“上软下硬”复合地层地连墙快速成槽施工关键技术研究

卢伟

“上软下硬”复合地层地连墙快速成槽施工关键技术研究

卢伟

(中铁隧道局集团有限公司市政工程公司，浙江 杭州 310000)

针对上软下硬地层条件下地连墙施工经验相对匮乏的现状，以杭州某地铁车站“上软下硬”复合地层地连墙施工为工程背景，以不增加工程造价为前提，对地下入岩连续墙施工快速施工技术开展研究。通过“优化地下入岩连续墙施工机械配套选型，提高成槽质量及效率”、“改进护壁泥浆配比，确保护壁效果”、“研发改造成槽施工机械，减少涡流对上部软土层的影响”等多方面工作，优化传统入岩地连墙成槽工艺，形成了一套“旋挖钻机配合方锤破碎岩层、成槽机取土”的快速成槽工艺，有效确保车站地连墙施工进度及质量，可为日后类似工程提供经验借鉴。

地铁工程；上软下硬复合地层；地下连续墙施工；施工工艺优化；快速成槽

随着我国城市基础设施建设的快速发展，很多城市可用地表土地面积稀缺，因此城市地下空间的开发利用逐渐成为发展趋势。在城市的地下工程建设中，地下连续墙以其众多优点在基坑开挖支护中，使用日益广泛。地连墙为基坑围护体系中关键组成部分，起到止水、承受土体侧压力的作用，为基坑开挖提供一个相对安全的作业环境，地连墙施工质量直接影响基坑开挖施工安全[1-2]。在软土地层中，地下连续墙的施工工艺和技术已经相当成熟，但对于复杂地层，嵌岩式地下连续墙施工技术仍处于探索和完善阶段，在应用和经验方面资料有限，缺乏系统的成套施工工艺。嵌岩式地下连续墙施工过程中存在“施工效率低”、“成槽质量差”、“上部软土层易塌孔”等技术难题，国内部分学者结合相应的工程实例，提出了相应的嵌岩式地下连续墙的施工工艺。但由于不同工程中地质条件的差异，采取的施工工艺也会有所不同[3-5]。目前，地下入岩连续墙施工常用设备主要有传统的液压式抓斗成槽机(大多需钻机配合)和新兴的双轮铣槽机。传统的液压抓斗成槽机入岩段无法独自成槽，大多需钻机配合施工。液压双轮铣法作为专用的入岩地下连续墙施工设备，其虽适合入岩施工，但机械主要依赖进口，整机购进、租赁费用昂贵，且设备维护复杂、费用较高，仅适用于工程量大、工期紧、且中风化岩层在总工程量中占比较大等复杂条件下的入岩地连墙施工。本文以杭州地铁某地铁站“上软下硬”复合地层地连墙施工为工程背景，以不增加工程造价为前提，对入岩地下连续墙施工机械配套选型优化和进度组织等方面开展研究，优化传统入岩地连墙成槽工艺，确保地连墙施工进度及质量，并形成成套施工工艺，为后续类似工程施工提供经验借鉴。

1 工程概况

杭州某地铁站位于杭州市余杭区创新路(原溪望路)与创景路路口，车站沿创景路南北方向布置。车站为地下2层双柱三跨箱型框架结构，共设4 个出入口、2 组风亭，如图1所示。车站总建筑面积12 046 m2，其中主体面积8 998 m2，附属面积3 048 m2。车站主体结构覆土约3.76 m(车站顶板顶至永久恢复路面)，采用明挖法施工。

图1 地铁车站平面图

图2 车站典型地质剖面图

地铁车站围护结构采用800 mm地下连续墙+内支撑的支护形式，地下连续墙共计86幅，总延长为473.4 m，采用锁口管接头。车站标准段墙深约18.95~25 m，端头井墙深20.5~27 m，车站地连墙存在大面积入中风化砂砾岩情况，中风化砂砾岩天然单轴抗压强度达18.07 MPa，车站典型地质剖面如下图2所示。同时，地连墙槽段上部土层为④1淤泥质黏土及④2淤泥质粉质黏土层，其标贯值低，摩擦角小，扰动后极易发生滑移坍塌，为典型的“上软下硬”地层，地连墙成槽施工难度大，合理选择成槽施工工艺是确保成槽进度与质量的关键。

2 成槽施工工艺初选

目前，地下入岩连续墙施工常用设备主要有传统的液压式抓斗成槽机(大多需钻机配合)和新兴的双轮铣槽机。

传统的液压抓斗成槽机入岩段无法独自成槽，大多需钻机配合施工。

液压双轮铣法作为专用的入岩地下连续墙施工设备，以其成槽(硬岩层)效率高(较之抓斗高4~5倍)，孔形规则(垂直度可控制在3‰以下)、安全、适应地层范围较广等优点已在发达国家普遍采用。双轮铣槽机虽适合入岩施工，但机械主要依赖进口，整机购进、租赁费用昂贵，且设备维护复杂、费用较高。一般在工程量大(≥1.8万m3、槽深>40 m)，工期紧，且中风化岩层入岩施工在地墙总工程量中占比较大，其他成槽设备无法施工及地下连续墙在敏感构筑物附近等条件下才考虑采用双轮铣。

