jìn)行銑削；圖5（b）的情況發(fā)生后，銑槽時(shí)槽段的邊緣部分無法保證可以銑削完成，對后期槽段的成槽將會(huì)造成影響。圖6 是串孔實(shí)拍圖。

圖5 引孔偏斜剖面示意圖

圖6 串孔后取芯不完整圖

在成槽施工中，保障邊緣孔的垂直度更容易保證槽段成槽的完整性，因此邊緣孔應(yīng)優(yōu)先施工（如圖4 中1、5 號孔），中間孔后施工（如圖4 中2、3、4 號孔）。

3.2.3 外放大小

在地下連續(xù)墻施工過程中，為了與相鄰槽段實(shí)現(xiàn)連接并預(yù)留接頭板空間，在槽段兩端設(shè)置外放段（見圖7，即額外抓取的一段）。外放段的長度大小主要影響超深超硬入巖地下連續(xù)墻接頭的處理[6]。

圖7 首開槽段外放示意圖（單位：mm）

槽段施工完成后，進(jìn)行相鄰槽段施工時(shí)，需要在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度前將槽段接頭部分（可能產(chǎn)生的）繞流的混凝土處理干凈。常規(guī)處理手段是待相鄰槽段成槽完畢后刷壁，或者使用沖擊錘進(jìn)行處理。在超深超硬入巖地下連續(xù)墻的接頭處理中，巖層因硬度大，不易變形，當(dāng)巖層有裂隙時(shí)，在混凝土澆筑過程中容易在土巖分界面發(fā)生繞流現(xiàn)象，使得接頭處理極其困難。

常規(guī)槽段外放間距為400～600 mm，由于巖層硬度大，不能在短時(shí)間內(nèi)將接頭一側(cè)“一抓”成槽，因此不能及時(shí)處理接頭，若發(fā)生繞流現(xiàn)象，則成為一個(gè)施工難題。超深超硬入巖地下連續(xù)墻槽段外放寬度選用1 000 mm，這個(gè)尺寸便于在混凝土澆筑完成后第一時(shí)間內(nèi)將直徑600 mm 的鉆頭伸入至接頭內(nèi)進(jìn)行處理。

3.2.4 牙輪焊接

旋挖鉆鉆頭只有牙輪鉆可以在堅(jiān)硬巖層施工，而牙輪的焊接角度決定了牙輪鉆的使用壽命和進(jìn)尺效率。項(xiàng)目現(xiàn)場在試驗(yàn)槽施工時(shí)，1 個(gè)牙輪僅能鉆進(jìn)10～20 m 即報(bào)廢。根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，1 個(gè)鉆頭1 組牙輪12 個(gè)，其磨損程度有以下幾種情況：斷裂式、單邊磨損式、均勻磨損式（見圖8）。牙輪斷裂的主要原因是焊接質(zhì)量問題，本文重點(diǎn)討論單邊磨損與均勻磨損2種狀況。

圖8 牙輪狀況圖

現(xiàn)場檢查時(shí)，用手觸摸單邊磨損的牙輪發(fā)現(xiàn)其無法轉(zhuǎn)動(dòng)，而均勻磨損的牙輪仍可以轉(zhuǎn)動(dòng)。針對這一不正?，F(xiàn)象，現(xiàn)場對鉆筒做了標(biāo)記，以跟蹤每個(gè)牙輪的使用壽命狀況。根據(jù)多組牙輪狀況跟蹤結(jié)果，發(fā)現(xiàn)單邊磨損的牙輪往往只能鉆進(jìn)10～20 m，而均勻磨損的牙輪可以鉆進(jìn)50～70 m。牙輪的作用機(jī)理屬于錘擊，而非摩擦，牙輪的焊接角度（牙輪與鉆筒形成的夾角）直接影響錘擊的作用方向。取0°～15°的牙輪焊接角度分別進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出結(jié)論，牙輪焊接角度為6°時(shí)的效果最佳。鉆筒全部采用這個(gè)角度焊接時(shí)，其鉆進(jìn)效率相較之前增加1/2。

3.2.5 接頭保護(hù)

首開槽段完成施工后，相鄰槽段開挖時(shí)需注意對先期槽段接頭型鋼的保護(hù)，銑槽時(shí)銑槽機(jī)刀架需遠(yuǎn)離接頭型鋼10 cm。一般地層施工時(shí)，銑槽機(jī)/ 成槽機(jī)刀架處于較穩(wěn)定狀態(tài)，可良好地保持這個(gè)間距完成成槽作業(yè)；超硬地層施工時(shí)，刀架擺動(dòng)幅度較大，當(dāng)接頭部位屬于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)極易發(fā)生刀架偏向接頭型鋼一側(cè)進(jìn)而引發(fā)“刀架銑型鋼”事故。針對此類狀況，需采取特殊的接頭保護(hù)措施。根據(jù)型鋼橫向伸出的長度以及需要控制的刀架與型鋼之間的距離，設(shè)計(jì)一款接頭保護(hù)裝置（見圖9）安裝在銑槽機(jī)刀架銑輪上方，由此可有效避免銑輪打型鋼事故的發(fā)生，提高項(xiàng)目生產(chǎn)效率。

