复杂地层地铁超深基坑地连墙成槽施工技术

邓文涛

(中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西西安 710021)

1 工程概况

1.1 地连墙设计概况

广州地铁18号线番禺区间2＃盾构井结构全长130 m，标准段宽度24.3 m，基坑开挖深度约43.1～45.5 m，采用地连墙＋内支撑的支护体系。地连墙厚度为1 200 mm，包括52幅“一”字形槽段，12幅“L”形槽段，共64个槽段，地连墙标准幅宽为6 m，最小幅宽为3.27 m，地连墙长度42.86～55.33 m，成槽深度46.66～59.54 m，钢筋笼单幅重量为35.08～75.97 t。采用C35 P6水下混凝土灌注，混凝土方量19 033 m3。

1.2 工程地质

(1)地连墙成槽深度范围从上到下为<1>素填土、<5Z-2>砂质黏性土、<6Z>全风化混合花岗岩、<7Z>强风化混合花岗岩、<8Z>中风化混合花岗岩，局部有<3-2>中粗砂层、<4N-2>粉质黏土层。墙底主要位于<8Z>中风化混合花岗岩，局部为<9Z>微风化混合花岗岩。

(2)特殊岩土:主要有填土、残积土和风化岩。①人工填土:未完成自重固结，地连墙成槽施工过程中易造成槽壁坍塌等。②残积土:具遇水软化，失水干裂的特点，成槽过程中易造成槽壁坍塌等。③<8Z>、<9Z>中、微风化混合花岗岩:岩石强度较高，成槽施工难度很大。

1.3 水文条件

稳定水位埋深3.50～7.90 m；主要含水层为局部区域<3-2>中粗砂层，透水性中等～强；<4N-2>粉质黏土透水性较弱，为相对隔水层；<5Z-2>、<6Z>、<7Z>、<9Z>透水性较弱，为弱透水层，<8Z>透水性中等。

2 成槽设备的适用性分析

2.1 成槽机

主要负责土层(<1>、<5Z-2>、<6Z>、<7Z>)的挖槽施工，其中<5Z-2>标贯实测击数N＝16～39击，平均30.6击，<6Z>标贯实测击数N＝45～68击，平均59.2击，为成槽机理想的适用地层。而〈7Z〉地层，考虑标贯实测击数N＝70～100击、平均达79.8击，为半岩半土性状，以及可能存在中风化岩夹层，该地层成槽机成槽施工难度较大，工效低，适用性不强[1]。

2.2 双轮铣

双轮铣对地层适应性较强，岩层中能正常施工。考虑<8Z>中风化混合花岗岩，近似RQD为40% ～60%，岩体裂隙发育，局部夹微风化岩块，单轴抗压强度最小值33.7 MPa，最大值50.20 MPa，平均值37.5 MPa。<9Z>微风化混合花岗岩，近似RQD为50% ～75%，该岩层岩体较完整，强度最高达80 MPa，成槽难度很大。参考图1，根据本工程地质特点，选用锥形齿铣头[2]。

图1 铣槽机铣轮使用范围

2.3 旋挖钻

为提高双轮铣成槽工效，降低铣轮(子弹头)磨损量，考虑采用旋挖钻引孔，减少双轮铣的工作量，提高其工作效率。钻头是影响施工效率的关键因素，对钻齿的选择，包括齿形的选择、数量的确定、角度的设计等。

考虑旋挖钻机在<7Z>、<8Z>地层中引孔具有一定的适用性，钻齿采用入岩截齿。截齿角度:50°～55°适宜岩石破碎，角度分析见图2，但应考虑施工过程中碰到微风化夹层等情况会对槽孔垂直度产生较大影响，一旦斜孔，其纠偏难度很大，应尽量避免在极硬岩及岩面变化较大槽段使用[3]。

图2 截齿典型角度对比

2.4 冲击钻机

根据经验，<7Z>、<8Z>地层中冲击钻机具有一定的工效，若遇夹层<9Z>地层，工效会明显降低，但可充分发挥其数量优势，结合现场实际条件及文明环保要求，投入适量的冲击钻机，配合其他成槽设备作业，提高整体施工工效。现场采用抽桶掏渣，锤头重量为4.5 t，钻头选用十字钻头[4]。