由于本项目工程地质的特殊性，地下连续墙存在入中风化岩情况，且入岩深度较大，致使常规的成槽工艺成槽困难；同时，由于地连墙槽段上部土层标贯值低，摩擦角小，扰动后极易发生滑移坍塌。本工程若采用常规的成槽工艺进行地连墙成槽施工，单幅地连墙成槽施工投入成本高，施工时间长；另一方面，长时间的入岩段施工，将对上部软弱地层产生强烈扰动，导致上部土出现滑移坍塌情况，影响成槽质量的同时，也使施工便道下方出现空洞，削弱便道承载能力，影响便道的正常使用，间接阻碍成槽施工效率[6-8]。

综上所述，针对本工程上软下硬地层情况，以不增加工程造价为前提，对入岩地下连续墙施工机械配套选型优化和进度组织等方面开展研究，优化传统入岩地连墙成槽工艺，确保地连墙施工进度及质量为本工程地连墙施工的关键所在。本工程车站设计共86幅地下连续墙，地连墙最大深度为27 m，深度较浅，工程量较小，且中风化岩层所占比例较小。综合经济、进度等多方面因素考虑，本工程拟初步采用旋挖钻机配合抓斗式成槽机成槽施工工艺，其成槽工艺流程如图3所示。

图3 初选地下连续墙施工工艺流程

初步地连墙成槽方案主要成槽工艺如下。

1) 成槽机上部土层抓取

成槽机就位后，首先对槽段内上部土层进行部分抓除。首次抓槽时抓取至全风化岩层，预留全风化、强风化岩层作为旋挖钻机钻孔时的导向层，防止旋挖钻机偏孔，确保旋挖钻机钻孔的垂直度。标准槽段采取三序成槽(如图4所示)，先挖两边，再挖中间，成槽至全风化岩层暂停成槽，如图5所示。

图4 三序成槽示意图

图5 成槽机上部土层抓取

2) 旋挖钻引孔

成槽机首次成槽至全风化岩层后，旋挖钻机就位进行引孔，为成槽机抓取中风化岩层提供临空面。旋挖钻机引孔应严格按开槽时的孔位布置图(如图6所示)进行钻进施工，钻孔孔径为80 cm，一次性下钻至设计标高。

图6 旋挖钻引孔孔位布置图

图7 旋挖钻引孔示意图

3) 成槽机孔间基岩抓取

旋挖钻引孔完成后，成槽机就位，对孔间基岩进行抓取，直至设计标高。成槽完成后，进行清底换浆、刷壁。

3 成槽施工工艺改进

3.1 前期成槽施工工艺存在问题

成槽施工过程中，实际地下岩层深度与设计勘察地质剖面存在差异，地连墙实际入岩深度大于设计入岩深度，如图8所示。同时，由于中风化基岩整体性好，强度大，前期采用旋挖钻机进行引孔，虽可顺利引孔至槽底，但仅能成孤孔地磨碎基岩，无法有效破碎基岩的整体性，致使成槽机抓斗无法啃动孔间基岩，成槽过程中多次出现成槽机抓斗斗齿断裂的情况。以上双重因素的综合影响，致使成槽困难，前期单幅成槽时间严重不可控，急需对成槽施工工艺进行改进。

3.2 成槽工艺改进

针对前期成槽施工过程中，旋挖钻引孔后成槽机无法啃动孔间基岩这一实际情况，对初步方案进行合理改进，旋挖钻引孔后采用方锤进行小墙(孔间基岩)破碎，提高施工效率。

成槽工艺改进后，地连墙成槽采用“旋挖钻机配合方锤破碎岩层、成槽机取土”方案，其工艺流程如图9所示。

图8 地连墙入中风化岩深度设计与实际对比图

图9 改进后地连墙施工工艺流程

改进后主要成槽工艺如下。

1) 成槽机上部土层抓取

同原成槽施工工艺。

2) 旋挖钻主孔引孔施工

改进后成槽工艺，成槽机首次成槽至全风化岩层后，基岩段采用“主副孔”先后引孔的方式：主孔4个，采用旋挖钻机直接钻至槽底；副孔4个，采用方锤破碎。主副孔孔位布置图如图10所示。

图10 主副孔孔位布置图

3) 方锤小墙(副孔)破碎

旋挖钻机幅段内主孔引孔完成后，成槽机就位对上部预留导向层(全、强风化岩层)进行抓除。待上部预留导向层抓除完成，方锤立即就位，对副孔(主孔间小墙)进行破碎，如图11所示。方锤小墙破碎时，采用高频率、低冲程的方法来进行。

