软硬不均地层地下连续墙成槽质量控制研究

罗凤江，董海洲，牛若歆，刘 军，闵凡路，赵伏田

(1.中铁二十四局集团有限公司,上海 200040; 2.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210024)

地下连续墙由于施工振动小、整体稳定性好、防渗性能好、应用广泛等优点,可兼做深基坑的截水防渗、挡土承重的主要结构,在当前城市地铁车站的建设中作为首选的围护结构形式而被广泛应用[1-4]。地下连续墙主要施工流程是:首先,借助泥浆护壁,沿着深开挖工程边缘轴线进行成槽作业,并形成一定长度的槽段,再向槽段内放入制作加工完成的钢筋笼,最后经过水下混凝土浇筑后形成墙段。重复连续施工后,各墙段会相互连接构成完整的地下墙体结构。由于地下连续墙的施工方法可对任意深度及断面的深槽进行作业,因此其能够根据设计要求,建造各类深度、长宽、形状及强度的地下墙。

地铁基坑一般较深,常面临复杂的地质状况,软硬不均地层是其中常见问题之一。其中较软岩层自稳能力较差,施工扰动下容易坍塌,而较硬地层的强度较高,导致液压抓斗成槽机工作效率下降。因此,针对不同类型的地层条件,需要采用适当的施工机械和工艺[5],以调整合适的泥浆性能预防塌孔或塌槽的发生[6-8]。

南京地铁7号线福建路站土层为软硬不均地层,在上部粉砂层和下部泥质砂岩之间夹有粉质黏土层。软硬不均地层的复杂条件使地下连续墙施工存在困难,容易造成塌孔或塌槽、槽壁垂直度低等现象,施工质量和进度难以保证。本文对软硬不均地层中地下连续墙各主要施工环节的施工要点开展研究,提出相应的质量控制措施,以提高地下连续墙的施工精度,并为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

福建路站位于福建路、察哈尔路与中山北路路口,沿福建路、察哈尔路呈东西向布设,与5号线车站在路口形成十字交叉。本站为一座地下3层的岛式站台车站,采用双柱三跨箱型结构形式,其总长274.7 m,标准段外包宽22.9 m,顶板覆土厚度约3.8 m。标准段底板底埋深24.8 m,左右端头井底板底埋深26 m。

车站基坑以地下连续墙作为围护结构体系,其中,西端头井段采用1.2 m厚地下连续墙,剩余部位采用1.0 m厚地下连续墙。地下连续墙可兼做止水帷幕,底部插入相对隔水层,以隔绝基坑外部的地下水补给。地下1层～3层结构为车站的附属结构,而其基坑平均开挖深度10.5 m～23.5 m左右。

车站处于秦淮河漫滩地貌单元,砂土、粉土发育,场地覆盖层厚度21.90 m～42.20 m,上覆土层厚度和性质差异明显。地层分布由上到下依次为:①填土(杂填土、素填土、淤泥质填土),埋深约0.30 m～4.4 m;②粉砂、粉土互层,下有粉质黏土,埋深约4.6 m～42.2 m;③强、中风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩,埋深约22.5 m～45 m。

2 地下连续墙成槽施工工艺

地下连续墙的建造主要环节包括:测量放样→导墙施工→泥浆护壁→成槽机成槽→清槽→钢筋笼吊装→工字钢背后回填→水下混凝土浇筑等。若某一环节未达到设计施工要求,都可能导致工程问题的出现,影响地下连续墙支护、防渗等功能。软硬不均地层对地下连续墙施工所带来的影响主要体现在成槽时不易成槽、易发生塌槽塌孔以及造成槽壁垂直度低等方面,其他环节可按照正常地层施工。因此,需要在成槽时选用适宜的施工机械及工艺,配制合适性能的泥浆,并做好槽壁垂直度检测和控制。

