天津密实砂层地下连续墙施工技术控制

2016-11-18姚嘉杰

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：成槽清孔泥浆

姚嘉杰

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

天津密实砂层地下连续墙施工技术控制

姚嘉杰

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

以天津5、6号线宾馆西路站超深地下连续墙施工为背景，介绍了在海河冲积平原深厚钢板砂地质条件下地下连续墙施工的应对措施及关键技术，现场通过对地墙成槽中及成槽后两个施工阶段各关键工序的把控，确保了施工质量，为今后类似工程的实施提供了一定的借鉴。

深厚钢板砂地质；超深地下连续墙；成槽及泥浆控制要点

0　引言

天津作为海河冲积平原最具代表性的地区，其土层地基由历史上黄河改道、海河入海泥沙堆积及新近河道沉积而成，后期由于受入海河流、沉积泥沙水力改造及区域性地质演变的影响，在平、剖面上呈现性质差异较大的黏性、砂性两种乃至多种土层交互成层或互为透镜的现象，致使地层“上软下硬”“软硬不均”。这种“上软下硬”的土质在其特性上多表现为地表以下至15 m深度范围为内摩擦角5°～10°、黏聚力5～15 kPa缺乏黏结力的淤泥质土层；40 m深度以下为标贯击数接近50击、在北方被称为“钢板砂”的深厚粉砂性土层。在这种土层条件下进行深度大于50 m的超深地下连续墙施工，会面临以下难题：

地墙成槽阶段：

（1）浅层极易塌孔，深层挖掘困难。

（2）深层坚硬土层开挖效率较低，成槽时间较长。

（3）施工穿越深厚砂层、开挖时间过长加之地下水的持续侵蚀，会加剧护壁泥浆性状的变化，增加土体坍塌风险。

（4）地墙垂直度控制困难，一旦开挖趋势形成，纠偏难度较大。

成槽后地墙成墙阶段：

（1）穿越深厚砂层会造成泥浆中悬砂较多，清孔难度增大。

（2）泥浆中大量悬浮砂颗粒在钢筋笼下放阶段沉入槽底，造成深厚沉渣。

天津地铁5、6号线宾馆西路车站围护结构采用深55 m、厚1 m的超深地下连续墙，本文结合该站地下连续墙的施工，介绍在天津海河冲击平原深厚钢板砂地质条件下地下连续墙施工应对关键技术措施及经验，为今后类似工程提供借鉴和参考。

1　工程简介

宾馆西路站是天津地铁5、6号线的一个同台换乘站，车站位于天津市河西区宾水道与宾馆西路交口，沿宾水道东西向布置。工程处于天津政治核心区域，结构北侧为天津宾馆、天津国宾馆，南侧为天津市政府、国家开发银行及天津利和集团，主体结构距离市政府办公大楼60 m，部分出入口侵入政府区界，如图1所示。

图1　宾馆西路站车站地理位置

车站采用地下三层三跨岛式车站形式，主体结构长276 m，宽23.3 m（标准段），端头井最深达27.72 m，采用盖挖逆作施工工艺。围护结构为厚度1 m、深度55 m的超深地下连续墙，接头形式采用十字钢板接头。地下连续墙墙趾插入粉土层和粉砂层，位于第二层承压含水层之间，围护结构沿深度方向难以有效隔断承压含水层，如图2所示。根据施工进度安排，地下连续墙施工周期贯穿整个北方冬季，现场实际操作时需考虑冬季施工对成槽机具设备、泥浆指标控制以及混凝土浇筑质量的影响。

