综合管廊综合井超硬陡岩含孤石地质地下连续墙施工技术

邱永钦

（广州市第三市政工程有限公司 广州 510060）

0 引言

随着城市建设发展，城市地下空间利用越来越受重视。在城市地下工程开发建设过程中，地下连续墙作为深基坑支护的形式之一，因其防渗性能好、刚度大、安全可靠度高而被广泛采用。但是因地下连续墙在很软的淤泥质土、含孤石的冲积层、超硬岩石等一些特殊的地质条件下，施工难度大，使得地下连续墙施工在进度、质量上难以保证［1］。同时由于城市建筑物密集，对施工过程的振动控制和位移沉降要求高，故对地下连续墙施工提出了更高的要求。

1 工程概况

广州某地下综合管廊H8 综合井为盾构管廊的吊出井，为配合盾构机出洞，施工工期只有200 d，工期紧，以满足盾构达到的节点要求为标准。地质条件复杂，地层中含有多层孤石，且孤石和基岩为平均90 MPa的超硬岩，基岩面倾斜角度大；周边环境复杂，基坑距离重要变电站的最近距离仅为12.0 m，变电站要求允许质点振动速度≤0.5 cm∕s；施工场地狭小，平面尺寸为37.7 m×13.5 m。在此复杂施工环境和地质条件下，能够选择的施工工艺及方法少，效率低下，在进度和质量控制方面存在较大的不确定性［2］。

2 本施工技术的工艺特点和原理

2.1 工艺特点

2.1.1 成槽震动有限元分析

采用计算机辅助BIM 建模技术及仿真有限元分析，建立高精度地质、地形模型，分析施工过程的震动影响，为孤石定位、场地布置及安全评估提供理论依据［3］。

2.1.2 孤石预处理

采取注浆及超前钻对孤石进行预处理，钻孔布置形式采用孔径108 mm，间距为300 mm 的菱形布置，以经济有效的方式固定孤石并破坏孤石整体性［4］。

2.1.3 旋挖钻机加铣槽机组合工艺

旋挖钻机加铣槽机组合工艺，充分发挥不同类型机械的特点，在保证成槽质量的同时，控制施工震动，提高成槽效率［5］。

2.2 工艺原理

2.2.1 加密地质补勘和地质与场地建模

利用加密详勘点数据及各土层面标高形成点云数据，导入Civil 3D 生成地层曲面，地层曲面间围合成地质实体，通过Dynamo转换成revit模型。

2.2.2 孤石注浆预处理

通过注水泥浆使孤石与周围土体固结成整体，减少孤石的自由度，降低成槽时孤石与周围土体的强度差，避免因孤石移动或软硬不均造成的偏孔及卡机问题。

2.2.3 孤石钻孔预处理

用超前钻在有孤石位置处按一定间距以菱形布置方式形成10～12 cm 孔洞，破坏硬岩整体性，有效提高成槽效率与质量。

2.2.4 旋挖机加铣槽机组合成槽

用旋挖机大块取芯形成等距先导孔，保证垂直度，同时在岩体上形成临空面，在双轮铣槽机铣齿的作用下，岩体容易出现片状剥落，增加了铣轮与岩层的接触面积，在避免爆破等大的冲击震动和保证成槽质量的情况下，有效缩短成槽时间［6］。

3 施工流程及施工方法

3.1 施工流程

具体施工工艺流程如下：加密地质补勘➝地质与场地建模➝成槽震动有限元分析➝导墙施工➝孤石注浆预处理➝孤石钻孔预处理➝旋挖导孔施工➝双轮铣槽机成槽➝钢筋笼安装➝水下混凝土浇筑［7］

3.2 施工方法

3.2.1 加密地质补勘

⑴钻孔依据基坑边线及角点方格网布置，纵横间距约为5.0 m，外围孔比基坑外边线扩大一个孔距。

⑵孔深不得小于基坑深度的2 倍或进入结构底板以下中（微）风化岩至少5.0～8.0 m［8］。

⑶取样要求：取土钻孔分层采取原状土样，间距为2.0 m，如土层较均匀且厚度较大，取土间距可适当加宽。岩样按风化程度和岩性分别采取，带厚＞3.0 m，上、下各采1组；带厚＞5.0 m，上、中、下各取1组。

