上软下硬复杂地层地下连续墙成槽高效施工技术研究_康林.pdf

244工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工0 引言随着城市交通基础建设高速发展，地面交通已无法满足人们日常出行需求，地铁因其速度快、客运量大等优点而被人们作为城市交通首选出行方式。在地铁建设过程中，地下连续墙因其刚度大、变形小、抗渗性能好等显著优点，被广泛应用于地铁车站围护结构。与此同时，地下连续墙亦存在施工成本高、工艺复杂、在岩石地层施工效率低、成槽难度大等缺点。根据工程施工环境、地连墙设计情况等现场施工因素，选择合理的地连墙施工工艺，是地铁车站围护结构工程安全、质量、进度、成本各方面成功与否的关键1。1 工程概况1.1 工程背景某地铁车站工程为地下三层箱型框架结构，基坑开挖深度约 27.7329.43m，基坑长约 186.2m，小里程标准段宽 25.2m，大里程标准段宽 24.8m，端头井约 31.9m。车站主体结构采用半铺盖明挖顺作法施工，围护结构如图 1所示。采用复合式结构，小里程方向采用 1000mm 厚地下连续墙+650450 三轴搅拌桩槽壁，大里程方向采用12001400mm 钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水，连续墙深 3033.5m。1.2 地质水文情况该工程基坑范围内土层主要为淤泥、（含泥）中砂、全风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，为典型的上软下硬复杂地层。地质局部剖面图如图 2 所示。1.3 施工重难点分析1.3.1 地质条件复杂根据地质详勘资料显示，中风化花岗岩天然状态单轴抗压强度为 54.6124.8MPa，平均值 96.9MPa。微风化花岗岩天然状态单轴抗压强度 119.1242.6MPa，平均值156.6MPa，岩层硬度大，地质条件复杂。上软下硬复杂地层地下连续墙成槽高效施工技术研究康林1 罗嵩1 刘强2 刘建国2 梁毅飞3摘要：结合某上软下硬复杂地层地铁车站工程实例，对地下连续墙成槽施工工艺进行研究。采用对比分析法从经济及工效视角，探索适合本工程地下连续墙成槽施工的最优施工工艺。研究表明，针对上软下硬复杂地层，采用成槽机+旋挖钻机+双轮铣组合成槽施工工艺效果最佳，可有效提升地下连续墙成槽施工工效，可为类似工程实例提供参考。关键词：上软下硬地层；地下连续墙；成槽施工（1.中铁南方投资集团有限公司，广东深圳 518054；2.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西西安 710032；3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055）图 1 车站围护结构图图 2 车站地质局部剖面CM&M 2023.01245车站围护结构地下连续墙共计 47 幅均入岩，根据设计要求，地下连续墙除满足图中设计长度，应满足进入基底下岩层深度要求。中风化花岗岩土层不应小于 2.5m，或微风化花岗岩土层不应小于 1.5m。岩层地质条件极大地增加了地下连续墙成槽施工难度，因此需根据工程实际情况选择最优的施工工艺方案。1.3.2 槽壁稳定性差本工程围护结构地下连续墙部分地层为淤泥层，稳定性较差。泥浆的控制是稳定槽壁稳定的重要环节，为防止槽壁失稳，应在成槽前对槽壁两侧进行槽壁加固。成槽前，泥浆对应地层土质各项指标应调试检测合格。成槽过程中各项施工有序安排，尽可能缩短成槽时间，成槽结束钢筋笼下放，混凝土浇筑施工需在 24h 内完成。2 施工工艺比选地下连续墙施工常用的机械为旋挖钻机、成槽机、冲孔桩机、铣槽机等。上软下硬复杂地层特点突出，其上部地层自稳定性差，槽壁开挖往往会引起变形过大、坍塌及周边地面沉陷，周边地面堆载也将会影响其稳定性。其下部地层坚硬，对开挖设备的切削能力要求高，不易施工，需要围绕上软下硬地层工程实际情况选择最优的施工工艺方案。在城市地铁施工中，地下连续墙传统上使用冲桩机辅助成槽机进行施工，但这种工艺适合于强度较小的岩石的地质。