2.1 成槽机械选择

结合福建路站施工区域的地质条件,对位于强风化地层以上的各地层,考虑选用SJ70型液压抓斗成槽机,其抓斗最大张开幅度可达2.8 m,同时其配备的自动纠偏系统可在成槽期间实时监测槽壁垂直度。此外,施工中所产生的渣土以自卸汽车运至临时渣土堆场,经排水后再转运出场。针对强风化岩面,其岩石强度小于30 MPa,此时需采用SCR-285旋挖钻进行岩石段槽段开挖施工,若部分槽段存在岩石强度大于30 MPa地层时,首先利用GC-1200型冲击钻将孔间岩墙击碎后,再进行后续的扫孔成槽作业(见图1)。

2.2 槽段开挖

成槽开挖作为地下连续墙施工期间的关键工序。为保证槽段成槽的最佳质量,并结合本项目的地质资料和设计要求,故选用液压抓斗、旋挖钻机和冲击钻机进行槽段成槽开挖作业,其具体施工方式如下所述:

1)为保证抓斗下放位置的准确性,同时避免抓斗发生左右倾斜,故在成槽施工开始前需要对抓斗每次下放的中心位置进行严格定位,并在导墙上放置标志物。

2)在成槽施工期间,为保证成槽机抓斗下放的精准度,抓斗中心与导墙上的标记物应严格对应;与此同时,抓斗还应平行于导墙下放,即抓斗中心线应与导墙中心线相重合。

3)地下连续墙槽段采用跳槽法进行施工。槽段的首开幅和闭合幅位置参考单元槽段的长度与成槽机开口的宽度数据确定,此举可以有效保证成槽机作业期间两侧邻界条件的均衡性,进而确保槽段内壁的垂直度满足施工要求。此外,为确保成槽垂直度质量,在成槽结束后可借助超声波仪进行检验。

4)单元槽段的施工选用“两钻一抓”的作业方式,即首先对槽段两端进行开挖,之后再进行中间段隔墙的开挖。由于中间段隔墙长度小于抓斗开斗长度,因此抓斗能够套住隔墙进行开挖,吃力较为均衡,且能够有效纠偏,进而确保槽段的成槽垂直度满足要求。

5)因为抓斗成槽垂直度各不相同会形成凹凸面,故待开挖至设计深度后,需再沿槽段长度方向套挖几斗将凹凸面修理平整,确保槽段横向良好的直线性。

6)完成成槽后,使用抓斗清理槽段设计深度的槽底沉渣。

7)转角处部分槽段会出现一斗无法完全挖尽,或能够一斗挖尽但作业期间抓斗受力的均匀性难以保证的情况。此时,应根据现场实际施工情况在抓斗位置放置特制钢支架以平衡阻力,避免抓斗因受力不匀衡而出现左右倾斜的现象。

8)在成槽开挖期间还应注意以下方面:抓斗应闭斗并缓慢下放,正式开挖时再张开;施工期间,为避免抓斗在槽段内形成涡流并对槽壁产生冲刷造成塌方,因此抓斗的每斗进尺深度应控制在0.3 m左右;此外,在槽段内混凝土未浇筑前,严禁大型机械在槽段附近作业或行走。

9)在槽段成槽期间,必须严格控制抓斗的垂直度。具体可利用成槽机自身所配备的垂直度检测仪表进行实时监测,若出现偏差须及时纠偏,确保垂直度不大于1/300。

2.3 土层成槽

考虑到抓斗的冲击力和闭合力,对强风化岩以上的各地层可选用液压抓斗进行开挖施工。在成槽作业期间,需对抓斗的平面位置和垂直度进行严格控制,特别是开槽阶段。若发现X轴和Y轴的任一方向上的抓斗垂直度超出偏差允许值,此刻必须立即进行纠偏。

成槽机抓斗还应紧贴导墙入槽,且整个操作期间需保持抓斗的平稳。此外,若成槽期间发现槽段内的泥浆高度不足,应及时补足以维持导墙中泥浆液面的稳定。而槽段开挖的顺序及流程参见图2。