圖9 接頭保護(hù)裝置圖

3.3 成槽垂直度控制

本項(xiàng)目巖層硬度超過130 MPa，入巖面屬于斜面，易導(dǎo)致因銑槽機(jī)刀架受力不均而加大成槽垂直度控制難度。巖層越硬，事后糾偏越難。

先進(jìn)的成槽設(shè)備都自帶垂直度顯示儀以及糾偏裝置，在土層以及軟巖地層施工時(shí)，槽段垂直度控制相對容易，槽段的少量偏移采用自帶的糾偏裝置或者沖擊錘輔助糾偏即可完成糾偏工作。超硬巖層施工時(shí)，由于銑輪自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前后方向的槽段偏差無法通過控制銑輪進(jìn)行糾偏作業(yè)；左右方向的槽段偏差處理時(shí)，實(shí)施效率低，因此銑槽只能在銑槽前以及銑槽過程中控制槽段的垂直度。引孔糾偏作業(yè)則可以在成槽后進(jìn)行。

3.3.1 測壁標(biāo)準(zhǔn)

成槽過程中控制的是引孔測壁標(biāo)準(zhǔn)。硬巖狀態(tài)下，旋挖鉆引孔效率較低，進(jìn)尺量為1～3 m/d，測壁次數(shù)只需1 次/d；銑槽過程中每20 m 進(jìn)行1 次測壁。測壁數(shù)據(jù)可直觀地顯示槽段的垂直度，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.3.2 效率控制

成槽過程前和成槽過程中，控制的是引孔（成槽）速度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)顯示，槽段偏移多發(fā)生在土巖分界面。根據(jù)地勘報(bào)告，當(dāng)引孔（成槽）至土巖分界面2 m距離時(shí)，將速度降低做好準(zhǔn)備工作，可有效提高成槽垂直度。具體操作如下：引孔時(shí)將速度降至正常引孔速度的1/3；接觸到巖面時(shí)將鉆頭“吊著打”，直至鉆頭咬住巖石至少40 cm 后再恢復(fù)正常引孔速度。

3.3.3 引孔糾偏

當(dāng)旋挖鉆孔施工出現(xiàn)偏孔時(shí)，常用的短鉆頭糾偏效果極差，原因是當(dāng)偏孔被發(fā)現(xiàn)時(shí)，基本偏孔部位的高度已經(jīng)等于或者大于施工時(shí)所用鉆頭的高度。使用短鉆頭時(shí)，因其上部被限制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的樁身而導(dǎo)致其高度不足，因此糾偏十分困難；使用長鉆頭時(shí)，若長鉆頭底部達(dá)到偏斜位置，則其上部筒體部位將被已施工完成且符合成孔垂直度的上部樁身限制住，因此可以極快地完成對偏斜進(jìn)樁孔內(nèi)巖石的處理。

另外需要注意的是，超硬巖層使用旋- 抓- 銑工藝時(shí)，旋挖鉆的引孔垂直度往往決定了槽段的最終垂直度，因此對旋挖鉆的垂直精度需要加倍注意。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過工藝改進(jìn)，使用旋- 抓- 銑結(jié)合工藝，施工效率得到了極大的改善，項(xiàng)目在工期節(jié)點(diǎn)前提前完成了全部地下連續(xù)墻的施工任務(wù)。通過旋挖鉆鉆孔減少槽段含巖率，材料損耗也大幅降低。在后期基坑開挖完成后，地下連續(xù)墻墻面平整，接縫效果良好，漏水現(xiàn)象較少。

工藝改進(jìn)前后效率及主要耗材對比分析見表1。

表1 工藝改進(jìn)前后效率及主要耗材對比分析表

5 結(jié) 語

超深超硬入巖地下連續(xù)墻施工關(guān)鍵在于選擇合適的工藝與設(shè)備。旋- 抓- 銑工藝可充分發(fā)揮各個(gè)設(shè)備的優(yōu)勢，將設(shè)備資源在時(shí)間和空間上的利用率最大化，非常適用于超深超硬入巖地層的地下連續(xù)墻施工。利用“2 鉆1 抓”的布孔規(guī)則，并使用大功率旋挖鉆機(jī)和大功率銑槽機(jī)是旋- 抓- 銑工藝效率的保障。此類施工需加強(qiáng)過程中的質(zhì)量控制，成槽垂直度控制是成槽質(zhì)量控制的核心，其關(guān)鍵在于控制引孔垂直度。旋- 抓- 銑工藝克服了超深超硬入巖地下連續(xù)墻施工效率低、成槽垂直度差的關(guān)鍵難題，可在超深超硬入巖地層的地下連續(xù)墻成槽施工中大力推廣。