在中风化、微风化等岩石坚硬、岩层厚的地质条件下施工地下连续墙，不可避免会出现偏孔、冲孔缓慢等问题，导致施工功效低、延误工期，且有连续墙鼓包、钢筋笼卡笼等质量问题2。参考相关文献以及对类似工程进行调研，对不同机械设备成本、优缺点等进行分析，结果如表 1 所示3-5。从表1 可以看出，若本工程选择成槽机+旋挖钻机+双轮铣组合成槽施工，不仅能缩短施工工期、提高工效，保证连续墙施工质量，且施工噪声及振动小，对周边居民、建筑造成影响也较小。其具有钻进能力强、功效高、成槽质量好、环境影响小等优点，可广泛应用于岩石坚硬、岩层厚的地下连续墙施工领域。由于地层涉及岩层，为提高工效，加大设备配置，应选择功率较大的设备施工。经多方对比，决定选用宝峨GB80S 液压抓斗成槽机、377kW 大功率三一 SR445R 型旋挖钻机、宝峨 MC96 双轮铣等设备进行本工程地下连续墙施工，相关设备如图 3 所示。3 关键施工技术3.1 施工工艺流程地下连续墙成槽施工时，根据地层的软硬程度选择不同的机械设备进行组合成槽，在淤泥层及砂层采用成槽机施工，在中（微）风化花岗岩层先采用旋挖钻引孔，再采用双轮铣进行铣刨施工。采用该施工方法，入岩速度快，振动和噪声小，垂直度控制好，具体施工工工艺流程如图 4所示。图 3 地连墙施工设备图 3 地连墙施工流程a 宝峨 GB80S 型液压抓斗成槽机b 三一 SR445R 型旋挖钻c 宝峨 MC96 型双轮铣表 1 工艺及设备选型对比表序号设备选择施工工艺入岩工效/（m/h）成本优缺点1成槽机+旋挖钻机+冲孔方锤采用成槽机进行连续墙成槽土方，旋挖钻沿地下连续墙轴线切布孔冲击入岩，然后利用方锤修孔。旋挖钻 0.2 0.5冲孔方锤 0.2 0.3较高成本较高，工效低2成槽机+冲击钻机+冲孔方锤采用冲击钻方法冲击入岩，利用冲孔方锤修孔。冲击钻 0.05 0.1冲孔方锤 0.2 0.3低成本低，工效低3成槽机+双轮铣采用成槽机进行连续墙成槽土方，双轮铣直接入岩成槽。双轮铣 0.2 0.5非常高成本非常高，工效一般4成槽机+旋挖钻机+双轮铣采用成槽机进行连续墙成槽土方，旋挖钻沿地下连续墙轴线切布孔冲击入岩，双轮铣入岩成槽。旋挖钻 0.2 0.5双轮铣 0.5 0.8较高成本高，工效高测量放样槽壁加固导墙施工泥浆制备刷壁清孔清沉渣换浆清孔验收吊装钢筋笼安装导管浇筑混凝土钢筋笼制作成槽机、旋挖钻、双轮机配合成槽施工246工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工3.2 关键工序操作要点3.2.1 槽壁加固本站基坑深度范围内有较厚的淤泥层，为保证连续墙正常施作，连续墙成槽前，在连续墙槽壁进行 650450深层三轴搅拌桩加固，加固深度进入淤泥层以下地层不小于 1m。采用挖掘机沿轴线开挖沟槽，导沟深约 11.2m，宽约为 1.0m，主要用来导流钻孔后被置换出的水泥土，并及时挖除槽内多余泥浆。待搅拌机下沉到一定深度后，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入贮料罐中。水泥掺入量连续墙外侧为 15%，内侧为 12%，阳角加固为 20。搅拌机下沉到达设计深度后，继续开启灰浆泵将水泥浆从搅拌中心管不断压入土中，并且边喷浆边旋转，同时严格按照设计确定的提升速度均匀提升搅拌桩机。桩基升出地面即完成一根桩状加固体。3.2.2 循环泥浆由于上软下硬的特殊地质环境，为确保槽壁的稳定性，本工程采用 200 目钠基膨润土，同时添加分散剂纯碱（Na2CO3）、增粘剂 CMC（高粘度，粉末状）、加重剂 200目重晶石粉和防漏剂纸浆纤维，有效防止槽壁坍塌或剥落 6。在施工过程中，要严格控制泥浆比重、粘度和含砂率等指标。表 2 为泥浆性能控制统计表，施工时需要严格控制相关指标，确保泥浆的性能满足要求。3.2.3 成槽机施工连续墙槽段形式有“一”字型和“L”型两种槽段类型，施工时采用跳槽段开挖方法。在成槽过程中，宜先施工转角处 L 槽段后，再施工其相邻的槽段。