2.4 岩层成槽

在进入中风化岩层后成槽机进尺缓慢,功效较低。改用旋挖钻进行岩层段的成槽施工,开孔方式按照先行幅、后行幅分为以下几种,见图3。

成孔选用SCR285旋挖钻机(现场施工图见图4),采用人造泥浆静态护壁。根据本工程地下连续墙厚度,成孔时钻头直径取900 mm。当钻孔至设计标高应停止旋挖,钻孔不得小于岩层底部。成孔垂直度偏差不大于1/300。成孔时应及时补充泥浆,同时泥浆液面高度距离导墙顶应保持在30 cm左右。

2.5 槽段检验

成槽施工结束后,必须对槽段成槽质量进行全方位的检测,检测内容包括平面位置、深度和垂直度是否存在偏差。而检验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测锤进行检验,其偏差值可用槽段两端实测位置线与该槽段分幅线之间的偏差表示;2)槽段深度也使用测锤检测,其值可用实测槽段左中右三个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声波测壁仪器扫描槽段内的槽壁壁面(如图5所示),测量地下连续墙的成槽状态,对地下连续墙成槽垂直度和完成质量进行评价。

成槽质量应满足以下标准:1)槽段槽壁的垂直度应控制在1/300以内,且槽壁的局部突出不宜超出100 mm;2)槽段深度的允许误差应保持在+100 mm～-200 mm的范围内;3)槽段宽度的允许误差则不宜超过±10 mm;4)槽段长度,即轴线方向的允许偏差应保持在±50 mm的范围内;5)而墙顶中心线所能容许的偏差值则不应超过30 mm。

3 泥浆配制及槽底沉渣控制措施

由于地下连续墙的深度较大,且其各项施工工序的施工时间也相对较长,故其施工进度也相对较慢,尤其是在较硬地层进行施工时。与此同时,在作业完成并严格扫孔和清孔后,还需进行槽段钢筋笼吊装钢、槽段接头段回填和设置导管等工序,各项工序的总共用时较长,有时需4 h～6 h左右。而在此期间,槽段内悬浮在泥浆中的砂会逐渐下沉并堆积在槽段底部,致使槽段底部的沉渣过厚,进而加大地下连续墙接头部位和墙身主体发生夹泥的风险;同时,槽底较厚的沉渣也会增加混凝土浇筑难度。

因此,为减少砂粒的沉淀现象,避免槽段底部沉渣过厚,必须结合实际情况对泥浆指标进行相应的调整,以提高泥浆的浮砂能力和稳定性能,减缓浮砂的下沉速度,从而避免泥浆出现絮凝等现象。除此之外,泥浆的配制还应采取以下措施:

1)优质配浆材料的选用。常规泥浆会出现护壁性能和携渣能力不足、稳定性较差以及回收处理不当等方面的问题,因此,本项目选用新型复合钠基膨润土(GTC-4)进行泥浆配制。此类膨润土的造浆率高,其内还另外添加了特制的聚合物——200目钠基膨润土。因此,此种泥浆可适用于各类土层,尤其能够满足超深地下连续墙的护壁需求。

2)泥浆分离设备和工艺的改良。为提高泥浆的分离效率,确保泥浆中的砂粒能够完全被分离,进而保证泥浆的各项指标满足规范要求,本项目施工现场配备了宜昌黑旋风公司设计的泥浆分离系统。该系统改变了传统振动筛的筛网结构,并同时增设了旋流分离器,故其对较大泥沙颗粒、垃圾和细微砂砾的分离效率较高。

此外,为更高程度的保证泥浆的分离质量,本项目还对泥浆回收分离净化工艺进行了优化改良,其具体工作流程为:泥浆首先会通过土渣分离筛,泥浆中粒径大于1 mm的泥土和泥沙颗粒会被筛分出来,以防止此类堵塞旋流除碴器下泄口;一次筛分后的泥浆会依次通过由沉淀池、旋流除碴器和双层振动筛所组成的多级分离系统,以进一步净化泥浆中的细小泥沙,以此降低泥浆的比重与含砂量,直至泥浆的比重和含砂量满足要求为止,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%。

本分离系统所能分离的最小颗粒粒径为0.045 mm,因此泥浆中粒径小于0.045 mm的颗粒无法被分离,部分泥浆的比重可能无法满足要求。此时,就需将因无法分离且比重超标的泥浆全部排除并用各项指标满足要求的新鲜泥浆置换。

