軟硬不均地層地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量控制研究

羅鳳江，董海洲，牛若歆，劉 軍，閔凡路，趙伏田

(1.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司,上海 200040; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210024)

地下連續(xù)墻由于施工振動(dòng)小、整體穩(wěn)定性好、防滲性能好、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn),可兼做深基坑的截水防滲、擋土承重的主要結(jié)構(gòu),在當(dāng)前城市地鐵車站的建設(shè)中作為首選的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式而被廣泛應(yīng)用[1-4]。地下連續(xù)墻主要施工流程是:首先,借助泥漿護(hù)壁,沿著深開(kāi)挖工程邊緣軸線進(jìn)行成槽作業(yè),并形成一定長(zhǎng)度的槽段,再向槽段內(nèi)放入制作加工完成的鋼筋籠,最后經(jīng)過(guò)水下混凝土澆筑后形成墻段。重復(fù)連續(xù)施工后,各墻段會(huì)相互連接構(gòu)成完整的地下墻體結(jié)構(gòu)。由于地下連續(xù)墻的施工方法可對(duì)任意深度及斷面的深槽進(jìn)行作業(yè),因此其能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求,建造各類深度、長(zhǎng)寬、形狀及強(qiáng)度的地下墻。

地鐵基坑一般較深,常面臨復(fù)雜的地質(zhì)狀況,軟硬不均地層是其中常見(jiàn)問(wèn)題之一。其中較軟巖層自穩(wěn)能力較差,施工擾動(dòng)下容易坍塌,而較硬地層的強(qiáng)度較高,導(dǎo)致液壓抓斗成槽機(jī)工作效率下降。因此,針對(duì)不同類型的地層條件,需要采用適當(dāng)?shù)氖┕C(jī)械和工藝[5],以調(diào)整合適的泥漿性能預(yù)防塌孔或塌槽的發(fā)生[6-8]。

南京地鐵7號(hào)線福建路站土層為軟硬不均地層,在上部粉砂層和下部泥質(zhì)砂巖之間夾有粉質(zhì)黏土層。軟硬不均地層的復(fù)雜條件使地下連續(xù)墻施工存在困難,容易造成塌孔或塌槽、槽壁垂直度低等現(xiàn)象,施工質(zhì)量和進(jìn)度難以保證。本文對(duì)軟硬不均地層中地下連續(xù)墻各主要施工環(huán)節(jié)的施工要點(diǎn)開(kāi)展研究,提出相應(yīng)的質(zhì)量控制措施,以提高地下連續(xù)墻的施工精度,并為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

福建路站位于福建路、察哈爾路與中山北路路口,沿福建路、察哈爾路呈東西向布設(shè),與5號(hào)線車站在路口形成十字交叉。本站為一座地下3層的島式站臺(tái)車站,采用雙柱三跨箱型結(jié)構(gòu)形式,其總長(zhǎng)274.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包寬22.9 m,頂板覆土厚度約3.8 m。標(biāo)準(zhǔn)段底板底埋深24.8 m,左右端頭井底板底埋深26 m。

車站基坑以地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系,其中,西端頭井段采用1.2 m厚地下連續(xù)墻,剩余部位采用1.0 m厚地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻可兼做止水帷幕,底部插入相對(duì)隔水層,以隔絕基坑外部的地下水補(bǔ)給。地下1層～3層結(jié)構(gòu)為車站的附屬結(jié)構(gòu),而其基坑平均開(kāi)挖深度10.5 m～23.5 m左右。

車站處于秦淮河漫灘地貌單元,砂土、粉土發(fā)育,場(chǎng)地覆蓋層厚度21.90 m～42.20 m,上覆土層厚度和性質(zhì)差異明顯。地層分布由上到下依次為:①填土(雜填土、素填土、淤泥質(zhì)填土),埋深約0.30 m～4.4 m;②粉砂、粉土互層,下有粉質(zhì)黏土,埋深約4.6 m～42.2 m;③強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,埋深約22.5 m～45 m。

2 地下連續(xù)墻成槽施工工藝

地下連續(xù)墻的建造主要環(huán)節(jié)包括:測(cè)量放樣→導(dǎo)墻施工→泥漿護(hù)壁→成槽機(jī)成槽→清槽→鋼筋籠吊裝→工字鋼背后回填→水下混凝土澆筑等。若某一環(huán)節(jié)未達(dá)到設(shè)計(jì)施工要求,都可能導(dǎo)致工程問(wèn)題的出現(xiàn),影響地下連續(xù)墻支護(hù)、防滲等功能。軟硬不均地層對(duì)地下連續(xù)墻施工所帶來(lái)的影響主要體現(xiàn)在成槽時(shí)不易成槽、易發(fā)生塌槽塌孔以及造成槽壁垂直度低等方面,其他環(huán)節(jié)可按照正常地層施工。因此,需要在成槽時(shí)選用適宜的施工機(jī)械及工藝,配制合適性能的泥漿,并做好槽壁垂直度檢測(cè)和控制。

