地下连续墙施工及常见渗漏水治理探讨

2010-08-03李舜

铁道标准设计 2010年1期

李舜

(中铁十六局集团有限公司,北京 100018)

1 概述

随着各大主要城市地面交通的日益拥挤,地铁将逐渐成为全国各大城市人们出行的主要交通工具。目前国内地铁车站施工大部分还是采用明挖法,基坑围护结构主要是高压旋喷桩、地下连续墙等支护方式。在众多的支护方法中,地下连续墙以刚度大、整体性强、位移控制效果好等突出的优点和广泛的适用性而得到了越来越多的应用。

所谓地下连续墙,就是预先进行成槽作业,形成具有一定长度的槽段,在槽段内放入预制好的钢筋笼,并浇筑混凝土建成墙段,如此连续施工,各墙段相互连接构成一道完整的地下墙体。由于这种施工方法可以开挖任意深度和断面的深槽,所以能够根据设计要求,建造各种深度、宽度、形状、长度和强度的地下墙。

某项目为在建大断面盾构隧道始发井地连墙施工,场地西邻 300m为人工运河,南侧距基坑 20m为高层住宅区,东邻城市主干道,北侧为待开发用地,现为水塘。地下水丰富,以粉质黏土和粉细沙为主。地下连续墙埋深 45.5m。笔者以该项目地下连续墙施工为背景,详细介绍地下连续墙施工工艺及要点,并对施工中出现的问题提出有效的处理措施。

2 地下连续墙施工工艺

在施工地下连续墙之前,首先明确施工工序及内容。其中包括:导墙施工、钢筋笼制作、泥浆制作、成槽放样、成槽、下接头管、钢筋笼吊放和下钢筋笼、下拔混凝土导管浇筑混凝土、拔接头管。

2.1 根据地质条件,选择挖槽方案

地下连续墙的挖槽,不能简单地理解成用挖槽机进行挖槽。实际工程中,由于地质情况变化较大,部分槽段的土质较硬,且有漂石时要采取综合的挖槽方案。因此对埋深较浅的连续墙,可选择抓斗挖槽简便有效。但地质复杂时可采用抓斗挖槽和冲击成槽相结合的施工方案。本工程中地质情况相对较好,只采用了挖槽机成槽,采用三抓成槽,且两侧抓挖为没有接头箱的抓斗一侧。成槽施工中注意车载测斜仪器指针,发现偏斜随时采用纠偏导板来纠偏。一旦遇到严重不均匀的地层,及时回填槽孔,然后重新挖掘。成槽过程中抓斗入槽、出槽均应慢速、平稳,防止泥浆掀起波浪,影响导墙下面及后面的土层稳定。每三抓作一次 180°旋转,以消除因斗齿咬合不均造成的槽位偏移,从各细节处保证槽段垂直度。

2.2 合理划分槽段

槽段的划分原则是不影响槽壁的稳定性,同时考虑附近已有建筑物情况、挖槽机类型、槽壁的稳定性、钢筋笼的质量等因素,尽可能地减少接头数量,不但可以提高施工效率,还可以提高地下连续墙的防水性和整体性。施工组织设计中为尽量避免闭合槽段的形成,采用连接幅顺序施工,即先完成首开幅槽段(本工程以转角槽段为首开槽段)的施工后在首开幅的两侧施工连接幅,连接幅钢筋笼一侧设止水钢板,另一侧无止水钢板。

2.3 严格防止导墙开裂和位移变形

导墙的作用是为挖槽机具导向、蓄存泥浆和防止槽口坍塌,同时可作为施工时水平与竖直测量的基准,安装钢筋笼、设置混凝土管、架设挖槽机具的支点。为此,在导墙的施工中重点是防止导墙开裂和位移变形过大。因此在本工程施工中用 U顶支撑导槽内两侧导墙模板,外侧用拉丝固定,如此保证导墙的精度。待混凝土达到设计强度后拆模并迅速回填密实,且禁止任何重型的机械设备在导墙附近停留。此外,在外侧导墙做 300mm×300mm的排水沟,与导墙一体浇筑,待盾构井开挖时,封闭形成排水沟。

