随着城市建设的不断发展, 地下连续墙的施工深度不断加深, 工程地质条件越发复杂。在软土中的地下连续墙施工技术已趋于成熟, 但在坚硬致密卵石地层中开挖成槽却一直是地下连续墙施工中的难点, 尤其是遇到施工工期紧的基坑工程, 施工难度非常大且费用高。另外, 地下连续墙施工处于工程建设中的关键线路, 对总工期影响较大。因此, 研究坚硬致密卵石地层的开槽技术, 提高成槽效率、降低施工成本显得尤为重要。北京地铁8号线三期永定门外站地下连续墙成槽施工过程中, 需穿越最大厚度为14.5m的致密卵石层 (卵石 (5) 层重型动力触探数平均值为85;卵石 (7) 层为115) 和1层承压水, 成槽难度极大, 因此如何配置成槽设备及选择何种成槽工艺将直接决定本工程的成败。根据现场实际施工情况, 对地下连续墙成槽过程中的设备选型、成槽工艺、工效比较进行研究, 选取了合理、高效的设备及工艺。

永定门外站为北京地铁8号线三期与14号线永定门外站的换乘站, 位于永定门外大街与京沪铁路的立交路口南部, 永定门外大街沙子口路口北部。车站主体采用明挖法施工, 总长139.2m, 标准段宽度为24.7m, 扩大段宽度为28.9m, 轨面埋深约29.7m。围护结构采用连续墙帷幕止水方案, 连续墙厚度1 200mm, 标准幅宽5m或6m, 幅段划分共计62幅, 其中一字形50幅、Z形4幅、L形8幅, 如图1, 2所示。地下连续墙混凝土设计强度等级C35, 混凝土水下灌注强度提高一级, 抗渗等级为P12。钢筋笼长度约48m, 地下连续墙成槽深度约为47m, 墙趾均进入卵石 (5) 及卵石 (7) 至少15m。

车站基坑所处地层主要为粉土、粉砂、粉质黏土、卵石层。地下水位标高19.640m (地面以下20.87m) , 水位线以下地层主要为卵石 (5) 层:杂色, 密实, 亚圆形, 一般粒径2~6cm, 最大粒径>15cm, 重型动力触探数平均值为85, 局部夹黏性土, 中粗砂填充约35%;粉质黏土 (6) 层:褐黄色, 软塑~硬塑, 属中低压缩性土, 含云母、氧化铁, 少量姜石, 局部夹粉细砂、粉土或黏土薄层;卵石 (7) 层:杂色, 密实, 亚圆形, 一般粒径为4~8cm, 最大粒径约15cm, 重型动力触探数平均值为115, 中粗砂充填30%~35%。卵石 (9) 层:杂色, 密实, 饱和, 重型动力触探数平均值为136, 中粗砂充填30%~35%;层间潜水主要赋存于卵石 (5) 层、卵石 (7) 层、粉细砂 (7) ₃层及卵石 (9) 层, 水位标高为16.550~17.640m, 水位埋深为23.2~23.7m, 具有一定承压性。

地层整体上较复杂, 上部的松散房渣土层、粉细砂层及粉质黏土层厚度较大, 开挖后自稳时间短, 无黏聚力, 对槽壁稳定性不利, 下部的卵石 (5) 层、卵石 (7) 层及卵石 (9) 层卵石含量高 (粒径>20mm颗粒含量为50%~80%) 、级配差, 经常夹杂大粒径的卵石和漂石 (卵石粒径可达80mm) , 均存在粒径为15cm以上的卵石, 重型动力触探平均值超过80, 地层密实度高, 钻进至深厚砂卵石地层时, 钻进效率低, 成孔困难, 主要表现在孔壁不稳定、易漏浆垮孔、碎石及排渣困难等方面。所以, 必须对施工设备、机具及工艺进行优化选型和技术改进。因此, 施工中采取了一系列关键技术, 并采取一系列安全措施, 保证了成槽工艺的快速、顺利、安全进行。