3 设备联合模式成槽作业

由于地质的复杂性，依靠单一成槽设备难以完成整个工程成槽施工，主要采用以下几种联合模式完成成槽施工[5]。

3.1 “抓＋铣”结合

首开幅槽段为一字型标准幅槽段，设计槽宽6 m，考虑两端接头箱下放空间实际成槽宽度达7.5 m，采用成槽机分三抓，即2.8 m、2.8 m、1.9 m依次抓除槽段上部土层部分，双轮铣按抓槽顺序完成剩余岩层铣槽作业[6]，即三抓三刀成槽，成槽方法示意见图3。

图3 三抓三刀成槽示意(单位：mm)

(1)能充分发挥成槽机跟双轮铣的性能优势，总体施工工效高，周期短。

(2)成槽质量好、效率高、噪声低，文明环保标准高，适合城市繁华地段及近接施工。

(3)适合大体积槽段(首开幅槽段)、槽壁坍塌风险较大的槽段(转角幅槽段、地质较差槽段)及其他有特殊要求的槽段使用。

3.2 “抓＋钻＋铣”结合

对于连接幅或闭合幅槽段，采用成槽机分两抓抓除槽段上部土层，并保留至少3 m厚度土层便于旋挖钻引孔施工。引孔作业时，引孔孔位选择在第一刀、第二刀中心位置(便于双轮铣铣槽作业)，旋挖钻孔径应小于槽厚1个量级，剩余岩层部分采用双轮铣按抓槽顺序完成铣槽、修槽作业，即两抓两钻两刀成槽，成槽方法示意见图4。

图4 两抓两钻两刀成槽示意(单位：mm)

(1)采用超声波测壁仪对槽孔的垂直度进行及时检测，旋挖钻在<7Z>、<8Z>地层引孔，垂直度控制能满足施工要求，但若施工过程中碰到夹层等地质突变情况，会对槽孔垂直度产生较大影响，同时考虑钻孔工效及纠偏的困难性，不建议在极硬岩地层进行旋挖钻引孔作业。

(2)引孔位置布设在每一刀中间位置(即左右铣轮滚刀中间区域)，相比将引孔布设在滚刀正下方，能增加接触面及着力点，铣槽工效更高。

(3)抓钻铣结合工艺，大大减小双轮铣工作量，铣轮(子弹头)磨损小，工作效率更高。

3.3 “抓＋冲＋铣”结合

对于闭合幅槽段，单独考虑圆锤冲孔、方锤修孔施工，施工周期太长，会带来一系列的问题，需配合其他成槽设备施工。先采用成槽机分两抓抓除槽段上部土层，保留至少3 m厚度土层便于冲锤引孔施工；再采用冲击钻进行冲孔作业，冲孔孔径应小于槽厚1个量级，冲孔孔位布置采用均布梅花孔的形式，考虑钻机作业空间需要，一般由2台冲击钻机负责1 个标准幅槽段的1＃、3＃和 2＃、4＃孔，5＃孔视钻机施工进度由进度快的钻机完成；最后采用双轮铣修槽清底完成铣槽作业，即两抓五冲孔两刀成槽，成槽方法示意见图5。

图5 两抓五冲孔两刀成槽示意(单位：mm)

(1)钻头选用十字钻头，在<8Z>地层中具有一定的工效，但若遇夹层<9Z>地层，工效明显降低，判断该型号冲击钻机在强度40 MPa范围内风化岩层中具有一定的适用性，但在强度更高的风化岩中，工效、垂直度均无法保证。

(2)槽段入中风化岩2 m以上时，采用冲锤冲孔、方锤修孔施工方法容易造成缩孔，会影响后续钢筋笼、接头装置下放等问题，因此，采用冲锤施工其槽段分副宽度应尽量缩小，并尽量采用冲锤冲孔、双轮铣修槽施工方法。

