弱风化高强度岩石地层中地下连续墙成槽施工技术

杜在松（上海建通工程建设有限公司， 上海 200060）

随着我国大直径盾构施工技术在公路工程中的广泛应用，地下连续墙（以下简称“地连墙”）成为盾构始发和接收工作井基坑围护结构的主要形式。这种基坑地连墙深度一般在50 m左右，施工时会遇到各种各样的复杂地质情况，特别是地连墙入岩施工，需要采取针对性的技术措施才能顺利完成施工任务。浙江省某在建公路工程（以下简称“本工程”）地连墙下部围岩是火山凝灰岩，极其坚硬，地连墙成槽施工遇到了前所未有的挑战。

1 工程概况

1.1 工程设计概况

本工程为浙江省舟山市某一级公路，全长2.2 km，包括海底隧道和山岭隧道两段，盾构接收井处在两段隧道中间。盾构接收井长25 m，宽50.6 m，基坑开挖深度27.95 m。基坑地连墙共28幅，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10，地连墙相邻槽段之间采用工字钢接头。地连墙厚度1 200 mm，有效长度44.205 m，成槽深度46.951 m，入岩深度范围为9.5 m～19.5 m。

1.2 工程地质及水文地质

1.2.1 工程地质情况

工作井场地位于海积平原，表土层主要是建筑垃圾和人工围基填土，其下为海积淤泥质粉质黏土、含黏土粉质碎石、含碎石粉质黏土，下伏基岩为晶屑熔结凝灰岩。岩石硬度较高，单轴饱和抗压强度（Rc）一般范围为55 MPa～60 MPa，最大达到91 MPa。

场地属海边岸坡地段，距离海岸约30 m，地层较稳定。地层分布情况如表1所示。

表 1 地层分布统计表

1.2.2 水文地质情况

地下水主要为基岩裂隙水和松散孔隙潜水，地下水易于聚集，渗透性大。

1.3 场地周边环境

盾构接收井位置周边交通较发达，地连墙施工影响范围内主要以道路和空地为主，基坑周边建筑物、管线均已废弃或迁改，施工期间对周边管线和建筑物无影响。

2 工程重点难点分析

2.1 岩层坚硬，成槽困难

根据地质勘查报告，地连墙入岩深度范围为9.5 m～19.5 m，下伏基岩为晶屑熔结凝灰岩，该岩石硬度较高，单轴饱和抗压强度最大达到91.0 MPa。此种地质条件施工难度可想而知，对施工技术及工作效率都会产生很大的挑战。

2.2 槽壁坍塌风险大

成槽深度达46.951 m，且上软下硬。在冲击破除下部岩层的时候，上部槽壁坍塌风险很大。

3 施工技术措施

3.1 导墙施工保证措施

（1）为保证后期基坑主体结构的净空尺寸符合设计及规范要求，抵消基坑开挖时地连墙向基坑方向产生的位移和变形，地连墙施工时中心轴线外放10 cm。

（2）导墙每段长度约30 m，分段施工缝与连续墙的分幅接头错开0.5 m以上。

（3）导墙在拆模后及时沿其纵向每隔2 m设上、下两道方木支撑，将两片导墙支撑起来，以防导墙壁位移。

3.2 泥浆制备

本工程成槽深度较深，且下部入岩，泥浆的好坏关乎着地连墙成槽的质量，因此在泥浆指标控制上力求适当提高泥浆的黏度和比重，以增加泥浆护壁能力和悬浮沉渣能力，降低沉渣厚度，并保证槽壁稳定。

3.2.1 泥浆材料

采用复合钠基膨润土泥浆，由优质的复合钠基膨润土、纯碱、CmC材料按一定比例配制。其护壁机理为由聚合物和膨润土颗粒共同构成的泥皮对槽壁的胶结作用，可在槽壁孔壁形成又薄又韧、致密的泥皮。这种泥皮大大降低了泥浆的滤失，使泥浆的失水量减少，从而降低了对周边地层含水量的扰动，使孔壁周边的地层尽量保持原状，防塌性能增强。