3.2.2 地质与场地建模

⑴将地质加密补勘个点数据输入至EXCEL，如表1 所示，把不同地质层面的三维数据（XYZ）抽取出各另存为CVS文件，以便Civil 3D识别导入。

表1 点数据输入ExcelTab.1 Point Data Input into Excel

⑵打开Civil 3D 添加点文件，指定点文件格式为ENZ，选定整理好的CVS 文件，将花岗岩面三维数据导入Civil 3D，自动生成花岗岩曲面，如图1、图2所示。

图1 生成花岗岩曲面Fig.1 Generate Granite Surface

图2 导入三维坐标Fig.2 Importing the 3D Coordinate

⑶选择已生成曲面，点击从曲面提取实体，根据地质加密补勘钻探深度，在固定高程处输入花岗岩底面标高，创建花岗岩实体地质模型，如图3、图4所示。

图3 输入岩底标高Fig.3 Input Rock Bottom Elevation

图4 创建花岗岩模型Fig.4 Create the Granite Model

⑷利用revit 插件Dynamo 导入由Civil 3D 生成的实体花岗岩并生成对应族，其中由Select Model Element节点导入Civil 3D创建的实体模型，如图5、图6所示。

图5 Dynamo节点Fig.5 Dynamo Node

图6 花岗岩族Fig.6 Granite Family

⑸场地模型尺寸应与设计图纸一致，基坑与场地相对位置应与实际一致。导入花岗岩模型后地质模型与场地模型相对位置方向需一致，如图7所示。

图7 场地模型Fig.7 Site Model

3.2.3 成槽震动有限元分析设计

⑴采用有限元软件Midas∕GTS 仿真分析两种施工工况（分别为圆形桩锤冲孔和方锤冲击引孔后的岩面）对周围环境的动力响应，对比施工现场实测数据，验证有限元分析结果，确保施工过程震动控制满足毗邻变电站的要求［9］，如图8所示。

图8 工况模拟Fig.8 Working Condition Simulation

⑵为保证有限元分析的准确性，总体模型计算区域为：以基坑外水平向几何尺寸取基坑开挖深度的3～5 倍以上，竖直向取基坑开挖深度的2～4 倍以上，以减小边界效应影响。

⑶边界应取Midas∕GTS内部提供的吸收边界-地面曲面弹簧，避免冲锤冲击时产生波的多次反射，与现实中土的半无限空间体效应不符。

⑷在实验室中进行落锤冲击混凝土试验得出冲击力时程曲线，在模拟分析时简化为三角形荷载模型，以此确定模拟时落锤冲击力［10］，如图9所示。

图9 冲击荷载时程曲线Fig.9 Time-history Curve of Laboratory Impact Load and Model Impact Load

3.2.4 导墙施工

⑴严格控制导墙施工精度，确保内墙面与地墙纵轴线平行度误差为±10 mm，内墙面垂直度0.5%，导墙内墙面平整度为3 mm，内外墙净距允许偏差±10 mm，导墙顶面平整度±5 mm。

⑵导沟开挖要求槽底平整度不超过±20 mm，同时不能扰动槽底土层，要求导墙坐落于原状土上。

⑶钢筋绑扎要求主筋间距误差≤±10 mm，绑扎不得漏绑少绑，导墙混凝土要求密实，不得有蜂窝、麻面、孔洞。

⑷ 导墙模板拆除后立即用方木对导墙进行对撑，确保导墙轴线不变形走样，且支撑仅在槽段开挖时才拆除，确保导墙垂直精度。

⑸导墙未达设计强度禁止重型设备接近，不准在导墙上进行钢筋笼的制作及吊放。

3.2.5 孤石注浆预处理

⑴施工前在现场取各层土样，在室内按不同的含水量和配合比进行试验，利用超前钻及抽芯检查，检测固结体完整性及与孤石的紧密性，最终选定参数二，如表2 所示，在剩下的含孤石槽段以此参数喷浆作业。