3.4 工效统计分析

各成槽设备施工工效统计见表1。

表1 1.2 m厚超深地连墙设备成槽工效统计

(1)强风化混合花岗岩<7Z>地层双轮铣工效约为成槽机72%，成槽机优势明显，但双轮铣在中风化混合花岗岩<8Z>地层具有很强的适用性。

(2)中风化混合花岗岩<8Z>地层旋挖钻引孔(工效约为双轮铣25%)、冲击钻冲孔(工效约为双轮铣5.5%)，整体工效偏低，但与双轮铣搭配使用能有效提高综合工效，节约成本。

4 超深槽段槽壁稳定性控制

一般情况下，槽段浅部(20 m以内)拱效应更明显，泥浆作用主要平衡地下水及预防其侵蚀，随着槽段加深，泥浆压力的余量提高槽壁稳定的作用逐渐增加，适当提高泥浆比重对改善深部槽壁稳定性有明显效果。因此，超深槽段应充分利用槽孔的空间效应(土体拱效应)，尽量压缩槽段宽度；适当提高泥浆比重以提高槽壁稳定性；针对性地采取槽壁加固措施，结合工况合理选择成槽设备以缩短施工周期[7]。

4.1 合理划分槽段

(1)首开幅槽段

因施工工艺原因，其幅宽一般较大，应选择“一”型槽段，采用三抓成槽时，中间一抓按(0.3～0.7)倍抓斗单元长度，地质条件较好时取大值，既限制了槽段宽度，又利用了中间单元稳定槽壁。

(2)转角幅槽段

单独划分出一个槽段，以免槽段宽度过大，尽量避免出现“Z”型，角槽通过外放使两边不等长，且先施工短边再施工长边，避免第一抓时槽壁偏斜、塌孔。同时，应避免采用旋挖钻或冲击锤成孔、方锤修孔等方法，以减少对槽壁的扰动次数，控制槽壁稳定。

(3)闭合幅槽段

避开转角等不规则部位，采用合适的槽段宽度，应充分考虑到工字钢接头两边各自有翼缘板无法采用成槽机挖槽或双轮铣铣槽以及自身的左右偏差等问题，建议采用4～5 m幅宽。

4.2 泥浆管理

(1)泥浆配合比设计

超深连续墙所处地层多为复合地层，应以最容易坍塌的土层(人工填土层、砂层及花岗岩残积土层等)为依据确定泥浆的配合比。同时，考虑槽深、成槽设备、施工周期等，适当加大泥浆比重[8]。泥浆配合比设计见表2，泥浆主要性能参数见表3。

表2 广州地区复合地层成槽施工泥浆经验配合比

(2)泥浆用量

按照施工经验，浇筑混凝土泥浆回收率一般在60% ～80%，泥浆的消耗率(泥浆循环、排水、形成泥皮、漏浆等)一般在10% ～20%，所有泥浆储备量应达到每日计划施工最大成槽方量的2倍以上，遇易产生漏浆等特殊地层时应再适当提高泥浆的储备量。

表3 泥浆主要性能参数

(3)雨季施工泥浆的使用管理

在大雨、暴雨等恶劣天气情况下，极易因为雨水倒灌、破坏泥浆性能导致槽壁出现坍塌现象。因此，雨季施工还应做好地面防汛工作，槽段边提前堆码砂包，大雨来临时暂停成槽作业，槽段口加盖防雨盖板，同时，保持一定的抽测频率，做好新鲜泥浆、槽内泥浆的质量管控。

4.3 槽壁加固处理

(1)地表加固

地连墙最容易坍塌的部位主要发生在导墙底部及墙顶一定范围，导墙施工时，根据开挖情况对松散土层进行挖除、换填或水泥搅拌加固等，对废弃构筑物、管道等进行封堵处理；成槽作业前，在设备停放区铺设20 mm钢板，以降低导墙承受集中荷载、缓冲设备震动带来的不利影响。

