海域围堰内复杂地质条件下连续墙施工技术研究

朱继红，张文新,*，张良辉

(1.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458；2.汕头市苏埃通道建设投资发展有限公司，广东 汕头 515000)

0 引言

地下连续墙在基础工程及深大基坑中得到广泛应用，从初期仅作为防渗墙或临时挡土墙，发展到现在越来越多地用作结构物的一部分或用作主体结构，基坑工程中围护结构的地下连续墙施工是关键步骤。目前，国内学者对连续墙施工进行了许多研究，文献[1]从施工工艺、技术创新、质量控制等方面总结了成槽施工、超大超重钢筋笼制作吊装、泥浆控制等连续墙施工技术；文献[2]介绍了复杂地质条件下采用双轮铣槽机的施工方法，证明了该方法比传统的冲孔钻工艺更具有优越性；文献[3]解决了复杂地质条件下成槽易出现的斜孔、垮孔和废浆排放问题，保证了施工质量，达到了提高效率、降低成本的目标；文献[4]分析了地下连续墙成槽过程中的泥浆性能变化规律，并提出提高泥浆性能的措施及问题预防处理措施；文献[5]介绍了沿海地下水变化范围大、土质复杂条件下的钢筋混凝土地下连续墙施工工艺和关键工序质量控制措施；文献[6]通过优化“旋挖钻机配合冲击钻机破碎岩层、成槽机取土成槽”的施工工艺，提高了成槽入岩施工效率；文献[7-8]通过槽壁两侧深层搅拌法加固控制上部淤泥质土层稳定，增大泥浆体积质量控制下部砂层稳定以及调整成槽工艺等措施，取得了较好的成槽效果；文献[9-10]分析了成槽施工中几种工法的特点、适用条件及施工的要点和难点，进一步探讨了施工机具选择的方法和原则；文献[11]介绍了地下连续墙技术的施工工艺过程，分析了地下连续墙的优缺点，指出了该项技术的发展趋势；文献[12]介绍了在砂质粉土和粉砂层中采用“两钻一抓法”施工连续墙的施工工艺；文献[13-14]总结了填海抛石区地下连续墙的施工经验，即用反铲挖掘机对抛石层进行素土换填，换填后采用素填土回填夯实重新成槽；文献[15]通过利用旋挖钻机排障和TRD工法的组合施工技术，解决了TRD在复杂地质条件下的局限性。以上研究成果对连续墙的施工有一定的指导作用，但其施工所在地层较单一，尚未对复杂地层条件下的连续墙施工技术进行比较全面的研究和总结。

基坑工程所处地层强度和变形特征、基坑深度和平面规模、土方开挖和支撑施工决定了连续墙参数设置和施工难易程度。本文以苏埃通道工程南岸基坑连续墙施工为背景，针对海域围堰内复杂地层(回填土、软土、孤石、强风化和中风化岩层等)中连续墙施工的机械配套选型优化和进度组织等方面存在的不足，阐述海域段混合复杂地层中的连续墙施工技术的优化改进，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

汕头市苏埃通道工程位于已建海湾大桥和礐石大桥之间，起点位于汕头市北岸龙湖区天山南路与金砂东路交叉口，依次下穿天山南路、中山东路、华侨公园，然后穿越苏埃湾海域，在南岸汕头市跳水馆西侧约200 m处上岸，终点位于虎头山隧道口，与规划的安海路相接，如图1所示。

图1苏埃通道工程示意图
Fig.1 Sketch of Su′ai Tunnel

南岸盾构始发井及后配套位于南岸围堰内部，起讫里程为EK6+837.5～+980.4。南岸盾构井起讫里程为EK6+837.5～+862.5，盾构始发井为长方形，深 29.66 m，尺寸为49.9 m×25 m(长×宽)；盾构井顶面整平标高为2.9 m，围护结构顶(冠梁)标高为1.7 m，采用1.6 m高挡土墙，挡水墙高度为0.4 m；基坑开挖深度为29.6 m。由于需要盾构始发，盾构井围护结构受力分为盾构井开挖和盾构始发2个阶段。盾构井开挖阶段采用连续墙+内支撑体系，连续墙厚1.2 m，开挖深度达43.6 m，盾构井采用6道钢筋混凝土支撑。