3.2.2 泥浆控制指标

泥浆的各项性能指标，如表2所示。

表 2 泥浆性能指标表

3.3 地连墙成槽施工

工作井地连墙墙入岩深度较深，采用液压抓斗+旋冲结合法成槽施工工艺，即连续墙上部软土槽段采用液压抓斗成槽，下部入岩槽段采用旋挖钻机+圆形冲击钻机+方形冲击钻机相结合成槽。入岩时在槽壁上划出每个主孔的中心位置，首先使用旋挖机钻进主孔至设计标高，再用圆形冲击锤冲击副孔（主孔之间的残梗处），最后用方形冲锤修边。主副孔布置，如图1所示。

图 1 地连墙成槽施工平面分布图

3.3.1 成槽施工准备

（1）根据设计图纸，用红漆标出单元槽段位置及编号，每抓的宽度位置、旋挖钻主孔位置、钢筋笼搁置位置及锁扣管安放位置，并测量导墙顶标高。

（2）在槽段两侧进行堵漏、清除导墙内垃圾杂物，注入合格泥浆不低于导墙顶面下30 cm。

（3）成槽机就位后，纵横两个方向垂直度都要进行观测。

（4）对于闭合幅槽段，应提前复测槽段宽度，根据实际宽度调整钢筋笼宽度。

3.3.2 成槽施工

（1）成槽施工工艺流程。成槽机抓土至基岩面→旋挖钻钻主孔至风化岩层→圆形冲锤冲击副孔→方形冲锤修边→成槽机清渣→超声波检测槽壁垂直度→清孔→成槽完成。

（2）软土成槽。单元槽段采用先两侧后中间的顺序（如图2所示），即先挖槽段两端的单孔、再开挖两个单孔之间留下来的隔墙。这样能使抓斗在挖单孔时吃力均衡，可以有效地纠偏，保证成槽垂直度。

图 2 地连墙单元槽段成槽顺序图

挖槽过程中，抓斗入槽、出槽应慢速、稳当，根据成槽机仪表及实测的垂直度及时纠偏。挖槽时，应防止由于次序不当造成的槽段失稳或局部坍塌。

当成槽机开挖功效明显降低、开挖困难、进尺低于40 cm/h时，要根据抓取出的渣样判定是否进入全风化凝灰岩层。如果是全风化凝灰岩，软土成槽深度应到此为止，即可停止成槽机开挖施工，以下部分更换旋挖钻机进行入岩成槽。

（3）入岩成槽。首先，旋挖钻机施工主孔。5个主孔的旋挖钻机施工顺序为：主孔1→主孔5→主孔3→主孔2→主孔4。

在全风化凝灰岩层中，旋挖钻机采用捞沙斗钻头。该钻头下部配备有两排截齿，能容易地破坏并取出全风化的岩石，在全风化岩石里面钻进效果较好。

随着钻进的深入，岩石风化减弱，捞沙斗钻头钻进效率逐渐降低，最后每小时进尺不足50 cm，说明捞沙斗钻头不再适应较硬岩石，需要更换成“截齿桶”钻头进行施工。截齿桶型钻头环绕周边一圈共有18个截齿，齿向内外交错布置，适应强风化岩层，利用截齿对岩石进行环形切割，最后用钻筒内的卡槽将岩石扭断并取出。施工期间截齿磨损较快，为防止磨坏截齿、齿座，每进尺1.0 m需对磨损较大的截齿进行更换。截齿磨损检查和更换频繁，工作量很大。施工中，由于截齿更换不及时造成齿座损坏的现象时有发生，而更换一个齿座需要1.5 h（更换一个截齿仅需3 min～5 min），这无形中对施工进度造成了很大的影响。

进入中风化岩层后，岩石强度增大，截齿损坏周期加快，截齿钻头钻进效率明显降低。此时需要将钻头更换为牙轮钻头进行施工。牙轮钻头周边共有10个牙轮，牙轮内外交错布置。该型钻头适合在中风化岩层中使用。