2.1 成槽機(jī)械選擇

結(jié)合福建路站施工區(qū)域的地質(zhì)條件,對(duì)位于強(qiáng)風(fēng)化地層以上的各地層,考慮選用SJ70型液壓抓斗成槽機(jī),其抓斗最大張開(kāi)幅度可達(dá)2.8 m,同時(shí)其配備的自動(dòng)糾偏系統(tǒng)可在成槽期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)槽壁垂直度。此外,施工中所產(chǎn)生的渣土以自卸汽車運(yùn)至臨時(shí)渣土堆場(chǎng),經(jīng)排水后再轉(zhuǎn)運(yùn)出場(chǎng)。針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖面,其巖石強(qiáng)度小于30 MPa,此時(shí)需采用SCR-285旋挖鉆進(jìn)行巖石段槽段開(kāi)挖施工,若部分槽段存在巖石強(qiáng)度大于30 MPa地層時(shí),首先利用GC-1200型沖擊鉆將孔間巖墻擊碎后,再進(jìn)行后續(xù)的掃孔成槽作業(yè)(見(jiàn)圖1)。

2.2 槽段開(kāi)挖

成槽開(kāi)挖作為地下連續(xù)墻施工期間的關(guān)鍵工序。為保證槽段成槽的最佳質(zhì)量,并結(jié)合本項(xiàng)目的地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求,故選用液壓抓斗、旋挖鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)進(jìn)行槽段成槽開(kāi)挖作業(yè),其具體施工方式如下所述:

1)為保證抓斗下放位置的準(zhǔn)確性,同時(shí)避免抓斗發(fā)生左右傾斜,故在成槽施工開(kāi)始前需要對(duì)抓斗每次下放的中心位置進(jìn)行嚴(yán)格定位,并在導(dǎo)墻上放置標(biāo)志物。

2)在成槽施工期間,為保證成槽機(jī)抓斗下放的精準(zhǔn)度,抓斗中心與導(dǎo)墻上的標(biāo)記物應(yīng)嚴(yán)格對(duì)應(yīng);與此同時(shí),抓斗還應(yīng)平行于導(dǎo)墻下放,即抓斗中心線應(yīng)與導(dǎo)墻中心線相重合。

3)地下連續(xù)墻槽段采用跳槽法進(jìn)行施工。槽段的首開(kāi)幅和閉合幅位置參考單元槽段的長(zhǎng)度與成槽機(jī)開(kāi)口的寬度數(shù)據(jù)確定,此舉可以有效保證成槽機(jī)作業(yè)期間兩側(cè)鄰界條件的均衡性,進(jìn)而確保槽段內(nèi)壁的垂直度滿足施工要求。此外,為確保成槽垂直度質(zhì)量,在成槽結(jié)束后可借助超聲波儀進(jìn)行檢驗(yàn)。

4)單元槽段的施工選用“兩鉆一抓”的作業(yè)方式,即首先對(duì)槽段兩端進(jìn)行開(kāi)挖,之后再進(jìn)行中間段隔墻的開(kāi)挖。由于中間段隔墻長(zhǎng)度小于抓斗開(kāi)斗長(zhǎng)度,因此抓斗能夠套住隔墻進(jìn)行開(kāi)挖,吃力較為均衡,且能夠有效糾偏,進(jìn)而確保槽段的成槽垂直度滿足要求。

5)因?yàn)樽ザ烦刹鄞怪倍雀鞑幌嗤瑫?huì)形成凹凸面,故待開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后,需再沿槽段長(zhǎng)度方向套挖幾斗將凹凸面修理平整,確保槽段橫向良好的直線性。

6)完成成槽后,使用抓斗清理槽段設(shè)計(jì)深度的槽底沉渣。

7)轉(zhuǎn)角處部分槽段會(huì)出現(xiàn)一斗無(wú)法完全挖盡,或能夠一斗挖盡但作業(yè)期間抓斗受力的均勻性難以保證的情況。此時(shí),應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況在抓斗位置放置特制鋼支架以平衡阻力,避免抓斗因受力不勻衡而出現(xiàn)左右傾斜的現(xiàn)象。

