中铁五局集团第五工程有限责任公司 湖南郴州 430000
摘要：本文结合昆明地铁4号线苏家塘站围护结构地下连续墙工程的施工实践，对地下连续墙在下伏高硬度白云质灰岩如何快速成槽的施工工艺、施工技术及优点进行论述。
关键词：地下连续墙；快速成槽；施工工艺
引言
随着城市建设的快速发展，地面交通已不能满足通行，要求更多地对地下空间进行开发利用，地铁成为未来交通发展的趋势。城市轨道往往修建在城市密集区，其施工场地狭窄，周边环境复杂，地下连续墙作为基坑围护结构的应用越来越广泛。车站下伏泥盆系上统宰格组（D3z）白云质灰岩，岩石强度介于40~60Mpa之间，围护结构平均嵌入基岩深度接近9m，采用一般的成槽设备无法实现地连墙顺利成槽，采用双轮铣相对成本过高，且场地过小，不甚适宜该设备施工。为实现该类地质条件下快速高效成槽，通过多方调查并结合现场试验数据，最终采取成槽机组合冲击钻的方式实现了地下连续墙快速成槽，对其施工控制工艺进行总结，为今后类似工程施工提供可靠的依据及经验。
1 工程及地质概况
苏家塘站位于昆明市五华区建设路与学府路交界处，为地铁4号线与地铁1号线的换乘站，车站是地下三层三跨矩形框架结构，采用明挖顺筑法施工，围护结构采用地下连续墙+混凝土（钢）支撑支护。车站长度166m，宽度23.3m，基坑开挖深度26.7m，顶板覆土厚度为4.61m，车站设A、B（出口预留）、C、F（共建）3个6m 宽的进站通道，2组风亭，总建筑面积14306.7㎡。
车站地质分布为新生代第四系全新统和更新统覆盖层，下伏基岩为二叠系上统峨眉山组（P2e2）玄武岩，二叠系下统阳新组（P1y）灰岩夹白云岩，倒石头组（P1d）泥页岩、铝土岩，石炭系下统大塘组（C1d）灰岩、白云岩、砂岩、页岩，泥盆系上统宰格组（D3z）白云质灰岩、泥质白云岩等。
2 施工工艺
2.1 工艺的适用及原理
图1 地下连续墙施工工艺流程图
本工艺适用于下伏基岩且深度小于40m的地下连续墙结构施工。采用抓斗式液压成槽机与冲击钻组合成槽的一种方法。利用抓斗式液压成槽机适合土方开挖的特性，快速挖除槽段内土方部分；利用冲击钻适应不同岩层成孔的特性，通过多孔组合的方式对地下连续墙槽段内石方进行分割，多孔外壁与槽壁之间石方继而利用方型钻头修除，进而实现成槽。
2.2 施工工艺流程
2.3 地下连续墙成槽施工
2.3.1 导墙施工
导墙主要是保证地下连续墙设计的几何尺寸和形状；容蓄部分泥浆，保证成槽施工时液面稳定；承受水土压力和施工机械设备的附加荷载。为保证地下连续墙的设计厚度及墙体成槽后不侵入主体结构，在导墙施工时导墙净距应大于地下连续墙设计尺寸40~60mm，导墙中心轴线应偏离主体结构边线，外放尺寸充分考虑垂直度施工误差、地连墙理论变形量、防水结构厚度等因素，一般情况接近H/200。
2.3.2 泥浆制备
泥浆主要是在地下连续墙成槽过程中起护壁、润滑钻机、悬浮钻渣、冷却钻头等作用，其质量好坏直接影响到成槽的质量与安全。根据本工程的地质情况，采用钠基膨润土和自来水为原材料搅拌而成。泥浆性能指标要求详见表1：
图2 钻孔顺序及孔位布置
利用冲击钻圆锤冲孔组合成槽的方式，应根据实际槽段长度划分出主、副孔，主孔之间间距应适宜，过小容易造成塌孔；过大副孔冲击难度大，同时不利于方锤修孔作业，以6m标准槽段为例，如图2所示，采用5主孔+4副孔的组合方式较为合理，主孔之间间距控制在50cm，副孔居中设置于主孔之间，保证其尽可能冲除主孔未冲击到的岩层部分。
（2）主、副孔施工顺序
整体施工顺序为先施工主孔，后施工副孔，要求孔与孔间隔施工。其具体施工方式如图2所示，主、副孔施工采用两台冲击钻同槽作业，1#钻机负责2个主孔及3个副孔作业，2#钻机负责3个主孔及1个副孔作业，1#钻机从右至左依次施工5#主孔及4#主孔，继而施工2#至4#副孔；2#钻机从右至左依次施工3#主孔至1#主孔，最后施工1#副孔。按此顺序施工能有效保证施工过程安全、同时有效避免了设备之间的相互干扰，有效提高了机械的使用效率，保证了成槽进度。
（3）主、副孔钻进
采用冲击钻进行主、副孔钻进要解决的两大难题。第一是冲击钻噪音过大的问题；第二是钻进垂直度控制问题。