后配套起讫里程为EK6+862.5～+980.4，连续墙厚1.0 m，基坑宽度为39.2 m，开挖深度为18.17～25.86 m，采用钢筋混凝土支撑+钢支撑组合。

2 工程地质条件

盾构始发井及南岸后配套段处于海域围堰范围内，地层包括以淤泥、淤泥质土、粉质黏土、黏土、粉细砂、中粗砂、砾石以及花岗岩风化残积层为主的全新统(Q4)海陆交互相沉积层，以海积和冲积为主。

施工范围内岩土层软硬差异大，上部淤泥地层含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、流塑性强，易变形失稳；中部砂层富水，易发生涌水、涌砂；下部强风化、中风化岩层岩石强度高，且槽段内有大量潜在孤石(地层中孤石、基岩突起分布不规则，孤石强度约为80～100 MPa，基岩强度约为100～140 MPa，岩面起伏变化极大)，成槽难度大，存在塌孔、偏孔等重大风险，连续墙施工进度缓慢、施工质量控制难度大，直接影响到基坑开挖安全。

南岸地下水与地表水呈互补关系。地下水分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水和块状岩类裂隙水。区内地下水的补给主要为大气降水和垂直渗入补给，堰内地下水水位埋深约3 m。

3 施工难点与风险

海域围堰内存在回填土、淤泥质软土层、孤石、强风化和中风化岩层等地层。

1)回填土。填土层厚度较大，结构松散，含水量丰富，成槽机开挖时会导致地面沉降、导墙变形，并且导墙下部易塌槽，有可能造成卡斗、成槽机倾覆或墙体质量事故。

2)淤泥质软土层。淤泥质土层强度低，易发生蠕动和扰动，在整个地下连续墙施工过程中会引起大面积塌槽，可能导致成槽失败、硬化路面大面积开裂、成槽机倾斜、抓斗被埋等事故；塌槽可能引起混凝土绕流等墙体质量问题。

3)孤石。基坑开挖范围内孤石埋深大，无法采取换填方式挖除，且无法用成槽机直接抓取；孤石强度达100 MPa，周围包裹地层松软，长时间冲击破碎易造成孤石下沉和上部淤泥地层槽壁坍塌。

4)风化岩层。地下连续墙部分区域嵌入中风化岩层，岩石强度为80～140 MPa，岩层顶面存在斜面，容易偏孔、卡锤，导致成槽困难、施工周期长，进而造成槽孔上部易塌方。

5)地下水。地下水位高且渗透系数大，会使槽壁稳定性降低，且地下水呈酸性，含盐量较高，对泥浆性能的稳定性会有影响，易导致泥浆恶化、沉淀，使用率降低。

4 施工关键技术

4.1 槽壁加固施工

为确保导墙施工及上部回填土和淤泥质软土层开挖时地层稳定，预先在导墙两侧采用φ650 mm@400 mm搅拌桩进行槽壁加固，加固深度为15 m。采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，掺入自来水作为浆液材料，水泥掺量为15%(89.54 kg/m)。槽壁加固单轴搅拌桩见图2。

(a) 搅拌桩施工设计图 (b) 搅拌桩布置图

图2槽壁加固布置图及断面图(单位：cm)

Fig.2 Layout and cross-section of groove wall reinforcement (unit: cm)

在成桩过程中如遇孤石，则搅拌桩施工跳过孤石位置，并记录孤石位置坐标，后期采用高压旋喷桩补强处理。

槽壁加固施工注意事项：加固区与槽边之间的土很难自立，距离远则塌槽范围大，易造成混凝土绕流；距离近则垂直度不好控制，容易将桩打到槽内，使得成槽偏斜。因此，在槽壁加固过程中应控制垂直精度，桩边与槽壁边的距离可适当外放，这样既能有效控制塌槽范围，又能防止搅拌桩侵入槽内；同时，对钢筋笼的工字钢板接头设置防绕流铁皮措施，以减少地下连续墙的混凝土绕流问题。

4.2 上部软土成槽施工

在上部回填土和淤泥质软土层采用成槽机施工,浅层成槽过程中，成槽机不宜快速掘进，掘进速度应控制在15 m/h 左右，避免出现槽壁失稳情况，并根据成槽机仪表及实测的垂直度情况及时纠偏。施工时，为防止槽壁塌方，应定期检查泥浆质量，防止泥浆流失，并维持稳定槽段所必需的泥浆液位(一般高于地下水位50 cm以上，并不低于导墙顶30 cm)。