图2　宾馆西路站断面地质分布及基本参数

2　施工关键技术控制措施

2.1成槽阶段施工关键技术控制措施

2.1.1开挖精度及垂直度控制

成槽精度、垂直度和过程中槽壁的稳定性直接影响后续钢筋笼的下放及周边环境的安全。

从前5幅成槽情况来看，抓斗正常挖槽时间占总成槽时间的 20%（成槽占总施工时间的28%），有效时间并不长，较多的时间用于过程中的超声波检测及槽段纠偏，这两项所耗用的时间占总成槽时间的55%左右，而且多集中在深度40～55 m施工范围内。根据地质分析，该范围内土层是“钢板砂”，该类型土层质地较为坚硬，标贯击数多集中在45～50击，开挖较为费力，液压抓斗开挖到该层位，若不能随时留意开挖中设备垂直度等参数控制，一不留心抓斗容易“跑偏”，后期纠偏较为困难（地下连续墙土层情况及开挖土层留样如图3、图4所示）。虽然成槽机抓斗上有推板可以进行强制纠偏，但是抓斗在底部较硬土层开挖趋势一旦形成的情况下，其推板纠偏效果并不是非常理想，施工中只能通过在抓斗上烧焊钢筋或者钢板进行“强制”纠偏，这种处理不但费时、费力、效果不明显，而且在一定程度上增加抓斗进出槽段导墙入口的风险。

图3　开挖土层留样

图4　地墙土层分部及参数

（1）根据地质详勘及地下连续墙分幅，绘制每幅地下连续墙所在位置土层分布及参数情况表，对每幅地下连续墙各深度范围内土质的标贯击数进行标示，施工前提醒成槽机手注意该幅土层变化，在该深度位置合理控制开挖速度，抓斗轻提慢放、减少扰动、提高精度，避免后期不必要的纠偏及超声波检测。

（2）开挖深度至40 m后，每隔5 m进行一次超声波检测，“勤测勤纠，早测早纠”，争取在偏移初期就进行纠偏，控制开挖趋势，将垂直度控制在合理水平。

（3）对设备加强检修保养（尤其是冬季低温环境），避免抓斗推板及油路损坏等故障的发生，同时增加备品备件，降低设备等零部件所增加的时间耗用。

2.1.2泥浆指标的控制

天津地区地下深层范围内地质水文条件复杂，30 m深度以下几乎全部是渗透系数较高的粉砂层，在动水压力作用下易液化产生流砂。当成槽穿越深厚砂层，泥浆中的含砂率会迅速提高，致使后期沉渣厚度加剧，同时在地下水的持续侵蚀下泥浆各项性能指标迅速变化。

（1）地下水侵蚀的应对处理。在含盐地区施工时，经常会出现泥浆絮凝、泥水分离等现象，导致泥浆的剪切力下降，漏失量上升。现场试验及实际施工表明，即使采取充分的清孔换浆措施，置换后的泥浆在冲积平原弱碱性地下水钙、钠离子等矿物质的持续侵蚀下，原本稳定的泥浆体系也会迅速遭到破坏，胶体率降低、失水量增大，泥浆分液离析、迅速上下成层，劣化速度加快，在槽段底部形成一层由离析膨润土黏稠颗粒和泥浆中悬浮沉砂组成的沉淀混合物，随着后期混凝土的浇筑，在涂抹作用下这些沉渣大量混入随液面上升的混凝土中无法消解和分离，造成槽段壁面松散、剥落、露筋和接头夹泥。

针对这一情况，现场迅速进行调整，在原材料供应上要求膨润土供应商提供含纯碱的复合钠基膨润土用于泥浆的配置，现场在此基础上额外增加了纯碱的投放量，调整了泥浆中膨润土的掺量配比，增强泥浆抗污染能力的同时，强化泥浆各项参数指标。同时为除去泥浆中侵入的钠离子，在泥浆中适时补充抗盐性强的改性淀粉添加剂，将分散性泥浆转化为盐水泥浆，阻止膨润土颗粒间相互聚并的趋势，保持泥浆性状的稳定性。

（2）冬季泥浆的管理。冬季施工中对泥浆的指标控制及管理是不得不考虑的又一大问题。进入冬季前现场进行相应试验，同批次制备的泥浆经过一夜冻融后与未经冻融的泥浆相比，其指标变化及劣化程度表现得异常明显。

现场采取热水拌制泥浆或者加入工业盐防止泥浆结冻等方式效果都不甚理想，前者降温速度快效果不佳，后者对泥浆黏度指标影响较大。较为适当的处理方式是确保泥浆存储场地封闭且保暖，同时利用小型空压机使泥浆池和筒仓内泥浆持续翻滚，防止结冻。在泥浆输送上可适当加大泥浆输送管路直径、在管路上包裹保温材料、送回浆前及时热水冲洗等方式避免管路冻结。