目前, 地下连续墙开挖主要设备大致可分为:抓斗、重锤以及液压双轮铣3种。其中, 液压抓斗的闭斗力大, 挖槽能力强, 多设有纠偏装置, 可以保证高效率、高质量挖槽。土质地基中成槽通常选用液压抓斗成槽设备。

根据车站基坑工程地质、水文情况及设计要求, 地表至地表以下30m范围内, 采取“两钻一抓”的常规成槽工艺, 选用旋挖钻机在每个槽段的两端和中间引孔至设计深度, 随后配合德国宝峨GB60和上海金泰SG60两台液压抓斗抓土成槽。成槽设备及附属主要设备如表1所示。

30m以下的致密卵石地层, 采用“抓铣结合”工艺成槽。引进宝峨低净空双轮铣槽机MBC30, 利用“液压抓斗+铣槽机”成槽。先采用现有液压抓斗抓取上部较软的土层, 剩余卵石 (5) 和卵石 (7) 部分则采用铣槽作业。该组合工艺保证地下连续墙施工顺利进行, 最终完成地下连续墙成槽作业。成槽设备配置如表2所示。

地下连续墙槽段开挖前, 沿墙面两侧构筑导墙, 采用现浇钢筋混凝土结构, 导墙与地下连续墙中心线应一致, 墙面不平整度<5mm。净宽比地下连续墙厚度大5cm, 导墙顶口和地面平, 肋厚200mm, 导墙底比冠梁底低20cm。由于槽段较深, 施工导墙时, 导墙中心线向基坑外侧偏移10cm, 保证地下连续墙施工不会侵入结构限界。导墙形式采用“?「”型, 导墙基槽开挖深度约3.4~3.6m (不含翼缘板厚度) , 导墙净宽比地下连续墙厚40mm, 即导墙净宽为1 240mm, 导墙断面尺寸、深度如图3所示。

单元槽段均采用先两侧后中间的顺序。先挖槽段两端的单抓, 或者采用挖好第一抓后, 跳开一段距离再挖第二抓的方法, 使两个单抓之间留下未被挖掘过的隔墙, 这就能使抓斗在挖单孔时吃力均衡, 可以有效纠偏, 保证成槽垂直度。“两钻一抓”成槽施工钻孔顺序如图4所示, 间隔施工, 先钻奇数孔位, 后钻偶数孔位, 最后用成槽机成槽。

遇到卵石层、卵石板结层, 在强度极高、成槽施工难度特别大的情况下, 采取“抓铣结合”成槽工艺按照地下连续墙分幅开挖, 挖土过程分两段进行, 先用抓斗抓取30m以上土体, 再使用铣槽机开挖剩余土体。挖土顺序如图5所示。

本工程采用膨润土制作护壁泥浆, 护壁泥浆使用的主要材料有膨润土、分散剂 (纯碱) 、增黏剂 (CMC) 、水。泥浆的主要性能指标如表3所示。

由于地质条件复杂、地层致密及卵石粒径大, 成槽过程中成槽机对泥浆的扰动比较大, 这就导致调制的泥浆必须满足坑壁稳定性的要求。而本工程地质情况整体上以砂卵石为主, 新配置的泥浆按表3中泥浆密度1.06~1.08g/cm³, 黏度在25~30s进行配置。

铣槽机铣槽过程中回收泥浆处理采用宝峨BE500泥浆处理系统, 处理能力500m³/h, 固定在泥浆池上部;在泥浆池侧面泥浆系统出渣口设置滑槽钢板, 以便渣土与泥浆分离后排入渣土池。泥浆使用一个循环之后, 利用泥浆净化装置对泥浆进行分离净化并补充新制泥浆, 以提高泥浆的重复使用率。提高泥浆技术指标的方法是向净化泥浆中补充重晶石粉、烧碱、钠土等, 使净化泥浆基本上恢复原有的护壁性能。

为提高接头处的抗渗及抗剪性能, 在地下连续墙接头处对先行幅墙体接缝进行刷壁清洗;刷壁上下反复刷动至少8次, 直到刷壁器上无泥为止, 继续采用刷壁器对接头刷壁2~3次, 彻底刷除接头沉渣。刷壁工具使用特制刷壁器, 刷壁必须在清孔之前进行。