表2 高压旋喷桩试桩参数Tab.2 Test Parameters of High-pressure Jetting Piles

⑵钻机移动到施工点，对钻机进行调平、对中，调整孔洞的垂直度，保证钻杆与孔洞一致，偏差应在10 mm 以内，施工时喷管的允许倾斜度小于1%。

⑶高压旋喷桩施工水泥采用42.5R 普通硅酸盐水泥，设计要求水泥掺量不小于250 kg∕m，通过试桩确定水泥掺量为250 kg∕m，水泥浆水灰比选用1∶1。

⑷水泥浆液应严格按照设计配合比制作，制备好的浆液不得离析，停置时间不得超过2 h，若停置时间超过2 h，不得使用。

⑸旋喷注浆后，水分很快向桩体的底部和四周渗透，水泥土浆靠自重作用不断往下沉，因此在水泥土浆终凝前要及时补充浆液，同时用振捣棒上下振捣，直至填满。

⑹注浆至花岗岩顶部10 cm处结束施工，浆液凝结达到设计强度后开始超前钻施工。

3.2.6 孤石钻孔预处理

⑴根据补勘报告，在含孤石硬岩区域布置超前钻机钻孔施工，如图10所示，钻孔孔洞以间距300 mm菱形分布，直径控制在108 mm，采用移动方便的GXY-1B型钻机配上金刚钻钻孔施工。

图10 超前钻施工布置Fig.10 Construction Layout of Advance Drilling （mm）

⑵施工平台的平面尺寸应按钻机数量和钻机底座平面尺寸、钻机移位要求、施工方法以及其他配合施工机具设施布置等情况确定。

⑶施工前钻机架立牢固，支座稳固，钻杆竖直；钻进过程中，保证钻杆的垂直度，钻探过程应防止出现斜孔，一旦发现应及时矫正；同时采用泥浆护壁，泥浆比重在1.2～1.4 之间，采用膨润土和纯碱配合造浆，防止钻进时出现塌孔。

3.2.7 旋挖导孔

⑴旋挖导孔位置根据铣槽机施工时铣轮大小位置确定。导孔中心与铣轮中心应竖直对齐，两导孔距离即为双轮铣槽机两铣轮的距离。

⑵钻机就位必须做到对中、水平、稳固，天车中心、转盘中心与设计孔中心必须保证“三点一线”。

⑶旋挖钻机配备有电子控制系统显示并调整钻杆的垂直度，同时在钻杆的两个侧面均设有垂直度仪，在钻进过程中，要经常检查钻机平整度，主动钻杆垂直度，并及时校正。

⑷密实坚固倾斜地质施工时旋挖钻机容易卡钻偏孔，需定期按时检修钻具，如钻体底口边缘部位磨损状况、弹簧弹力，传动装置连接销轴、螺母，挂环焊接等，发现磨损应立即修复或更换，始终保持传动装置挂钩与挂环的紧密结合。

⑸钻进震动剧烈硬岩地质，将动力头转速降低，减轻轴压，降低发动机转速，通过操控降低钻进振动，穿过硬岩地质后恢复常规压力速度。

⑹钻孔发生弯孔缩孔时，一般可将钻头提到偏孔处进行反复扫孔，直到钻孔正直，如发生严重弯孔和探头石时，采用小片石或卵石与黏土混合物，回填到偏孔处，待填料沉实后再钻孔纠偏。

3.2.8 双轮铣槽机成槽

⑴双轮铣槽机定位需准确垂直，确保铣槽机滚轮中心与旋挖钻机两钻孔中心竖直对齐，加快铣槽机成槽效率［11］，如图11 所示，每一槽段按先槽段两端再到中间顺序进行成槽施工。

图11 旋挖机加铣槽机施工布置Fig.11 Construction Layout of Rotary Excavator and Slot Milling Machine （mm）

⑵槽孔铣削开始前要在槽口放置导向架，并根据地质情况调整好铣削进给速度。

⑶使用X、Y两个方向的纠偏板进行方向纠偏，纠偏过程中的各种方式均通过DMS 系统进行监控。被记录的参数及图示可作为文件显示出开挖点、段的垂直度值，经常检查孔斜情况，发现问题及时处理。

