大倾角破碎岩层葫芦形嵌岩地连墙施工关键技术研究

2016-10-12赵煜成杨新湘

湖南交通科技 2016年3期

关键词：槽段成槽成孔

赵煜成，杨新湘，刘　武

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙　410004)

大倾角破碎岩层葫芦形嵌岩地连墙施工关键技术研究

赵煜成，杨新湘，刘武

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙410004)

以杭瑞高速洞庭湖大桥锚碇地下连续墙施工为依托，研究了一套在大倾角破碎岩层施工的关键技术，解决了在复杂地质条件下成槽易出现的斜孔、垮孔问题，解决了成槽废浆排放问题，实现了在保证施工质量的前提下，提高效率、降低成本的研究目标，为类似复杂工程提供借鉴参考。

；桥梁；破碎岩层；葫芦形地连墙；凿铣法；废水处理

0　引言

地下连续墙于上个世纪90年代开始应用于我国的桥梁基础结构中，主要用于悬索桥重力式锚碇基础。结构形式也从矩形结构逐渐演变为圆形结构。

杭瑞高速洞庭湖大桥项目率先使用“葫芦型”地连墙新型结构设计，在国内尚属首次，实施经验参考匮乏。

同时该项目地质条件特殊，周边环境复杂，精度要求高，工期紧，任务重。

因此，研究一套在复杂地质情况下，提高成槽质量、加快工程进度的方法势在必行。

本文就该桥地连墙施工的关键工艺和实施成果进行介绍，为以后同类型项目施工提供经验和借鉴。

1　工程概况

1.1设计概况

锚碇地连墙平面布置采用与锚体相匹配的葫芦形，由2个半径不相等的圆弧组成，小圆半径为28 m，大圆半径为32 m，墙厚1.2 m，中间设置一道隔墙，由隔墙将基础分割成前、后仓两大部分。地连墙墙顶标高+26.0 m，墙高26～35 m。

设计要求地连墙施工采用先进工艺，保证墙体平面误差小于3 cm，垂直度允许最大偏差值不得大于1/400，尽量保证桩底沉淀层厚度不大于15 cm。

1.2施工条件

1.2.1地貌条件

岳阳侧锚碇地连墙基础位于岳阳市吉家湖社区内，与成鱼湖相连，三面环水，周边为居民区和巴陵石化动力事业部，环境复杂。

1.2.2地质条件

根据地质勘察资料成果，施工区域内上覆土层为黏土，下伏基岩以砂质板岩为主，夹泥质板岩，厚度较大，强风化上段岩体破碎，下端强度较高。如表1所示。

表1 地质情况一览表地质类型厚度/m层顶标高/m抗压强度/MPa地质描述黏土0～9+29—硬塑,偶见石英碎石全风化板岩4～14+29～+19.6—呈硬塑土状,夹强风化岩碎块及石英碎石强风化板岩14～24+23.1～+13.15～15.8砂质板岩,质软,岩层陡立,存在小破碎带,节理裂隙发育中风化板岩—+5.5～-5.518.5～49.9砂质板岩,岩质较硬,裂隙发育

1.2.3水文条件

锚碇区地下水为基岩裂隙水，因上覆土层和全风化岩层透水性较差，为相对隔水层，下伏基岩地下水具有承压性。地下水与周边江湖水的关系为向江湖排泄。

2　研究思路

2.1重难点分析

结合本项目的特点，地连墙施工具有以下难点：

1) 施工区周边居民区密集，工厂林立，拆迁协调难度大，具备施工条件时，距规定的地连墙完成时间节点仅5个月。而地连墙基础采用葫芦形新型结构，混凝土共11 000 m3，施工规模大，任务重，经验缺乏，要在短时间完成工作任务，施工难度极大。

2) 施工区地质条件特殊，岩层陡立，软硬夹杂，破碎易塌，属国内罕见。由于岩层陡立，成槽设备在钻进过程中，钻头由于受力不均易发生孔斜。同时由于破碎带存在，全风化岩层夹强风碎块，强风化岩层上段岩体破碎夹泥岩。破碎带受泥浆浸泡后，泥岩软化。在钻具成孔时，孔壁被泥浆冲刷使破碎带形成空隙。受裂隙承压水、钻头扰动等因素影响下，破碎岩块沿倾斜面滑落，容易发生塌孔事故。而地连墙作为锚碇受力结构的一部份，同时作为后续深基坑开挖的防渗支护结构，设计对施工质量又有较高的要求，传统施工工艺无法满足施工需要。

3) 施工区域位于洞庭湖国家级自然保护区，该区域水域内有国家级重点野生保护动物。锚碇周边还有大量居民的养殖水域。地连墙在施工过程中，不可避免地要产生大量工业废水，例如废弃泥浆。为保证基础施工质量和安全，成孔泥浆通常具备不分散、低固相、低密度、高粘度的特点。因此该类泥浆如不经处理直接排放，将造成很大程度的环境破坏。如何对施工废水进行生态化处理，同时最大程度的降低施工成本，也是研究的重点。