槽段基本采用一槽三抓挖槽法，先挖两边后挖中间，即根据已放出的槽段线，先在每一个挖掘单元的两端分别使用液压抓斗成槽至设计标高，然后将成槽设备抓斗移至该槽段的中部，抓槽至设计标高。现场按照计算外放尺寸进行设备站位，成槽机就位后，首先抓除槽段内上部部分淤泥层及砂层等。为了确保旋挖钻机钻孔的垂直度，成槽机施工时，预留 35m 的砂层作为旋挖钻机钻孔时的导向，防止偏孔。3.2.4 旋挖钻机引孔成槽机在淤泥层及砂层成槽完成后，旋挖钻机就位。旋挖钻机钻孔孔径为 800mm 和 1000mm，采用旋挖钻头钻进。旋挖钻机钻孔时，按照标准段 6m 幅进行引孔，基岩段采用旋挖钻钻孔，孔间采用铣槽机铣刨。引孔采用四孔工艺，靠近工字钢处引孔孔径为 800mm，其余孔孔径为1000mm，满足铣槽机 2.8m 刀架宽度进行修槽。四孔孔位布置如图 5 所示。当岩层硬度大，铣槽机施工工效低时，可以引孔时采用六孔工艺。六孔孔位布置如图 6 所示。旋挖钻引孔深度与连续墙深度同深，引孔按照顺序进行，旋挖钻机钻孔要严格按开槽时的孔位布置图来进行。3.2.5 铣槽机施工旋挖钻机引孔完成后，采用双轮铣槽机施工下部硬岩地层。在铣槽机进入导墙之前，要确保铣轮齿的边缘与导墙顶的施工放样线重合，铣轮两侧水平平行于导墙面。然后将铣轮置入导墙中再固定铣槽机导向架，保证铣轮不发生偏移。驾驶室中的显示屏上，可以实时监控成槽的垂直度，如果出现偏差，驾驶员应及时通过纠偏板来保持垂直状态。连续墙幅宽为5.66.5m时，采用三刀切削，如图7所示。第一刀和第二刀长度为 2.8m，第三刀长度根据实际情况确定，可以在 0.51.5m 之间调整。当槽段小于 5.6m 时，按照两刀切削。采用铣槽机进行修槽施工时控制好上下速度，铣轮间应略有重叠，防止遗漏。修槽完毕后及时进行超声波检测，确保垂直度、槽深符合要求。4 施工效果分析一期地下连续墙共计 26 幅，全部涉及岩层施工。成槽图 5 四孔孔位布置图图 6 六孔孔位布置图图 7 双轮铣施工第一刀第二刀第三刀表 2 泥浆性能指标项目性能指标（新浆）成槽时性能指标铣槽时性能指标换浆时性能指标密度/（g/cm3）1.05 1.15 1.15 1.25 1.25 1.35 1.25黏度/s22 3025 3028 3222 24含砂率/%4 6 3CM&M 2023.01247参考文献 1 王雅宜.超深地连墙双轮铣施工技术研究 J.工程技术研究,2020,5(3):77-78.2 赵康林,王光伟,李志军,等.地下入岩连续墙施工技术研究 J.隧道建设,2013,33(2):156-159.3 王忠,钱晨,徐寿扬,等.复杂条件下的地下连续墙成槽施工技 术 J.建筑施工,2019,41(6):1020-1023.4 吴锋.上软下硬地层地下连续墙施工技术研究 D.合肥:合肥 工业大学,2020.5 蒋尚志,鲁文博,谷海华.高入岩率超深地下连续墙组合成槽 施工技术 J.市政技术,2019,37(6):242-244+255.6 孟陈祥,甘文爽,万波,等.微风化岩层地下连续墙优质高效施 工技术 J.施工技术(中英文),2021,50(19):74-78.后通过超声波检测，地下连续墙垂直度如图 8 所示，垂直度最大为 0.33%，最小为 0.09%，全部满足设计要求。浇筑完成后对地下连续墙墙身质量检测，墙体质量完整性满足设计要求。在类似地层中采用成槽机+双轮铣的方式施工，据相关文献以及本公司施工经验可知，平均施工时间约 4.5d/幅。而本工程通过对原有成槽工艺改进，加入旋挖钻引孔，使得地下连续墙施工速度明显提升，单幅地下连续墙施工平均时间约 3.2d/幅。地下连续墙施工需要的设备有成槽机、双轮铣、挖掘机、履带起重机、土方运输车、装载机和泥浆分离系统，将引入旋挖钻机施工的施工设备，与未引入旋挖钻机施工的设备情况进行对比，进行成本分析见表 3。从表 3 可知，通过旋挖钻机引孔，更好的提高了施工工效，加快了施工进度，减少了租赁时间，设备成本直接减少 27.60%。将入岩深度与铣槽时间的比值定义为入岩工效，其表示单位时间的入岩量，可以反映出工法入岩效率的高低，一期各连续墙入岩工效如图 9 所示。由于岩层的差异，入岩工效变化较大。A40 幅段入岩工效高，因为其入岩为砂土