⑷ 孔斜超标严重时，需回填孔斜段后重新铣孔，回填材料可用较坚硬的块石或低标号混凝土。

⑸重新铣孔时需向与孔斜相反的方向适当移动铣孔中心，并注意轻打慢放，随时检查修孔效果，直至满足垂直度要求，利用液压铣槽机的测斜纠偏装置进行纠偏。

⑹停止铣削时需将铣削机头提出孔外，至少提离孔底2 m，及时处理孔内的漂石、孤石或障碍物，铣削作业进给速度不要过快，保持孔形垂直和规则，检查铣刀架的形状和尺寸是否存在变形，必要时进行修整。

⑺当有塌孔迹象时，要尽快将铣削头提出孔口，以防卡阻或埋头。

3.2.9 钢筋笼安装

⑴钢筋笼制作过程中，预埋件等位置要准确，并留出导管位置（对影响导管下放的预埋筋、接驳器等适当挪动位置），钢筋保护层定位块用4 mm 厚钢板，作成“〔”状，焊于水平筋上，起吊点满焊加强［12］。

⑵由于接驳器及预埋筋位置要求精度高，在钢筋笼制作过程中，根据吊筋位置，测出吊筋处导墙高程，确定出吊筋长度，以此作为基点，控制预埋件位置。在接驳筋后焊一道水平筋，以便固定接驳筋，水平筋与主筋间通过短筋连接。

⑶接驳器或预埋筋处钢筋笼的水平筋及中间加设的固定水平筋按3%坡度设置，以确保接驳器及预埋筋的预埋精度。

⑷地连墙开槽施工前确保有1～2 幅钢筋笼已经成形。

⑸钢筋笼中桁架和骨架必须按设计要求制作配制，钢筋笼尺寸符合设计图要求。钢筋笼吊点位置设置φ32（主筋为φ28 的钢筋笼，加强筋采用φ28）加强环筋以保证钢筋笼起吊的稳定性并阻止其发生变形。

3.2.10 水下混凝土浇筑

⑴施工时采用C30，P10，碎石级配5～25 mm，选用中粗砂，掺减水剂和UEA 膨胀剂，坍落度控制在18～20 cm。浇筑施工前必须进行混凝土配合比设计、进行强度、抗渗、耐久性等试验，选取理想的配合比。

⑵各节导管之间应尺量采用丝扣连接，连接处应加设橡胶垫圈密封，下导管前必须对连接好的导管进行气密性检验，压力控制在0.6～0.7 MPa。

⑶导管要求内壁表面光滑，导管接头密封良好，便于安装，并具有足够的强度和刚度。

⑷在“—”型和“┐”型槽段设置2套导管，在大于6.0 m 长的槽段设置3 套导管。导管水平布置距离应不大于3.0 m，距槽段端部不宜大于1.5 m。

⑸多管同时同步灌注时，通过测绳下吊测锤测量两端混凝土面高度，混凝土面应呈水平状态均匀上升，浇灌速度控制在3～5 m∕h，两管处的混凝土面高差不宜大于0.5 m，导管埋深始终控制在1.5～3.0 m之内。

⑹整个灌注过程必须连续进行，中断时间不得超过30 min，灌到墙顶位置要超灌0.3～0.5。首斗灌注混凝土量必须保证埋管深度大于50 cm，灌注过程中上下振捣导管，以保证混凝土在较大截面上顺利扩散，使网片、孔壁与混凝土结合紧密。

⑺ 地连墙接头处理如图12 所示，在钢筋笼工字钢上沿钢筋笼长度方向设置2 根定位木条，其空隙采用泡沫塑料填充，外部填充粘土包塞满空隙，有效防止混凝土绕流。

图12 地下连续墙接头处理Fig.12 Processing of Underground Diaphragm Wall Joints

4 结论

本文介绍了广州某地下综合管廊H8 综合井基坑地下连续墙的施工技术，现场通过有限元软件Midas GTS 分析模拟成槽施工全过程对变电站的振动响应，对超硬孤石采取注浆固定及微孔预处理和旋挖机加铣槽机组合成槽技术，避免由于孤石硬岩导致的“偏孔”等问题，解决了硬岩地质条件下地下连续墙成槽进度和质量无法保证的难题。该施工技术安全、可靠、施工震动小，保证了周边环境安全，适用于基坑周边建筑物对震动控制要求高，地质属于超硬微风化基岩且含超硬孤石情况的地下连续墙成槽施工，取得显著的经济效益及社会效益，对类似地下连续墙的施工具有指导和借鉴意义。