综上所述，在大倾角破碎特殊地质条件下，按时保质保量，绿色环保地完成大规模地连墙施工属于国际性难题。而研究解决偏孔、塌孔问题、环保问题，提高成孔效率、降低施工成本是重中之重。

2.2解决思路

1) 根据地连墙结构形式、施工条件、设计要求，通过设备选型，确定适用性好、成孔效率高、质量可控性强的地连墙施工专用设备液压双轮铣槽机作为主要施工设备；同时选用破岩工效较好的冲击钻机作为辅助施工设备。利用设备优势组合规避了传统单一设备施工岩层适应性差的问题。

2) 成槽施工前采用分级分段循环注浆工艺固化破碎岩层，并设置塑性锚桩支护受力较为复杂的“Y”型特殊槽段，防止垮孔。

3) 采用低固相不分散泥浆，防止成槽过程中垮孔并提高携渣能力。选择优质膨润土进行造浆，进行泥浆配比试验，选择最优配比。监控泥浆指标变化对成孔效率及质量的影响，制定出适用于本项目特殊地质的泥浆指标。做到提高效率和保证质量的双赢。

4) 采用全封闭泥浆系统，集中造浆，循环利用，三级净化排渣，提高泥浆的利用率，在有限的施工场地内做到减少施工成本，节能环保，绿色施工的高标准要求。

5) 采用废水混凝沉降处理技术，通过使用新型“复合型絮凝剂”及废水处理成套设备，对施工废浆进行脱稳，使其固、液分离，分离的上清液达到国家一类排放标准，或循环利用。分离出的固体可运输至指定位置进行掩埋。

3　关键技术

3.1分段分级循环注浆地质加固技术

在施工前需对破碎严重的强、中风化岩层采取高压注浆预处理，以固结填充破碎带，并封闭岩层裂隙。工艺流程见图1。

图1　循环注浆工艺流程图

按水泥浆在岩石裂隙中扩散半径1.5 m考虑，每个一期槽段两侧各布置2个灌浆孔，每个二期槽段两侧各布置1个灌浆孔。灌浆孔布置在两侧墙边0.5～1.0 m左右位置。地质处理灌浆孔布置见图2。

图2　循环注浆孔位布置图(单位；cm)

3.1.1钻孔

采用地质钻机进行钻孔施工，选用金刚石钻头钻孔，孔底深入中风化层以下0.5 m。

覆盖层和全风化层的钻进，采用泥浆护壁以防止垮孔。钻至强风化顶后下放套管。

为防止泥浆堵塞裂隙，强风化和中风化段采用清水钻进。

3.1.2裂隙冲洗

灌浆孔在灌浆前必须进行裂隙冲洗，采用压水冲洗直至回水澄清，并持续12 min结束。

用水冲洗压力采用80%的灌浆压力，压力超过1 MPa，则采用1 MPa。

裂隙冲洗应冲至回水澄清后12 min结束，且总的时间单孔要求不少于30 min，串通孔不少于2 h。

对回水达不到澄清要求的孔段，应继续进行冲洗，使孔内残存的沉积物厚度不得超过20 cm。

3.1.3压水试验

采用“简易压水法”进行压水试验。简易压水试验在裂隙冲洗后或结合裂隙冲洗进行。

压力为灌浆压力的80%，该值若大于1 MPa时，采用1 MPa；压水20 min，每5 min测读1次压水流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率表示。

3.1.4灌浆

根据逐孔地质勘察资料，破碎带分部位置在深度上波动较大，应根据各孔位处的实际情况采用自下而上分段灌浆，分段长度不大于10 m，灌浆压力为0.3～0.5 MPa。灌入浆液采用1、0.8、0.6等3个水灰比的水泥浆。

采用由稀至浓的浆液灌入顺序。灌浆塞设置在灌浆段顶面上0.5 cm左右，防止漏灌。

浆液经灌浆塞、自动记录仪回到储浆桶形成循环。

注浆顺序参照铣槽的顺序，以不影响施工为前提，相邻两孔注浆应错开进行。

水泥砂浆选取原则为：当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时，不改变水灰比。

当某等级浆液注入量已达300 L以上，或灌浆时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比。

当注入率大于3 L/min时，可根据具体情况越级选用浓浆。在规定的压力下，采用灌浆孔注入率不大于1 L/min后，继续灌注60 min即可结束。

3.2铣槽机与冲击钻组合施工技术

3.2.1施工顺序

锚碇“葫芦型”地连墙划分为33个Ⅰ期槽，34个Ⅱ期槽。两类槽交错布置并按角度相互搭接，通过直线段加转角模拟圆弧段。

由于液压铣槽机覆盖层成槽速度数倍于冲击钻机基岩成孔，为使设备效能利用能实现最大化，成槽设备应采用错位同步跳跃施工。

即液压铣槽机施工至基岩且工效低于0.5 m/h或铣齿磨损严重时，移位至下个Ⅰ槽段施工。改未施工完槽段的基岩采用冲击钻机破岩成孔，待成孔至槽底设计标高后，液压铣槽机返回至该槽段铣孔至设计成槽标高。