在泥浆可能流失的地层中成槽时，必须有堵漏措施，以储备足够的泥浆。现场设置集水井和排水沟，防止地表水流入槽内，破坏泥浆性能。抓斗施工时取出的渣土用翻斗车运到现场内指定地点集中堆放。

软土成槽施工注意事项：1)在成槽施工中，为防止施工中的塌孔现象，应根据成槽情况适当调整泥浆配合比或增加外加剂。2)护壁采用膨润土泥浆，泥浆应在槽段内保持较高密度和黏度，并保持水头高度。3)对于软土中存在不稳定夹层的情况，应在容易造成塌孔处进行注浆加固，改善土体性能。4)加快成槽效率，减少泥浆反复冲刷与扰动。5)在施工过程中应及时清除孔底土渣，提高施工效率，尽量减少成槽时间。

4.3 孤石处理

地下连续墙成槽施工中遇到的孤石，采用地质钻机密集钻孔+冲锤往返冲击破碎法进行处理。在连续墙槽段开挖至13 m深位置时出现了宽1.5 m的孤石，由于孤石底部土体相对松软且孤石强度高，采用冲锤冲击时孤石出现下沉，使得破碎冲击力弱化严重，每天进尺仅0.5 m，无法整体破碎。

经过改进，先通过地质钻机按孔径不小于110 mm、孔间距不大于30 cm、梅花形布置对孤石引孔，使钻孔后的孤石整体性变差，冲击过程中受力软弱面大幅增加，再用冲锤进行强力冲击，在3 h内可使孤石完全破碎，实现了进度上的巨大突破。发生偏孔则回填坚硬片石至偏孔位置上方1 m，再重新冲孔，最后用方锤进行修槽。

孤石处理注意事项：1)当遭遇的孤石强度过高时，用冲锤处理孤石工效提高不明显，且易造成卡钻、斜孔、掉钻头、塌孔等事故。2)由于连续墙施工作业面小，选用钻机密集钻孔时，还需根据孤石的埋深、大小和强度等信息，确定钻机钻孔深度、钻孔直径、钻头形式等参数，合理设计钻孔形式，钻孔数量过多，会增加钻孔费用；钻孔数量过少，会影响冲桩处理孤石的效果。3)孤石破除必然会造成槽段扩孔，因此，应做好槽段的相应施工记录，以便基坑开挖过程中对连续墙扩孔部分的混凝土进行凿除。

4.4 斜面岩处理

连续墙施工中基岩上表面为斜面(标准幅地下连续墙最大斜度为4 m)时，采用改装后的牙轮钻头引孔、取芯处理。孤石采用冲击破碎时，由于表面倾斜而容易偏孔，偏孔严重的会导致在填充石块后继续冲击无效；在偏孔处灌注高强度水下混凝土，达到强度后可继续冲击，但混凝土浪费大，且施工效率极低，进尺仅0.5 m/d左右。

通过改进旋挖钻机，将旋挖钻机的普通钻头更换为牙轮钻头，顺利地对高强度基岩进行了取芯，解决了斜面岩的施工问题。改装后的钻头与取出的基岩如图3所示。

(a) 改装后的钻头 (b) 钻取的基岩

图3改装后的钻头及钻取的基岩
Fig.3 Modified bits and bedrock drilled

斜面岩处理注意事项：遇到倾斜岩面时，应从技术和机具2方面充分考虑，使冲锤与岩层的接触面受力均匀，防止钻头歪斜、卡钻、卡锤，保证槽壁垂直度。同时，应加强机械的优化改进，减少旋挖钻机无法引孔、取芯及崩齿严重等问题，提高施工效率。

4.5 下部风化岩层成槽施工

连续墙成槽施工至风化层，前期采用成槽机时，由于风化层强度较高，成槽机抓取困难，仅取土3.5 m3/h；采用冲锤冲孔时，泥浆黏度、含砂量远远超出了设计值，其对冲锤的浮力明显增大，冲孔效率降低，且护壁能力降低，增大了坍孔的风险。通过 “两钻一抓”的施工方法，先用旋挖钻机对强风化岩进行引孔处理，再用成槽机进行抓土，效率提升了30%。