方锤冲孔时，应根据旋挖钻机的孔位标识来确保方锤正对岩柱中心下冲，以避免方锤直接冲到主孔内。同时，方锤冲击形成的基岩碎块沉积较多时，方锤进尺缓慢，为保证方锤小墙破碎效率，需及时对沉渣进行清理。

图11 方锤副孔破碎示意图

方锤冲孔作业所形成的涡流，以及钻头冲击所造成的地层震动，易使上部软土层产生滑移坍塌。为防止上部软土层槽壁坍塌，在泥浆中掺加适量的CMC外加剂，以提高泥浆黏度，改善泥浆性能，如表1所示[9-13]；并将钻头尾部做成流线型(如图13所示)，以减少涡流对上部软土层的影响。

表1 新制泥浆配合比(1 m3浆液)

图12 改进后钻头

4) 成槽机抓斗细抓修槽、清底

待槽段内小墙均破碎至设计底标高，成槽机就位，对槽段进行细抓修槽、清底，保证成槽质量。

4 改进后成槽工艺效果分析

杭州某地铁站通过对地下入岩连续墙施工机械配套选型优化和进度组织等方面开展研究，对入岩地连墙成槽工艺进行改进和创新，提出并采用“旋挖钻机配合方锤破碎岩层、成槽机取土”的快速成槽工艺，使“上软下硬”复合地层地连墙成槽质量及效率明显提高，取得了良好的施工效果。

1) 本工程为杭州地铁5号线关键工程，开工初期受G20峰会及设计方案调整影响，期间停工约5个月，导致本工程工期较为紧张。通过对“上软下硬”复合地层地连墙成槽工艺进行改进和创新，采用“旋挖钻机配合方锤破碎岩层、成槽机取土”的快速成槽工艺，使车站地连墙成槽效率明显提升，单幅地连墙成槽时间缩短至28 h以内(如图13所示)，有效保证车站主体围护结构节点工期。

2)“旋挖钻机配合方锤破碎岩层、成槽机取土”快速成槽工艺的实施，有效降低涡流、地层震动对上部软土层滑的影响，避免上部软土层滑移坍塌，施工过程中上部软土层滑移坍塌率为0%；且，施工过程中槽段垂直度控制良好，槽段垂直度误差<1/300(如图14所示)。

图13 地连墙典型槽段成槽时间统计

图14 典型槽段超声波测壁仪检测效果

5 结论

1) 由于现场投入多种机械设备，为降低机械闲置率，提高施工效率，合理的施工组织是关键。现场多个工作面同时开设，多幅槽段施工同时推进，需要严密的施工组织，灵活调配成槽机、旋挖机、方锤，尽可能缩短工序衔接时间，增大机械利用率，减少机械闲置时间。

2) 严格控制泥浆性能指标。地连墙槽段上部土层为④1淤泥质黏土及④2淤泥质粉质黏土层，其标贯值低，摩擦角小，扰动后极易发生滑移坍塌。由于成槽时间较长，且成槽扰动大，为防止槽段上部塌孔，严控泥浆性能指标、保证护壁效果是关键。若通过控制泥浆性能指标，无法有效防止上部土层滑移坍塌，可考虑对上部软土层槽段进行槽壁 加固。

3) 方锤副孔(小墙)破碎时，方锤冲击形成的基岩碎块沉积较多，容易黏锤，致使方锤进尺缓慢，为保证方锤小墙破碎效率，需及时对沉渣进行 清理。

4) 成槽过程中，施工便道长时间承受较大的振动荷载，若便道承载力不足，容易出现局部下沉现象，影响施工进度及安全。因此，施工过程中，应保证施工便道具有足够的承载能力，及做好对便道的日常养护。

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Study on key construction techniques of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata

LU Wei

(Municipal Engineering Company, China Railway Tunnel Group, Hangzhou 310000, China)

Presently, the construction experience of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata is deficient. Based on the construction of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata of a subway station in Hangzhou, this paper studied the rapid construction technology of diaphram wall in upper-soft lower-hard strata on condition that the construction cost is not increased. The quality and efficiency of the construction were improved by optimizing construction machinery selection. The wall protectionwasensured by improving mud mix. And the effect of eddies on the upper soft soil was reduced by modifying construction machinery. This paper formed a set of rapid construction technology by optimizing the traditional construction technology of diaphram wall in upper-soft lower-hard stratathrough the above research. It effectively ensured the construction progress and quality of diaphram wall, and also had referent meaning for similar projects.

subway engineering; upper-soft lower-hard strata; construction of diaphram wall;construction process optimization; rapid construction

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190705

U231

A

1672 - 7029(2020)01 - 0174 - 07

2019-04-07

卢伟(1980-)，男，四川眉山人，高级工程师，从事隧道与地下工程施工技术研究工作；E-mail：18911908@qq.com

(编辑 涂鹏)