总体顺序为先施工隔墙槽段，再施工锚碇后仓槽段，最后施工锚碇前仓槽段。先施工Ⅰ期槽，再施工Ⅱ期槽，Y型槽在附近Ⅱ期槽施工完成后开始施工。

隔墙槽段开始施工后，顺时针方向依次进行各槽段的施工。待最先完成的相邻两个Ⅰ期槽砼强度达75%后，开始施工这两个槽段之间的Ⅱ期槽。Ⅰ、Ⅱ期槽错开几个槽段同步向前推进，直至地连墙最后封闭。成槽施工顺序见图3。

图3　槽段划及分施工顺序图

3.2.2施工方法

Ⅰ期槽采用三铣成槽，Ⅱ期槽段一铣成槽，Y形槽段采用五铣成槽。单个槽段成槽铣削示意见图4。

图4　单个槽段成槽铣削示意(单位；m)

在单元槽段施工前，用挖掘机将槽段开挖至导墙顶面以下3.5～4 m的位置，以保证液压铣铣头进入工作位置。

导墙上放样出拟施工槽段的设计位置，在该位置处设置导向架。施工时铣槽机铣轮对准孔位，垂直穿过导向架，徐徐入槽切削。导向架在开孔过程中起固定铣头的导向作用。

泥浆通过输送管道，从泥浆箱进入施工槽段内，使被铣轮切割成的土体或岩体碎块，并使之与泥浆相混合。铣头未完全进入槽段前，采用泥浆泵进行正循环排渣。铣头完全进入槽段后开启铣头上的吸渣泵开始进行反循环排渣。

随着槽段深度增加，向槽内连续不断供给新鲜泥浆，以保证泥浆液面高度，形成水头差。同时控制各项泥浆指标要符合设计要求，使泥浆起到良好的护壁作用，防止槽壁坍塌，并利于钻渣的排出。

由于基岩强度较高，铣槽机施工至基岩且工效低于0.5 m/h或铣齿磨损严重时，移位至下个槽段施工。采用冲击钻多点冲击破碎预裂基岩，Ⅰ期槽冲击钻成孔数量为4～5个，Ⅱ期槽成孔数量为1～2个，当冲击钻钻进至墙底标高后，液压铣槽机再返回成槽至设计标高。

3.3泥浆系统优化及废水处理技术

根据本项目地质特点，泥浆作为成孔工艺的必要元素，具有携带钻屑、形成泥皮，保护孔壁、平衡地层压力防止垮孔的重要作用。同时由于成孔过程中，泥浆所用数量较大，做好泥浆的循环利用以及废浆处理将节省大量施工成本。

3.3.1泥浆系统布置

受场地和周边环境限制，并考虑环保要求，采用集中式泥浆管理系统。该系统集制浆、储浆、输送、净化等功能于一体，各功能区通过管道运输泥浆，对空间要求小，对环境影响低。

制浆站布置锚碇后仓，内设膨润土仓库。站内2座NJ-1500高速泥浆搅拌机。

泥浆集中箱设置在制浆站附近，共3层，每层3个箱体，上、下级泥浆箱之间采用管道连接，阀门控制泥浆流向。

泥浆净化系统为1台处理能力500 m3/h的泥浆净化器，2个泥浆沉降离心机。在净化器前布置1个120 m3的集渣坑，集渣坑前布置1条出渣便道。泥浆系统储浆及净化设备如图5。

3.3.2泥浆制备

为有效防止塌孔并提高成孔效率，采用不分散低固相泥浆。该泥浆主要原材料为钠质膨润土、水和外加剂。各类材料掺量及性能见表2。各阶段过程泥浆控制指标见表3。

表2 泥浆原材料掺量及性能原材料名称掺量/%性能水100淡水溶剂钠质膨润土8～10胶体主要来源纯碱0.25～0.4增大pH值纤维素(CMC)0.05～0.1提高黏度,形成泥皮聚丙烯酰胺0.003保持不分散、低固相、高粘度

表3 泥浆性能控制指标阶段密度/(g·m-3)马氏粘度/spH值含砂量/%新制≤1.0532～50≤10≤2循环再生≤1.2 32～607～9≤4砼浇筑前≤1.1532～507～9≤4(比重秤)(马氏漏斗)(试纸)(含砂量测量器) 注:括号内为检测方法。