风化岩层施工注意事项：1)应提前掌握地质情况及岩层变化情况，在施工至软硬地层交接处时，尽量使用成槽机对交接处进行修平，以便冲锤施工时受力均匀。2)由于下层基岩软硬不均，在钻冲过程中钻头容易歪斜，导致钻孔偏斜。3)在槽壁垂直度难以得到保证的情况下，地下连续墙钢筋笼下放过程中容易出现卡笼现象。4)偏孔产生的混凝土鼓包、侵限等问题，给后期处理带来困难。

4.6 泥浆制备

在地下连续墙施工过程中，泥浆不仅对槽壁有支撑作用，还有携渣作用能利于外排，更重要的是在槽壁上形成的泥皮可以防止槽壁倒塌。因此，成槽质量很大程度上取决于泥浆质量。

泥浆制备时，在膨润土、纯碱、CMC的基础上使用“老黏土”，以增加黏度和体积质量，将新制泥浆体积质量控制在1.15左右，黏度控制在25 s左右，从而加强了护壁性能，使实际应用护壁效果明显提高。

泥浆制备注意事项：1)新制泥浆在储存24 h后方可使用，以确保膨润土充分溶胀；2)泥浆系统中的储浆池、沉淀池、单元槽段等均须挂牌，标明泥浆各项性能控制指标；3)每批新制泥浆均须进行主要性能指标检测，达到要求后方可使用；4)对于泥浆池中的合格泥浆，应坚持定期检查，记录供浆量和抽查结果，以备施工考察；5)回收的泥浆经过调制处理，达到标准后方可重复使用，对性质已恶化的泥浆应予以废弃，废弃泥浆应运送到指定地点集中排放。

5 施工效果

对于上部回填土和淤泥质土、孤石、斜面岩层、强风化岩层等复杂地层的连续墙施工，不同地层选用合适的配套施工机械至关重要。合理设置成槽机抓取速度抓取软土，以确保槽内压力平衡，保持周边稳定；高强度孤石采用密集钻孔+冲锤往返冲击破碎的方法处理，使得孤石破碎效率提高了50%以上；采用旋挖钻机和成槽机 “钻抓”结合挖除强风化岩，使成槽效率提高了30%以上；采用牙轮钻引孔、取芯，钻取斜面基岩，使斜面岩处理的施工难题得以解决。通过多种施工方法相组合，并加强施工组织程序的管理，使连续墙成槽效率提升了10余倍，大大加快了连续墙的施工进度，为后续的基坑开挖和主体结构施工奠定了良好的基础。

6 结论与讨论

1)对于上部软土地层，采用搅拌桩进行槽壁加固。搅拌桩位置应适当外扩，并严格控制搅拌桩垂直精度，这样既能防止成槽施工中的槽壁坍塌，又能防止搅拌桩侵入槽内位置。

2)成槽机抓取软土时，抓取速度应保持均衡，维持稳定槽段所必需的泥浆液位，避免出现槽壁失稳情况，并及时监测垂直度情况以及时纠偏。

3)在槽段内出现的孤石不能采用成槽机直接取出时，可采用地质钻机对孤石进行密集钻孔，使其整体性变差、受力软弱面大幅增加，再进行往返冲击破碎。该方法既解决了孤石冲击的松动问题，又提高了孤石冲击破碎的效果。

4)对于槽段内出现的斜面岩，通过将旋挖钻机的普通钻头改进为牙轮钻头，克服了冲锤和普通旋挖钻机施工过程中的卡锤、偏孔、钻头崩齿严重、无法引孔等问题，并通过取芯快捷高效地破除了斜面岩体。

5)施工至花岗岩风化层时，通过 “两钻一抓”的施工工艺，提高施工效率，顺利成槽。

6)泥浆对槽壁既有支撑作用，能防止槽壁倒塌，又有携渣作用，利于外排，因此应定期检测泥浆质量，确保其性能稳定。

7)复杂地层中的地下连续墙施工工艺复杂多样，生产资源调配频繁。在今后的施工中，如何通过组织管理，最大限度地实现各工序平行作业，大幅提高成槽施工效率、节约工期、提高效益，还需继续优化和改进。