2.4 根据施工过程调整泥浆性能

2.4.1 地下连续墙用泥浆的成分和性能要求

地下连续墙用泥浆通常是膨润土(主要成分:SiO2、Al2O3、Fe2O3)泥浆。泥浆成分是膨润土、掺合物和水。

2.4.2 调整泥浆性能的措施

在泥浆中掺入掺合剂改善泥浆的性能,提高泥浆的工作效能。

(1)掺入分散剂。当泥浆粘度太大时,可加入碳酸钙等分散剂以降低泥浆粘度,从而可以达到置换对膨润土有害的离子。

(2)掺入增粘剂 CMC。掺入泥浆后可提高泥浆的粘度,防止泥浆沉淀,使泥皮致密而坚韧,增强槽壁的稳定性。

(3)掺入堵漏剂。当槽壁是透水性较大的砂砾层,或由于泥浆粘度不够,形成泥皮能力弱等因素而出现泥浆失水量过大时,就需要掺入水泥、锯末等堵漏剂。

(4)掺入加重剂。当松软土层或在地下水位较高的槽段施工时,由于压力较大,需加大泥浆比重,以维护槽壁稳定。但如果一味加大膨润土的掺量,则会造成泥浆比重过大。

2.4.3 对泥浆进行净化处理

循环使用或浇筑混凝土置换的泥浆,其质量会逐步恶化,必须进行净化处理,才能继续使用。当地下连续墙工程结束后,将泥浆和泥水做分离处理,才可直接采用管沟排放。因此为满足泥浆循环使用及废浆的沉淀处理,施工中设置了 1个砖砌泥浆池,容积 360m3,分隔成两半,一为沉淀池,一为循环池。

2.5 地下连续墙钢筋笼吊装方案制定要点

地下连续墙的钢筋笼尺寸通常是按单元槽段制作而成,体积相对较大。要保证钢筋笼的整体刚度,应科学地编制吊装方案,并根据钢筋笼的重量和制定的起吊方式和吊点位置,在钢筋笼内布置 2～4榀纵向钢筋桁架及主筋平面的斜向拉条,以防止在起吊时钢筋笼横向变形和吊放入槽内时发生左右相对变形。本工程钢筋笼采用整幅成型起吊入槽,按设计要求焊装预留接驳器、预埋铁件,绑扎硬泡沫塑料板,并保证钢筋接驳器、预埋件的定位精度符合规定要求。考虑到钢筋笼起吊时的刚度和强度,根据设计图纸,钢筋笼内的桁架数量根据钢筋笼的质量和长度来决定。钢筋起吊点用 φ32mm圆钢加固,转角槽段增加 8号槽钢支撑,每4m一根。钢筋笼最上部用 2φ28mm作并列水平筋。

2.6 地下连续墙混凝土必须符合配合比设计要求

地下连续墙混凝土的浇筑是采用导管浇筑水下混凝土,混凝土的各项指标要比在水上浇筑的要求有所调整。按导管浇筑水下混凝土法的要求,混凝土应比水上浇筑的混凝土设计强度等级提高 5MPa。此外,要有较大的坍落度,流动性好而不易发生离析,使其在浇筑时,能在槽中均衡地保持基本水平上升。所以在混凝土中掺入适量的木质素磺酸钙等外加剂,对改善混凝土的和易性、增加坍落度、扩散度和提高强度均是有利的。施工中连续墙采用 C30防水混凝土,抗渗等级 P10,水下灌注混凝土。钢筋笼入槽就位后,应尽快浇筑混凝土,间隔时间不能太长,一般浇筑混凝土在钢筋笼入槽的 4h之内进行。所以应事先安排好混凝土供应时间和用量。由于本工程混凝土用量大,所以事先与商品混凝土企业商定了混凝土专供协议,做到混凝土随用随供,唯一不确定因素是运输时间的弹性,因此为确保浇筑的连续性,一般将浇筑时间放在夜间进行。