针对噪音过大的问题项目主要从两方面着手，一是消除或减小噪音源的影响，另一方面是隔离噪音设施。通过现场监测得出，冲击钻噪音主要来自于其刹车片的刹车噪音，通过及时进行设备检修，更换刹车片能有效降低噪音量；同时通过设置隔音棚的方式能将冲击钻噪音控制在城市施工允许的噪音范围，冲击钻隔音棚设置如图3。
冲击钻成槽垂直度偏差主要来自两个方面，一是单孔垂直偏差问题，二是多孔组合异向偏差问题。单孔垂直度偏差主要源于以下几点因素，a、钻具破损、歪斜；b、钻架不平整，钻架两端高差1cm，成孔30m可导致成孔偏差3.3cm；左右倾斜1cm，成孔倾斜将达到10cm；c、钻架不稳定，钻进过程水平移位或倾斜；d、地质因素影响等。
针对上叙问题具体控制措施如下：a、时常检查修正钻具，确保钻具完好；b、场地平整度、压实度；c、控制好钻架平整，配置水平尺进行及时纠正；d、过程中及时对位置予以校正，减小单水平偏差及多孔异向偏差；e、在硬岩中冲进要合理控制冲程，避免冲击力过大引起钻架震颤，进而引起偏孔，针对岩石硬度在40~60Mpa，实际试验得出冲程宜控制在2.5m左右；f、合理控制冲击频率，不但能有效加快施工进尺，同时能较好的保证垂直度，该类岩层中冲击频率宜控制在360次/h，试验数据见表2及表3；g、及时根据地质资料提前进行回填处理，针对斜岩及软硬不均，事先进行部分回填；h、及时进行偏差检查，及时予以修正，实际经验表明，如钻孔出现偏差，偏差段长度在50cm以内，很容易纠偏，50~100cm，可以实现纠偏，100cm以上，纠偏困难或无法实现纠偏。
多孔异向偏差的消除，主要通过放大成槽宽度，有效控制单孔偏差，加强修槽作业的方式予以规避。
（4）方型钻头修槽
待主、幅孔冲击完成后，将冲击钻圆形钻头更换成方形钻头进行修槽作业，使整个槽段槽壁垂直圆顺。
方型钻头选用长度一般不小于1.5m且不大于2.5m，这样能有效避免修槽过程中出现卡钻、偏斜、修槽效率低等情况。本工程选用的方形钻头取用长度为2.0m，宽度为0.98m，高度2m，自重4t。方形钻头修槽时宜从一侧往另一侧进行，并应在导墙边作好相应标记，防止漏修。
（5）抓斗式液压成槽机二次修槽并清渣
待方型钻头修槽完成后，二次将抓斗式液压成槽机置入槽内进行二次修槽作业，以保证槽壁满足钢筋笼下发要求；同时因为槽段过长，采用泥浆反循环的方式排渣效率相对较低，采用抓斗式液压成槽机可以抓除大部分沉渣，提高了下步沉渣清理的效率。
2.3.4 成槽质量验收
修槽及初步清渣完成后，用测绳分3处进行槽深测量，达到设计要求深度后，采用超声波进行槽段垂直度检查。
2.3.5 接头刷壁
槽段挖至设计标高后，用特制的刷壁器清刷先行幅接头面上的沉碴或泥皮，每次刷壁器提升至地面后用水冲洗干净其上的沉碴或泥皮，上下刷壁的次数不少于10次，直到刷壁器的毛刷面上无泥为止，确保接头面的新老砼接合紧密。
刷壁器采用偏心吊刷，以保证钢刷面与接头面紧密接触从而达到清刷效果，见图4偏心吊刷示意图。
图4 偏心吊刷示意图
2.3.6 沉渣清理及沉渣处理
沉渣清理采用泥浆泵进行反循环置换，根据槽段宽度设置泥浆泵，一般设置左、中、右三处，根据实际清理效果，确定是否需要对泥浆泵局部挪位清理。置换出来的泥浆通过泥沙分离设备将沉渣分离，实现泥浆的高效循环使用。
2.3.7 钢筋笼制作及吊放安装
钢筋笼在指定钢筋加工场地内制作成型，经验收合格后，采用135T履带式起重机配合280T履带式起重机完成吊立作业，由280T履带式起重机平转吊至槽段处并完成下方作业。
2.3.8 混凝土浇筑
砼浇筑采用专用料斗进行，料斗可实现低幅垂直抖动，有效保证了水下砼的密实性。料斗要求左右对称设置，砼灌注要求左右平衡浇筑，相邻砼面高差宜控制在20cm以内。
3 质量控制
3.1 成槽质量控制
（1）由于基坑开挖时地下连续墙在外侧土压力作用下会向内位移和变形，为确保后期基坑结构的净空符合要求以及钢筋笼的安全下放，导墙净空比地连墙扩大40-60mm。
（2）在导墙转角（斜角）处因成槽机的抓斗呈圆弧形，抓斗的宽度为2.8～3.0m，同时由于分幅槽宽等原因，为保证地下连续墙成槽时能顺利进行以及转角断面完整，转角处导墙需沿轴线外放15-20cm。