8)在成槽開(kāi)挖期間還應(yīng)注意以下方面:抓斗應(yīng)閉斗并緩慢下放,正式開(kāi)挖時(shí)再?gòu)堥_(kāi);施工期間,為避免抓斗在槽段內(nèi)形成渦流并對(duì)槽壁產(chǎn)生沖刷造成塌方,因此抓斗的每斗進(jìn)尺深度應(yīng)控制在0.3 m左右;此外,在槽段內(nèi)混凝土未澆筑前,嚴(yán)禁大型機(jī)械在槽段附近作業(yè)或行走。

9)在槽段成槽期間,必須嚴(yán)格控制抓斗的垂直度。具體可利用成槽機(jī)自身所配備的垂直度檢測(cè)儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),若出現(xiàn)偏差須及時(shí)糾偏,確保垂直度不大于1/300。

2.3 土層成槽

考慮到抓斗的沖擊力和閉合力,對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖以上的各地層可選用液壓抓斗進(jìn)行開(kāi)挖施工。在成槽作業(yè)期間,需對(duì)抓斗的平面位置和垂直度進(jìn)行嚴(yán)格控制,特別是開(kāi)槽階段。若發(fā)現(xiàn)X軸和Y軸的任一方向上的抓斗垂直度超出偏差允許值,此刻必須立即進(jìn)行糾偏。

成槽機(jī)抓斗還應(yīng)緊貼導(dǎo)墻入槽,且整個(gè)操作期間需保持抓斗的平穩(wěn)。此外,若成槽期間發(fā)現(xiàn)槽段內(nèi)的泥漿高度不足,應(yīng)及時(shí)補(bǔ)足以維持導(dǎo)墻中泥漿液面的穩(wěn)定。而槽段開(kāi)挖的順序及流程參見(jiàn)圖2。

2.4 巖層成槽

在進(jìn)入中風(fēng)化巖層后成槽機(jī)進(jìn)尺緩慢,功效較低。改用旋挖鉆進(jìn)行巖層段的成槽施工,開(kāi)孔方式按照先行幅、后行幅分為以下幾種,見(jiàn)圖3。

成孔選用SCR285旋挖鉆機(jī)(現(xiàn)場(chǎng)施工圖見(jiàn)圖4),采用人造泥漿靜態(tài)護(hù)壁。根據(jù)本工程地下連續(xù)墻厚度,成孔時(shí)鉆頭直徑取900 mm。當(dāng)鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)停止旋挖,鉆孔不得小于巖層底部。成孔垂直度偏差不大于1/300。成孔時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充泥漿,同時(shí)泥漿液面高度距離導(dǎo)墻頂應(yīng)保持在30 cm左右。

2.5 槽段檢驗(yàn)

成槽施工結(jié)束后,必須對(duì)槽段成槽質(zhì)量進(jìn)行全方位的檢測(cè),檢測(cè)內(nèi)容包括平面位置、深度和垂直度是否存在偏差。而檢驗(yàn)所需的工具及方法主要包括:1)槽段平面位置的偏差可利用測(cè)錘進(jìn)行檢驗(yàn),其偏差值可用槽段兩端實(shí)測(cè)位置線與該槽段分幅線之間的偏差表示;2)槽段深度也使用測(cè)錘檢測(cè),其值可用實(shí)測(cè)槽段左中右三個(gè)位置的槽底深度的平均值表示;3)每幅槽段成槽完成后,其成槽垂直度可使用超聲波測(cè)壁儀器掃描槽段內(nèi)的槽壁壁面(如圖5所示),測(cè)量地下連續(xù)墻的成槽狀態(tài),對(duì)地下連續(xù)墻成槽垂直度和完成質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

成槽質(zhì)量應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn):1)槽段槽壁的垂直度應(yīng)控制在1/300以內(nèi),且槽壁的局部突出不宜超出100 mm;2)槽段深度的允許誤差應(yīng)保持在+100 mm～-200 mm的范圍內(nèi);3)槽段寬度的允許誤差則不宜超過(guò)±10 mm;4)槽段長(zhǎng)度,即軸線方向的允許偏差應(yīng)保持在±50 mm的范圍內(nèi);5)而墻頂中心線所能容許的偏差值則不應(yīng)超過(guò)30 mm。