2.7 接头拔管时间的控制

连接两相邻单元槽之间的施工接头方式有多种,工程中最常用到的是接头管方式。从混凝土浇筑完毕到旋转拔动和全部拔出的时间,是随混凝土的性能、接头管的长度、直径和形状及气温等条件的不同而变化的。拔管时间过早,会导致混凝土坍塌;过迟会因粘力过大而难以拔出。

本工程地下连续墙接头除了盾构始发井端头位置有 3处采用锁口管外,其他全部采用接头箱(不可拔,与钢筋笼一体)。槽段清基合格后立刻吊放接头箱,由履带起重机分段起吊接头箱入槽,在槽口逐段拼装成设计长度后下放到槽底。吊放接头箱时,应稳、准、慢放入槽底,不可强行入槽,施工要求是两块整体 600 mm宽的接头箱夹住已经焊接在钢筋笼上的工字止水钢板,并保证接头箱的中心与设计中心线相吻合。为防止混凝土从接头箱跟脚处绕流,将接头箱的跟脚插入槽底以下 30～50cm。接头箱安装时,应确保接头箱下放位置准确,以免影响相邻槽段的施工,并保持接头箱垂直状态插入槽内。管顶与导墙间间隙用木楔揳死,外侧间隙用黏土回填,以防止在混凝土浇灌过程中混凝土绕流和接头外移。锁口管的安装工艺如下。

钢筋笼吊放就位后,开始安放锁口管,锁口管按设计分幅位置准确就位,锁口管下放后,再用吊机向上提升 2m左右,检查是否能够松动,然后利用其自重沉入槽底土中,并将其上部固定,背后空隙用黏土回填密实。避免锁口管在混凝土灌注过程中移位或混凝土绕流下幅槽段,从而影响下幅槽段成槽施工和钢筋笼下放。锁口管下放过程中同时用铅锤吊线检查垂直度。锁口管吊装就位后,检查锁口管入土深度(保证在槽底以下 30～50cm)、定位是否正确,随着安装液压顶管机,必要时在顶拔机下垫设反力架以增强基础稳定性,底座反力架在导墙上必须用锚固钢筋固定牢固。为了减小锁口管开始顶拔时的阻力,在混凝土开浇以后 4h或混凝土面上升到 15m左右时(冬季时间可稍长),启动液压顶管机顶动锁口管,但顶升高度越小越好,不可使管脚脱离插入的槽底土体,以防管脚处尚未到初凝状态的混凝土坍塌。

正式开始顶拔锁口管的时间,应以开始浇筑混凝土时做的混凝土试块达到初凝状态所经历的时间为依据,如商品混凝土掺加过缓凝型减水剂,开始顶拔锁口管时间还需延迟。这需要试验室进行现场同条件试验,确保拔管时间的准确性。顶拔采用4000kN液压千斤顶,履带吊协同作业,分段拆卸。一般在混凝土浇筑 3～4h开始拔高 10cm,同时观察油表读数,以后每30min松动 1次,如松动时顶升压力超过1000kN,则可相应增加提升高度,缩短松动时间。松动或提升时间及提升量由现场试验人员及值班人员根据实际情况确定,一般在混凝土浇筑完后 6～8h内全部拔完,锁口管顶拔时底部尽可能与刚达到终凝的混凝土层保持10～15m高差,并作好详细记录以备检。锁口管拔出前,先计算剩在槽中的锁口管底部位置,并结合混凝土浇筑记录和现场试块情况,在确定底部混凝土已达到终凝后才能拔出。最后一节锁口管拔出前先用钢筋插试墙体顶部混凝土有硬感后才能拔出。混凝土灌注和锁口管松动过程中,值班人员应随时检查锁口管的垂直度和偏移情况等,发现异常立即停止松动,及时加固。