(2)软弱地层加固

根据地质资料，提前结合止水帷幕设计对砂层、淤泥层等采用旋喷桩、搅拌桩进行加固处理[9]。

(3)转角幅槽段

成槽过程中其内侧(阳角)土体呈两面临空状态，相比其外侧(阴角)槽壁更容易发生坍塌，可结合现场实际需要，提前采用旋喷桩、搅拌桩等对软弱地层进行加固处理[10]。

4.4 合适的成槽方法

对于转角幅、异形幅槽段，优先考虑成槽机＋双轮铣施工方法，除特别情况外，避免增加钻、冲孔辅助成槽措施，以减少地层扰动，缩短施工周期。

本工程64幅槽段存在塌孔现象的有11幅，且多为轻微坍塌。塌孔主要发生在导墙往下10 m范围、花岗岩残积土范围及土石分界处，集中在异形槽段、地质突变槽段(见图6)。建议针对特殊槽段加强槽壁加固处理，适当提高泥浆比重，通过调整槽段划分、合理选择设备缩短成槽周期以减少坍塌[11]。

图6 槽壁坍塌深度范围及槽段数量统计柱状图

5 超深槽段槽壁垂直度控制

5.1 垂直度控制

(1)成槽时，悬吊抓斗、铣轮的钢索不能松弛，要使钢索呈垂直张紧状态。同时，量测两侧导墙与钢丝绳的距离，如两侧导墙与钢丝绳的距离相等或相差不超过20 cm，可认为垂直度满足要求。

(2)成槽机、双轮铣、旋挖钻成槽、成孔作业中，时刻关注自带测斜仪器的数据，及时纠正垂直偏差。同时，槽深大于15 m后，配合超声波测壁仪器对成槽质量及时进行检查。

(3)冲锤、旋挖钻在冲孔、引孔作业时，需保留岩层上部不小于3 m以上土层，便于引导及稳定锤头、钻头。

(4)超硬岩地层、岩面坡度较大地层及存在风化夹层的不均匀地质段，尽量采用双轮铣或重锤作业，不建议采用旋挖钻引孔。

(5)成槽施工中引孔、冲孔孔径应小于槽厚1个量级，如墙厚1.2 m，孔径则为1 m，一是控制由于偏孔造成的超挖；二是便于铣槽机较好地修正垂直度确保钢筋笼顺利吊放入槽。

2＃盾构井地连墙共有64幅槽段，垂直度偏差≤2.5‰的有50幅，垂直度偏差>2.5‰的有14幅，垂直度偏差较大主要原因为岩面变化较大处、土石分界面采用旋挖钻、冲锤引孔造成(具体见图7)。建议提前对每一槽段地质情况进行分析，选择合适的成槽方法；同时，选择有经验的设备操作人员、加强过程中的垂直度检查、检测工作，及时发现偏差并采取纠偏措施。

图7 垂直度偏差超2.5‰原因统计分析折线图

5.2 纠偏措施

(1)土层中纠偏

成槽机可利用起、趴臂杆上下反复拉动强行铲除倾斜的土体自行纠偏。如果槽段发生严重的倾斜，在直接用液压抓斗或其他工具无法将倾斜的部分铲除的情况下，可采用履带吊将1块楔型钢板吊放至所需纠偏的深度，将钢板垫块作为壁面靠山，配合薄壁液压抓斗强制纠偏[12]。

(2)岩层中纠偏

旋挖钻引孔出现偏斜、自行纠偏无法实现时需及时暂停施工，后续再配合双轮铣进行修槽纠偏处理。冲锤冲孔出现偏斜时，可及时回填2～3 m大块石后，重新冲孔、修孔反复纠偏，必要时采用双轮铣进行处理。

(3)纠偏效果验证

纠偏完成后，采用超声波测壁仪进行检测，吊放钢筋笼前采用探笼进行复核。

6 结束语

单幅槽段成槽工效低、施工周期长、槽壁坍塌、槽壁垂直度差等问题严重影响超深地连墙施工的进度和质量。广州地铁十八号线番南区间2＃盾构井基坑地连墙施工中，针对不同类型的槽段、不同的地质条件，选用不同的设备组合成槽，有效解决了硬岩地层成槽工效低以及单幅槽段施工周期长的问题，并通过调整槽段划分、加强泥浆的使用管理、优化引孔、冲孔工艺等措施，提高了成槽质量，为同类工程积累了经验。