（3）由于槽段较深，成槽施工垂直度要求较高，为保证地连墙施工不会侵入结构限界，考虑地连墙内边线外放值=基坑深度×3‰+地连墙位移3cm+围护结构外防水2cm=15cm较为合理。
（4）地下连续墙墙幅分为首开幅、中间幅和闭合幅。闭合幅选择为直线幅，对于拐角处的“Z”、“L”、“T”型墙幅一般安排为首开幅，不宜作为闭合幅，以免因钢筋加工偏差致使下笼困难。
（5）成槽垂直度控制
1）选用自带垂直度实时显示仪表，并且配备自动纠偏装置的成槽设备；
2）配备一台超声波测壁仪，根据情况随时检测成槽垂直度，确保成槽垂直度控制在设计允许范围之内；
3）岩层采用冲击钻冲击成孔的施工工艺，先冲主孔后冲幅孔，完成后采用方锤进行修边，此方法可很好地控制成槽垂直度。
4）冲击成孔出现偏孔时，及时采用回填片石进行纠偏。
3.2 成槽泥浆控制
（1）选用粘度大、失水量小，形成护壁泥皮薄而韧性强的优质泥浆，是确保槽段在成槽机反复上下运动过程中土壁稳定的关键，同时应根据成槽过程中土壁的情况变化选用外加剂，调整泥浆指标，以适应其变化。在泥浆配制材料上选用失水量小、护壁效果好的复合性膨润土。
（2）成槽机抓斗提出槽内时，应及时进行补浆，减少泥浆液面的落差，始终维持稳定的液位高度（导墙顶下去 30cm），保证泥浆液面比地下水位高。
3.3 接头质量控制
（1）连接槽段挖槽后，要对粘在接头表面上的浮土、泥皮进行清除干净，确保接合严密，避免接头部位的混凝土强度降低和接头部位漏水现象。
（2）后续槽段挖至设计标高后，用偏心刷壁器清刷先行幅接头面上的沉渣或泥皮，上下刷壁的次数应不少于10次，直到刷壁器的毛刷面上无泥为止，确保接头接合紧密。
（3）刷壁器用钢板、型钢制作，重约4t，刷毛用钢丝制作，毛长约100mm。刷壁时用吊机吊起刷壁器，紧贴接头面从上至下刷壁。每使用一次，都要立即用清水冲洗干净，及时更换损坏的钢丝。
4 效益分析
在昆明市轨道交通4号线土建3标苏家塘站围护结构地下连续墙施工中，我单位按此施工工艺作业，实现了安全、质量、进度、成本等方面的可控，取得了良好的安全效益、经济效益和社会效益。
4.1 安全效益
施工中，使用冲击钻成孔减小了成槽的有效截面，有效的防止了施工设备卡入溶腔的风险，同时也减小了成槽过程中的塌孔现象发生。
4.2 经济效益
苏家塘站地下地质情况复杂，岩土分界线起伏变化很大，通过对围护结构采用“液压成槽机+冲击钻施工”施工与采用双轮铣施工进行比较，仅租赁设备一项节约成本达195.36万元，详见表4；其次当遇到孤石头或大型卵石时，采用该工艺施工，不需要增加辅助设备就能完成，较双轮铣施工更具有优势，更能节约成本。
表4 双轮铣成槽与成槽机+冲击钻成槽费用对比分析表
4.3 社会效益
在苏家塘站地下连续墙施工前，项目部组织邀请了业主单位、设计单位、监理单位共同讨论了“进口宝峨液压成槽机（GB40）+冲击钻”的施工工艺，对工艺的特点、工艺、安全、质量及进度指标进行了充分讨论，一致认为，按此工艺施工，有利于保证安全、质量、成本、进度要求。该工艺在各级的检查中得到了充分肯定，获得了良好的社会效益。
5 结束语
本文从槽段内孔位布置、开孔顺序设置、修槽工艺等方面详细阐述了抓斗式液压成槽机组合冲击钻如何实现地下连续墙下伏高硬度白云质灰岩快速成槽施工。针对冲击钻成槽工艺存在噪音污染的问题，通过采取设置隔音棚，源头降低噪音等措施得到了有效控制。针对冲击钻成槽垂直度偏差控制困难的问题，针对性的采取了一系列措施，使其垂直度得到了有效控制。
参考文献
[1] 张昌生.浅谈地下连续墙的施工工艺和质量控制[J].西部探矿工程，2010（07）
[2] 金华强.地下连续墙在基坑支护中的应用[J].建设科技，2011（07）
[3] 地下连续墙施工规程DG/TJ 08-2073-2016。
论文作者:柯磊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/5/28
标签：冲击钻论文; 地下论文; 泥浆论文; 偏差论文; 抓斗论文; 作业论文; 钻头论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;