3 地下连续墙的渗漏原因分析及处理方法

3.1 地下连续墙的渗漏原因分析

3.1.1 地下连续墙夹泥、内部窝泥

地下连续墙槽孔底部的淤积物是墙体夹泥的主要来源,混凝土开浇时向下冲击力大,混凝土将导管下的淤积物冲起,一部分悬浮于泥浆中,一部分与混凝土掺混。处于导管附近的淤积物,随混凝土浇筑时间的延长,又沉淀下来落在混凝土表面上,当槽孔混凝土面发生变化或呈覆盖状流动时,这些淤积物最容易被夹在混凝土中,由于混凝土的流线呈弧形,拐角处的淤积物不可能完全向上挤升,所以拐角处绝大多数有淤积物堆积。当为多根导管浇筑时,除了端部接缝处夹泥外,导管间混凝土分界面也可能夹泥;另外导管埋深影响混凝土的流动状态。埋深太小,混凝土呈覆盖状态流动,容易将混凝土表面的浮浆及淤积物卷入混凝土内;导管接头不严密,泥浆渗入导管内造成夹泥;浇筑速度太快,使混凝土表面呈锯齿状裂缝,泥浆或淤积物会进入裂缝而造成夹泥。

另外当浇筑速度太快时,混凝土向上流动速度快,对相邻混凝土的拉力也很大,有时会将其拉裂形成水平或斜向的裂缝,成为渗漏水的质量隐患。导管提升过猛,或探测错误,导管底口超出原混凝土面,涌入泥浆;导管发生堵塞,拔出后重新下管浇筑,当导管插入已浇筑混凝土内继续浇筑时,导管内的泥浆被带入,夹在混凝土内。若重新下入的导管未插入混凝土内而继续浇筑,则新老混凝土面上形成一条水平缝,缝内夹泥。混凝土浇筑时局部塌孔也会造成夹泥。地下连续墙在采用传统接头管的施工中,液压抓斗在开挖紧靠墙体接头一侧的槽孔时,不可避免地会碰撞或啃坏墙体接头,使墙体接头凹凸不平;尽管在成槽后进行刷壁,但是在刷除墙体接头凸面上土渣泥皮的同时,也将泥浆搪进了接头的凹坑之中。因此,成墙之后,墙体接缝处的渗漏水现象仍然很常见。

3.1.2 特殊地质条件的危害

由于勘探遗漏或者勘探不到位,导致地下连续墙在成槽期间,遇地下径流、孤石或地下木桩等特殊地质情况将导致地下连续墙成槽困难,严重者成槽无法进行,此时一般换成冲击成槽。在遇到特殊地质原因的情况下,施工时一般会采取回填措施:重新成槽或上下窜动等,进行第二次成槽。然而一旦这些处理措施不适当,这些部位将是以后地下连续墙在基坑开挖过程中易出现漏水的隐患部位。