其次，圆形冲击钻施工副孔。施工初期为了加快施工进度，采用旋挖钻将主孔施工完成后，直接采用方锤修槽施工，但是经常发生卡锤现象，锤头无法捞起，甚至导致卷扬机钢丝绳被拉断。这样做不仅没有加快施工进度反而带来了更大麻烦，于是又恢复了原定施工工艺，即在方锤修槽之前先用直径1.2 m的圆形冲锤（重约4 t）施工副孔。副孔施工顺序为：副1→副4→副2→副3。

再次，方形冲锤修边。副孔施工完毕后，采用1.2 m×1.4 m方锤（重约6 t）对槽壁冲击修边施工。

最后，成槽机清底。冲锤施工完成后，用成槽机抓斗进行清底，抓斗伸入槽段底部取出残渣，直到清理至设计标高。若无法正常下放成槽机则采用方形冲锤继续修边，直至成槽机上下通过顺利为止。

（4）刷壁。为提高接头处的抗渗及抗剪性能，在清孔之前需在连续墙接头处对先行幅墙体接缝进行刷壁清洗。刷壁使用重型抓斗侧焊接接头刷，上下反复刷动至少20次，直到接头刷上无泥为止。清刷过程中要对刷头进行清洗，确保接头无夹泥。

（5）清孔换浆。

清孔方法。采用置换法清除沟槽内黏稠泥浆及细小渣土。使用空气升液器，由起重机悬吊入槽，空气压缩机输送压缩空气，以泥浆反循环法吸除沉积在槽底部的土碴淤泥。

清孔开始时间。在地连墙沟槽刷壁及挖除槽底沉渣之后进行。清孔开始时，令起重机悬吊空气升液器入槽，吊空气升液器的吸泥管不能直接放到槽底底部，先在离槽底1 m～2 m处进行试吸，防止吸泥管的吸入口陷进土渣石块堵塞吸泥管。然后吸泥管由浅入深，使空气升液器的喇叭口在槽段全长范围内离槽底0.5 m处前后左右移动，吸除槽底部土碴淤泥，直至抽查泥浆浓度符合要求为止。

4 地连墙成槽施工的总结和反思

地连墙成槽施工过程中，由于岩石极其坚硬，出现过卡钻、偏斜、进尺缓慢等异常情况，但是通过不断总结施工经验，采取针对性技术措施，加强组织管理调整作业方式，攻克了坚硬岩石中成槽施工遇到的技术难关，最终，28幅地连墙顺利完成施工。施工期间，通过对地连墙成槽施工质量检测，检测指标符合设计及规范要求。后期基坑开挖后，地连墙墙面平整，接缝严密（个别点有轻微渗水现象），竖直度符合要求，无侵界现象。地连墙成槽施工质量符合设计及相关规范要求。

经过总结和反思，笔者认为以下几个问题值得借鉴参考。

（1）由于地层岩石非常坚硬，成槽极其困难，对工期影响很大。本接收井地连墙施工计划工期是4个月，尽管采取了各种技术措施及组织措施，最终因为地连墙成槽施工造成工期滞后，实际工期用了7个月，其中一幅地连墙成槽耗时约1个月。

（2）成槽清孔尤其重要。由于成槽时泥浆浓度较大，悬浮大量小石子、泥土颗粒，如果第一次清孔不到位，那么钢筋笼下放之后沉渣厚度很大，二次清孔难度就会放大。如果二次清孔不彻底，就会造成混凝土夹渣、导管堵塞、浇筑混凝土不顺利等问题。

（3）旋挖钻易损件使用周期短，更换频率高，费工耗时。旋挖钻在坚硬岩层中施工，截齿、牙轮等易损件磨损很快，要多配备件，并且要勤检查勤更换，避免因钻头磨损严重造成进尺缓慢、功效底下等情况。

（4）岩层内成槽容易发生偏斜现象。由于地下岩面大部分曾斜坡状，入岩成槽时槽孔很容易偏斜，所以在施工过程中要对槽孔垂直度进行检测。一旦发生偏孔，可采用高标号素混凝土回填，然后重新钻孔。