3 泥漿配制及槽底沉渣控制措施

由于地下連續(xù)墻的深度較大,且其各項(xiàng)施工工序的施工時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng),故其施工進(jìn)度也相對(duì)較慢,尤其是在較硬地層進(jìn)行施工時(shí)。與此同時(shí),在作業(yè)完成并嚴(yán)格掃孔和清孔后,還需進(jìn)行槽段鋼筋籠吊裝鋼、槽段接頭段回填和設(shè)置導(dǎo)管等工序,各項(xiàng)工序的總共用時(shí)較長(zhǎng),有時(shí)需4 h～6 h左右。而在此期間,槽段內(nèi)懸浮在泥漿中的砂會(huì)逐漸下沉并堆積在槽段底部,致使槽段底部的沉渣過(guò)厚,進(jìn)而加大地下連續(xù)墻接頭部位和墻身主體發(fā)生夾泥的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),槽底較厚的沉渣也會(huì)增加混凝土澆筑難度。

因此,為減少砂粒的沉淀現(xiàn)象,避免槽段底部沉渣過(guò)厚,必須結(jié)合實(shí)際情況對(duì)泥漿指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以提高泥漿的浮砂能力和穩(wěn)定性能,減緩浮砂的下沉速度,從而避免泥漿出現(xiàn)絮凝等現(xiàn)象。除此之外,泥漿的配制還應(yīng)采取以下措施:

1)優(yōu)質(zhì)配漿材料的選用。常規(guī)泥漿會(huì)出現(xiàn)護(hù)壁性能和攜渣能力不足、穩(wěn)定性較差以及回收處理不當(dāng)?shù)确矫娴膯?wèn)題,因此,本項(xiàng)目選用新型復(fù)合鈉基膨潤(rùn)土(GTC-4)進(jìn)行泥漿配制。此類膨潤(rùn)土的造漿率高,其內(nèi)還另外添加了特制的聚合物——200目鈉基膨潤(rùn)土。因此,此種泥漿可適用于各類土層,尤其能夠滿足超深地下連續(xù)墻的護(hù)壁需求。

2)泥漿分離設(shè)備和工藝的改良。為提高泥漿的分離效率,確保泥漿中的砂粒能夠完全被分離,進(jìn)而保證泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求,本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)配備了宜昌黑旋風(fēng)公司設(shè)計(jì)的泥漿分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)振動(dòng)篩的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu),并同時(shí)增設(shè)了旋流分離器,故其對(duì)較大泥沙顆粒、垃圾和細(xì)微砂礫的分離效率較高。

此外,為更高程度的保證泥漿的分離質(zhì)量,本項(xiàng)目還對(duì)泥漿回收分離凈化工藝進(jìn)行了優(yōu)化改良,其具體工作流程為:泥漿首先會(huì)通過(guò)土渣分離篩,泥漿中粒徑大于1 mm的泥土和泥沙顆粒會(huì)被篩分出來(lái),以防止此類堵塞旋流除碴器下泄口;一次篩分后的泥漿會(huì)依次通過(guò)由沉淀池、旋流除碴器和雙層振動(dòng)篩所組成的多級(jí)分離系統(tǒng),以進(jìn)一步凈化泥漿中的細(xì)小泥沙,以此降低泥漿的比重與含砂量,直至泥漿的比重和含砂量滿足要求為止,即砂性土小于1.15,黏性土小于1.1,且砂性土小于7%,黏性土小于4%。

本分離系統(tǒng)所能分離的最小顆粒粒徑為0.045 mm,因此泥漿中粒徑小于0.045 mm的顆粒無(wú)法被分離,部分泥漿的比重可能無(wú)法滿足要求。此時(shí),就需將因無(wú)法分離且比重超標(biāo)的泥漿全部排除并用各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求的新鮮泥漿置換。

4 成槽施工質(zhì)量控制措施

成槽過(guò)程中,軟土層和厚砂層極易出現(xiàn)槽壁坍塌,針對(duì)此類地質(zhì)條件,為保證地下連續(xù)墻槽段的槽壁穩(wěn)定性,需在成槽施工期間采取以下措施:

1)在保證成槽機(jī)抓斗作業(yè)半徑的前提下,確定成槽機(jī)械的施工位置;同時(shí),還應(yīng)確保成槽機(jī)履帶平行于導(dǎo)墻并應(yīng)盡量遠(yuǎn)離導(dǎo)墻邊緣,以減少施工期間可能對(duì)槽壁所產(chǎn)生的影響。

2)成槽機(jī)的作業(yè)平臺(tái)地面需提前進(jìn)行硬化處理,一般鋪筑30 cm厚的C35混凝土進(jìn)行處理;成槽機(jī)作業(yè)期間其履帶必須停放于混凝土地面上,以分散機(jī)械對(duì)地面的集中荷載作用,并保持施工區(qū)域地層的穩(wěn)定性。