3.2 地下连续墙的渗漏补救措施及治理方法

地下连续墙中出现的渗漏现象一般可分为点漏、线漏、面漏 3种形式,其渗漏程度基本上可分为渗水、漏水、涌泥浆水等。

3.2.1 点漏、面漏的修复

对于不太严重的点漏、面漏,先用人工清除杂质,凿去混凝土表面松动的石子,并用水将表面清洗干净、凿毛,然后选用硫铝酸盐超早强膨胀水泥与一定量的中粗砂配制成的水泥沙浆或混凝土来进行修补。也可用 TZS水溶性聚氨酯堵漏剂与超早强双快水泥配合进行防渗堵漏。对于较大的孔漏,为防止出水口继续扩大,现场可采用镀锌水管或塑料管作引流管插入漏水口,四周用快凝水泥嵌固,并在出水口处支设模板,拌制快凝混凝土形成止水内衬墙,然后采用双管压密注浆封堵漏水点。注浆材料为:浆液采用 42.5级普通硅酸盐水泥调制,水灰比 0.8～1.0;凝固浆液为水玻璃,水玻璃模数为 2.5～3.3,要求不溶性杂质含量小于 2%。现场用工程地质钻机在漏水点正后方 2m处开机钻孔,钻孔深度比漏水点浅 2m,孔径为 100mm左右,成孔后在孔内并排插入 2根注浆管,注浆管间距2cm左右,在其中一根管中首先用注浆泵泵入水泥浆,待发现水泥浆液从漏水点流出后,再在另一根管中泵入水玻璃溶液,由于水玻璃的凝结固化作用,过一段时间之后,渗漏点即可逐渐闭合。现场还用过袖阀管注浆、花管注浆、双管高压悬喷、三管高压悬喷等,不过封堵效果最好的还是上述的方法。为增强封闭止水效果,同时填补可能存在的裂隙,应继续原地注浆 30min左右,然后停止送入水玻璃,边往上拔管边注入水泥浆液,用以填补钻孔形成的孔洞。

3.2.2 线漏的修复

首先对漏水处进行割缝与剔槽,即人工修出宽 3～5cm,深 15～20cm的沟槽,然后用清水冲洗干净渗漏处的夹泥和杂质;其次对沟槽进行凿毛、引流和封堵,具体做法是在接缝表面两侧 10cm范围内凿毛,以增加外防水层和原混凝土的粘结力。凿毛后在沟槽处安入塑料管对漏水进行引流,并用封缝材料(即水泥掺和材料,也可以使用速干水泥)进行封堵,封堵完成待达到一定强度后,再选用 TZS水溶性封漏剂,用泵进行化学压力灌浆,待浆液凝固后,再拆除注浆管,能有效地解决地下连续墙线漏的修复问题。在漏水线处用打孔注聚氨酯的方法,效果不太好。虽然聚氨酯遇水膨胀,不过聚氨酯注入后,止水效果不明显,原因有可能是打孔深度浅或是流水速度过快等造成的。

3.2.3 严重的漏水涌砂的抢修

当遇到严重漏水涌砂而可能危及基坑或周围建筑物安全时,应采取紧急措施,对其进行处理。漏水孔很大时,用土袋堆堵,然后用化学灌浆封闭,止水后,再拆除土袋。基坑堵漏抢险必须固砂,才能止水,从而使基坑安全。通常所使用化学灌浆材料的水玻璃浓度为39～ 42Be′,经验证明,用清水稀释成 25Be′为最佳浓度,在这种条件下,浆液固结程度好,凝固时间和固结硬度都利于形成浆团块,堵塞漏洞。工程实例:在完成上述对漏水涌砂的封堵后,施用“水不漏”进行抹面封堵,再用棉絮或土工布满铺堵水面,最后盖上一层钢板,周边用膨胀螺栓固定,如此形成复合式止水堵漏措施。实践证明效果非常好,在后续施工中,再无渗漏水现象。如图1所示。

图1 堵水效果实例

施工中还出现过两幅墙接缝不牢,夹泥漏水的现象。挖掘机清除连墙土体后,接缝先是渗水,并带有泥浆,当接缝处泥浆被水带出后,就是可见的明水外流,最先是使用“水不漏”塞缝抹面止水,因水流过大止水无效果。后决定使用双管高压旋喷止水,在墙接缝后1.5m处成孔至漏水点,取风压 0.7MPa、浆压大于 30 MPa、旋转速度 10r/min、提升速度 80～100mm/min、浆液流量 100～150L/min。提升至地面下 5m后回灌封口。止水效果明显,该漏水点再无渗漏现象。