泥浆通过高速搅拌机拌制成后，泵入新浆箱内，待静置膨化24 h后使用。新浆箱内设循环系统，定期使新浆循环流动，以保证泥浆新鲜、均匀。

新制泥浆比重在铣槽过程中逐渐增加达到1.25左右，为保证孔底沉淀符合标准，成槽后需换浆，泥浆比重将降至1.1以下，由于比重变化较大再加上地质情况复杂，如泥浆比重过小，容易导致泥浆不能维持孔内稳定，而造成塌孔。因此，提钻前的孔内泥浆主要以控制含砂率为主，泥浆比重应根据槽段施工过程的实际情况适当调整增大，确保孔壁稳定。

3.3.3泥浆循环

铣槽时，新制泥浆通过管道进入槽内，携渣后通过铣头上的泥浆泵从槽底将泥浆泵送出槽孔，进入三级净化系统(振动筛、旋流器、离心机)排渣。净化后的泥浆返回泥浆箱，形成循环。

浇注砼时，砼顶面以上5 m左右的泥浆一般会受水泥浆的影响而劣化，作废浆排至废浆池临时存放，待处理。其余自孔内置换出的泥浆用泥浆泵直接输送至回泥浆箱相应位置存储，用于其它槽段成槽施工。

3.3.4废浆处理

由于施工条件的限制，桥梁施工废水不经处理将对周边环境造成不利影响。处理方式的选择很大程度上决定着成本的高低。该项目采用湖南省交通规划勘察设计院和湖南大学“桥梁施工废水混凝沉降处理”课题成果，实现废水的快速处理和直接排放。

通过对该项目泥浆组成成分和性质进行分析，对常用无机低分子、无机高分子、有机高分子等絮凝剂其机理和效果，以及影响因素进行考察，最终选定以阴离子聚丙烯酰胺为主要成分的絮凝剂，配置浓度为1%。

根据现场施工条件，选定化学絮凝和机械处理相结合的形式。加药罐中药剂采用空气压缩机曝气溶解。泥浆泵入处理管线后，在加药罐1处依次泵入盐酸将pH值调节6～7.5，泵入聚合氯化铝使泥浆初步脱稳，泵入聚丙烯酰胺完成泥浆脱稳。脱稳后的泥浆泵入离心机进行固态分离处理，主机转速控制在2 000 r/min，辅机转速为1 600 r/min。分离出的固体沉淀物已符合排放标准，外运至指定地点。分离出的淸液沿管道输送至沉淀池，在此过程中，将加药罐2处中的聚合氯化铝、盐酸依次泵入，对上淸液进行补充脱稳，并调节pH值至6～9之间。补充脱稳后的絮凝体沉淀在池底，淸液达到标准后可循环利用于造浆或作为溶解剂，也可以外排至指定位置。废水处理工艺流程见图6。

图6　废水处理工艺流程图

4　实施效果

4.1成槽工效情况

采用冲击钻和铣槽机组合施工技术后，铣槽机在中风化岩层中的进尺速度有大幅提高(进尺效果见表4)，且冲击钻的作业时间不影响关键工期。

根据成槽速度计算，Ⅰ槽完成可达2.5 d/槽，Ⅱ槽完成可达1.5 d/槽。地连墙完成总耗时为：33个Ⅰ期槽×2.5 d+34个Ⅱ期槽×1.5 d+6 d设备保养时间=140 d。能够满足工期要求。

表4 成槽进尺情况一览表槽段进尺/(m·h-1)强风化中风化成孔方式P81.640.86纯铣槽机P111.880.74纯铣槽机P141.61.8铣槽机+冲击钻P331.691.2铣槽机+冲击钻

4.2斜孔、塌孔情况

采用地质加固技术前，多个槽段施工时发生局部塌孔。采用加固技术后，大大改善此现象，节省了大量的处理时间。见图7。

P27槽检孔　　　P28槽检孔

图7加固处理前后效果对比图

4.3经济效益

凿铣法施工时，铣槽机为主要关键设备，冲击钻不占用关键工期，基岩经冲击钻预裂后再使用铣槽机铣铣切至孔底，与纯铣槽机施工工效可提高2～3倍，另外减少1个台班设备维修非工作时间，平均每个Ⅰ期槽可节约2个台班，每个Ⅱ期槽可节约0.5个台班。铣槽机每个台班单价为15 000元，可节约设备使用费124.5万元；同时可节约出工期40 d，节约133万元。

采用设备组合技术进行施工还能减少1/10的设备铣齿损耗，其中Ⅰ期槽平均100个/槽，Ⅱ期200个/槽，每个铣齿单价300元，可节约损耗60.3万。

采用泥浆循环和废水处理技术，能实现泥浆的循环利用，有效地处理了施工废水，保护了周边环境，产生近150万元的经济效益。

本研究共取得综合经济效益共计467.8万元。