3)成槽機(jī)作業(yè)期間,成槽機(jī)抓斗應(yīng)輕放慢提,并嚴(yán)格控制成槽施工的速度,以防止槽段內(nèi)存在負(fù)壓區(qū),造成槽段槽壁發(fā)生塌方。

4)護(hù)壁泥漿質(zhì)量應(yīng)優(yōu)良,其應(yīng)具備黏度大,失水量小,能夠形成薄而韌泥皮的特點(diǎn),從而確保槽段內(nèi)壁在施工期間可以保持穩(wěn)定。此外,根據(jù)成槽過(guò)程中土壁的變化情況,可添加外加劑以調(diào)整泥漿指標(biāo),保證泥漿能夠維持槽段的穩(wěn)定。

5)銑削時(shí),銑頭刮刀四周受力不均會(huì)造成銑頭傾斜,進(jìn)而引起槽孔偏斜。為避免此類現(xiàn)象的發(fā)生,應(yīng)分別在銑頭的左右兩側(cè)各安裝2塊導(dǎo)向板,前后兩側(cè)各安裝4塊糾偏板。同時(shí),利用觸摸屏控制液壓千斤頂系統(tǒng)調(diào)整導(dǎo)向板和糾偏板位置,控制銑頭姿態(tài),控制銑頭下降速度,以有效保障槽壁垂直度。

6)施工期間槽段內(nèi)若出現(xiàn)泥漿缺失,需及時(shí)補(bǔ)漿并將泥漿液面高度始終保持在穩(wěn)定槽段所必須的液面高度,具體指低于導(dǎo)墻30 cm以下,且高于地下水位1 m以上的位置。

7)施工期間若遇雨天或地下水位上升等情況,則需相應(yīng)地加大泥漿的比重和黏度。如果雨勢(shì)較大則應(yīng)暫停施工,并封蓋槽段以避免雨水滲入。

8)由于槽段土壁會(huì)受到周圍荷載作用而產(chǎn)生坍塌,故在槽段施工期間還應(yīng)嚴(yán)格控制槽段附近地面的附加荷載,通常情況下槽壁附近的堆載不應(yīng)超過(guò)20 kPa,且施工所需的起吊設(shè)備和載重汽車的輪緣與槽壁的距離應(yīng)不小于3.5 m。

9)成槽施工結(jié)束后,在進(jìn)行完全徹底的清底和泥漿置換后方可進(jìn)行剩余其他工序。值得注意的是,在整個(gè)鋼筋籠吊裝期間,應(yīng)保證鋼筋籠的穩(wěn)、準(zhǔn)、平,避免因鋼筋籠的上下移動(dòng)而引起的槽壁坍塌。此外,各工序間的銜接應(yīng)嚴(yán)格保障,并盡量縮短已開(kāi)挖槽壁的暴露時(shí)間。

10)針對(duì)“Z”“L”型槽段易塌的陽(yáng)角部位,可預(yù)先進(jìn)行注漿作業(yè)。

在整個(gè)槽段的施工期間,一旦出現(xiàn)塌槽問(wèn)題就必須及時(shí)填入砂土,并用抓斗回填壓實(shí);同時(shí),在槽段內(nèi)外兩側(cè)位置進(jìn)行注漿處理,一般需選擇距槽壁1 m的位置,待密實(shí)后再進(jìn)行后續(xù)的開(kāi)挖步驟。

5 結(jié)語(yǔ)

地鐵車站基坑較深,目前常選用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),可以兼顧阻水、承重、擋土等功能,但往往面臨軟硬不均的地層地質(zhì)條件,為地下連續(xù)墻成槽施工帶來(lái)不利影響。針對(duì)軟硬不均地層地下連續(xù)墻成槽施工的難點(diǎn),得出如下結(jié)論:

1)對(duì)于較軟和較硬地層,分別采用不同的施工機(jī)械和施工工藝流程,如在較軟地層可采用液壓抓斗成槽機(jī),在較硬地層采用旋挖鉆成槽。

2)選用新型材料配制泥漿,對(duì)泥漿分離設(shè)備和工藝進(jìn)行改良,提高泥漿分離效率,滿足護(hù)壁要求。

3)成槽機(jī)成槽期間應(yīng)確保槽壁的穩(wěn)定性,一般在保證護(hù)壁泥漿指標(biāo)符合要求的前提下,同時(shí)采取相應(yīng)措施保證施工質(zhì)量,包括成槽機(jī)定位、控制成槽速度和槽孔垂直度、及時(shí)補(bǔ)漿、減小地面附加荷載以及縮短晾槽時(shí)間等。