4 成槽施工质量控制措施

成槽过程中,软土层和厚砂层极易出现槽壁坍塌,针对此类地质条件,为保证地下连续墙槽段的槽壁稳定性,需在成槽施工期间采取以下措施:

1)在保证成槽机抓斗作业半径的前提下,确定成槽机械的施工位置;同时,还应确保成槽机履带平行于导墙并应尽量远离导墙边缘,以减少施工期间可能对槽壁所产生的影响。

2)成槽机的作业平台地面需提前进行硬化处理,一般铺筑30 cm厚的C35混凝土进行处理;成槽机作业期间其履带必须停放于混凝土地面上,以分散机械对地面的集中荷载作用,并保持施工区域地层的稳定性。

3)成槽机作业期间,成槽机抓斗应轻放慢提,并严格控制成槽施工的速度,以防止槽段内存在负压区,造成槽段槽壁发生塌方。

4)护壁泥浆质量应优良,其应具备黏度大,失水量小,能够形成薄而韧泥皮的特点,从而确保槽段内壁在施工期间可以保持稳定。此外,根据成槽过程中土壁的变化情况,可添加外加剂以调整泥浆指标,保证泥浆能够维持槽段的稳定。

5)铣削时,铣头刮刀四周受力不均会造成铣头倾斜,进而引起槽孔偏斜。为避免此类现象的发生,应分别在铣头的左右两侧各安装2块导向板,前后两侧各安装4块纠偏板。同时,利用触摸屏控制液压千斤顶系统调整导向板和纠偏板位置,控制铣头姿态,控制铣头下降速度,以有效保障槽壁垂直度。

6)施工期间槽段内若出现泥浆缺失,需及时补浆并将泥浆液面高度始终保持在稳定槽段所必须的液面高度,具体指低于导墙30 cm以下,且高于地下水位1 m以上的位置。

7)施工期间若遇雨天或地下水位上升等情况,则需相应地加大泥浆的比重和黏度。如果雨势较大则应暂停施工,并封盖槽段以避免雨水渗入。

8)由于槽段土壁会受到周围荷载作用而产生坍塌,故在槽段施工期间还应严格控制槽段附近地面的附加荷载,通常情况下槽壁附近的堆载不应超过20 kPa,且施工所需的起吊设备和载重汽车的轮缘与槽壁的距离应不小于3.5 m。

9)成槽施工结束后,在进行完全彻底的清底和泥浆置换后方可进行剩余其他工序。值得注意的是,在整个钢筋笼吊装期间,应保证钢筋笼的稳、准、平,避免因钢筋笼的上下移动而引起的槽壁坍塌。此外,各工序间的衔接应严格保障,并尽量缩短已开挖槽壁的暴露时间。

10)针对“Z”“L”型槽段易塌的阳角部位,可预先进行注浆作业。

在整个槽段的施工期间,一旦出现塌槽问题就必须及时填入砂土,并用抓斗回填压实;同时,在槽段内外两侧位置进行注浆处理,一般需选择距槽壁1 m的位置,待密实后再进行后续的开挖步骤。

5 结语

地铁车站基坑较深,目前常选用地下连续墙作为围护结构,可以兼顾阻水、承重、挡土等功能,但往往面临软硬不均的地层地质条件,为地下连续墙成槽施工带来不利影响。针对软硬不均地层地下连续墙成槽施工的难点,得出如下结论:

1)对于较软和较硬地层,分别采用不同的施工机械和施工工艺流程,如在较软地层可采用液压抓斗成槽机,在较硬地层采用旋挖钻成槽。

2)选用新型材料配制泥浆,对泥浆分离设备和工艺进行改良,提高泥浆分离效率,满足护壁要求。

3)成槽机成槽期间应确保槽壁的稳定性,一般在保证护壁泥浆指标符合要求的前提下,同时采取相应措施保证施工质量,包括成槽机定位、控制成槽速度和槽孔垂直度、及时补浆、减小地面附加荷载以及缩短晾槽时间等。