2.2成墙阶段施工关键技术控制措施

2.2.1清孔换浆

清孔换浆的目的在于置换成槽完毕后槽段内黏稠、厚重的泥浆，确保钢筋笼吊放过程槽壁的稳定，同时减少后期混浊泥浆以及底部沉渣对混凝土浇筑质量的影响，清孔换浆完成的标准应采用换浆量与指标双控，且必须全部达到要求后才可以停止清孔。

宾馆西路站地下连续墙施工深度范围内粉砂性土累计厚度超过25 m，根据以往施工经验，当土层含砂土、粉土累计厚度超过3 m时考虑采用槽内100%清孔换浆可以有效降低墙面夹泥、夹砂渗漏的风险，提高墙体混凝土浇捣质量，但采用100%清孔换浆存在空间和时间两大难题。

（1）空间。指的是施工场地（地上及地下空间），即泥浆系统清孔用浆配置容量是否满足100%清孔换浆的要求。现场只有当泥浆储备大于计划日成槽量3倍容积以上，才有可能将新鲜泥浆、成槽泥浆、清孔用泥浆分开储存放置，才有可能进行100%清孔换浆。

由于工程处于市中心核心区域，用于设置现场临时施工设施的可操作空间有限，根据施工进度筹划，现场需设置存储容量不小于1 000 m3泥浆存储设备才能满足100%清孔换浆需求。在地下存在切改管线的情况下现场设置泥浆筒仓，将平面存放改为立体存放，成功地解决了泥浆存储空间这一问题，同时现场配合气举反循环法清孔工艺（即底部吸渣，地面位置排放新鲜浆液），通过筒仓内泥浆浆液与地面之间的高差增加泥浆自上而下输送的压差，利用泥浆重力置换，提升清孔换浆水平。

单个泥浆筒仓泥浆存储量为60 m3，现场共设置10个泥浆筒仓（见图5），可存储泥浆600 m3，同时现场配置一泥浆池，容量为36 m×9 m×2.5 m=810 m3，两个合计存储泥浆 1 410 m3，满足100%清孔换浆需要。

图5　现场泥浆筒仓的设置

（2）时间。100%清孔换浆所花费的时间会较传统清孔换浆时间长，时间耗用越长，带来的槽壁稳定性风险越大。

由于气举反循环法清孔工艺采用的是底部吸浆地面送浆的置换流程，这就要求清孔管需接长至槽段底部（共60 m），换浆前后安拆清孔管所需时间至少3 h。现场清孔换浆初期采用单管进浆、双泵抽吸的方式进行换浆处理，进出浆量不匹配加上抽吸双泵常损坏导致单泵抽吸，致使清孔时间较长，换浆时间一度达到5～6 h，后期现场进行调整，抽吸泵两用一备，现场双管进浆、双泵出浆，气泵损坏的频率明显降低，将实际100%清孔换浆时间从原先的5 h减少到3h左右，总的清孔换浆时间控制在6 h以内。

2.2.2混凝土浇筑

为了减少在深厚粉砂性土层施工时泥浆中沉砂可能对后期墙体浇筑质量带来的影响，现场除了在泥浆性能指标、清孔换浆等工序上采取必要的控制手段外，还加强了在混凝土进料质量和温度控制上的管控。

（1）混凝土进料质量控制。地下连续墙墙体浇筑时，一旦进料的混凝土过于稀稠，在混凝土液面上升过程中由于上部混凝土无法“顶托”住顶部沉渣或槽内泥浆而与之融合，造成槽壁表面夹泥、夹砂现象的产生。

为此，现场在与供料混凝土拌站交底时便明确混凝土退料塌落度超标范围，对于塌落度超过±20 mm的混凝土进料坚决予以退回，同时技术员现场每100 m3检查一次进料混凝土塌落度，对于不足100 m3的按照100 m3进行检测，并留下影像资料便于后期查证。

（2）混凝土进料温度控制。当混凝土入模温度低于5℃时，水泥材料的水化热不再反应，混凝土的强度停止增加。当混凝土的入模温度低于0时，存在于混凝土中的液态水开始转化成固态，并伴随一定的膨胀应力破坏混凝土内部结构。

为了应对低温对地下连续墙混凝土质量及后续顶拔反力箱时间预判的影响，现场配备专业测温枪（见图6），对每一车进料混凝土进行温度量控，对出料时低于5℃的混凝土泵车现场立即制止其继续放料并退料重发。