4 地下连续墙各种接头形式的工程效果分析

4.1 柔性接头

4.1.1 模具接头

在槽段端头下入直径或宽度与槽段相等(或略小)的管体或箱体起模具作用,阻拦混凝土漏浆并占据体积,通常在混凝土填灌完成后 2～3h内拔起(可重复利用),并在墙端留下模具形状的混凝土槽,用来与邻接槽段衔接的接头形式。此法对施工环节和施工控制较严,且控制难度相对较大。当成槽精度不高和出现塌槽时,锁口效果也不好,其实现有的锁口方法都不能很好地解决简单方便施工的问题,归根至底,还是与成槽精度和地质情况有关。只有源头严把关,质量控制好,才能减少后续施工出现的问题。

4.1.2 预制接头

当槽段挖掘下笼后在槽段下入与槽段相等(或略小)的事前预制好的比槽深深度高 20cm的不同形状的接头,阻挡混凝土填灌时漏浆,混凝土灌注后与墙体成为一体(不能拔除),留下不同形状的预制接头,与邻槽衔接的接头形式见图2。实施中,我们还采取了在灌注段工字钢端焊接通长“防绕流筋”,一般采用φ28mm或 φ32mm钢筋,有一定效果。

图2 邻槽接头形式

4.1.3 柔性隔板式接头

分为平隔板和 V形隔板(图3)。

图3 柔性隔板式接头

4.1.4 柔性接头的特点

该类接头具有一定的抗剪能力,能起止水挡混凝土的作用,但因与墙体无刚性连接,缺乏抵抗弯矩的能力,同时因流水路线直而短,阻力小,易出现渗、漏水现象,作为地下结构物的外墙须筑内衬墙,才能体现其优点,加工方便,但安装易偏,起拔难度较大,附属设备多。

4.2 刚性接头

4.2.1 十字钢板接头

由十字钢板和滑板式接头箱组成。当对地下连续墙的整体刚度或防渗有特殊要求时采用。其优点有:接头处设置了穿孔钢板,增长了渗水途径,防渗漏性能较好;抗剪性能较好。其缺点有:工序多,施工复杂,难度较大;刷壁和清除墙段侧壁泥浆有一定困难;抗弯性能不理想;接头处钢板用量较多,造价较高。

4.2.2 刚性隔板式接头

隔板为榫形隔板。与柔性隔板式接头相比,其优点是增设了钢筋笼预留接头筋,提高了接头刚度,变形小,防渗漏性能较好。其缺点是施工难度大,化纤罩布损坏失效较多,墙段侧壁刷壁清浆有一定困难。

4.2.3 改进型刚性隔板式接头

在隔板式接头的基础上,采用平钢板作隔板,将化纤罩布改成 0.15mm厚马口铁皮。其优点主要有:刚度大,变形小;用平钢板作隔板,不仅刷壁和清除泥浆方便,而且比凹槽形隔板接头节省;马口铁皮不易损坏,控制混凝土溢入接头效果较好。缺点:马口铁皮不易渗滤泥浆,易使已浇筑的混凝土表面夹泥浆;若能将马口铁皮设置适当数量的渗滤泥浆小孔,则可解决此不足;比接头管接头工序多。

4.2.4 公母刚性接头

在软弱地层中的地下连续墙须考虑不均匀沉降和槽段之间的抗剪能力,当地下连续墙既作为基坑围护结构,又作为永久性承重结构时,其接头形式宜采用公母刚性接头。其优点是在公槽段钢筋笼增加了凸形钢筋,并将其填入母槽段,增加了墙体整体抗剪弯能力及刚度。其缺点是:施工难度大,技术要求高;公母槽段之间止水构造上有一定缺陷;接头范围内钢筋密,使混凝土浇筑困难,露筋严重。本工程中就部分采用了公母接头,如前所述,用双管高压旋喷,在地连墙接缝后1～1.5m处打孔注浆,对接缝止水做一个补充,实际效果非常好,可以说从外在渠道解决了槽段之间接缝止水构造上的缺陷。