在刷壁过程中槽段同时也在进行自然沉淀, 待刷壁结束开始清底工作, 直至测锤碰实的感觉出现, 表明槽底沉渣清理到位;混凝土浇筑之前, 再次采用测锤对槽底沉渣进行检测, 若槽底沉渣超出10cm, 则采用反循环输送新浆入槽, 控制槽底沉渣<10cm。

挖槽过程中抓斗入槽、出槽应慢速稳当, 并根据设备自带垂直度实时显示仪表及时纠偏, 确保成槽垂直度控制在0.3%范围内。为防止由于次序不当造成槽段失稳或局部坍落, 成槽时应储备足够的泥浆, 做好堵漏措施。成槽过程中, 每一抓结束后, 采用超声波测壁仪对槽壁进行检测, 发现垂直度超过0.3%以后立即停止下挖, 纠偏结束垂直度满足设计要求后, 方可再次下挖。成槽完成后再次检验垂直度, 满足设计要求方可进入下一步工序。

“抓铣结合”成槽工艺是对“两钻一抓”工艺的改进, 随着超深地下连续墙的建设, 这两种成槽工艺在国内逐步得到应用。但富水卵石地层中的成槽效果还需要在施工过程中得到检验。永定门外基坑地下连续墙施工过程将这两种技术进行结合, 通过分析其在地层中的成槽效果, 发现二者在成槽效率和成槽质量方面有很大差异。

表4, 5分别为“两钻一抓”和“抓铣结合”成槽工艺工效统计 (除去设备大修用时) 。比较两种工艺在开挖0~30m以及30m以下 (针对不同槽段, 开挖深度有44m和47m) 的施工工效。“两钻一抓”成槽工艺在0~30m平均进尺1.26m/h, 平均出土8.05m³/h;在30m以下平均进尺0.34m/h, 平均出土1.79m³/h。“抓铣结合”成槽工艺在0~30m平均进尺1.67m/h, 平均出土11.43m³/h;在30m以下平均进尺0.91m/h, 平均出土6.29m³/h。

从进尺 (见图6) 和开挖效率 (见图7) 可以看出二者在两段开挖范围的不同, 其中前7组为“两钻一抓”工艺, 后7组为“抓铣结合”工艺。在30m以下, “两钻一抓”工艺进尺<0.4m/h, 开挖效率<2m³/h, 而“抓铣结合”工艺进尺>0.6m/h, 开挖效率>4m³/h。在上部粉黏土地层中, “抓铣结合”工效较“两钻一抓”提高有限, 但在下部致密卵石地层中, 开挖效率提高了近1倍, 说明“抓铣结合”工艺对于致密卵石地层的成槽效果, 有显著优势。

表6为两种成槽工艺在地下连续墙成槽全过程中的比较, 从进尺 (见图8) 及开挖效率 (见图9) 可以看出, 整个地下连续墙成槽过程中, “两钻一抓”成槽工艺平均进尺0.64m/h, 平均出土4.12 m³/h。“抓铣结合”成槽平均进尺1.24m/h, 平均出土8.53m³/h。可见, 在成槽全过程中, “抓铣结合”成槽工艺功效提高接近1倍。

分析图表可知, 虽然在不同槽段运用两种成槽工艺, 但“抓铣结合”的进尺速率和开挖效率都显著高于“两钻一抓”。受致密砂卵石地层影响, “两钻一抓”成槽困难, 在卵 (5) 、卵 (7) 和卵 (9) 地层平均用时约46 h, 成槽机工效极低;“抓铣结合”工艺在致密砂卵石地层范围19h内完成开槽, 每幅地下连续墙成槽平均用时1.3d左右, 较“两钻一抓”工艺缩短27h, 可缩短总工期约3.5个月。

经过超声波测壁仪检测, 已完成施工的地下连续墙垂直度均<0.3%, “两钻一抓”成槽垂直度在0.15%~0.30%, “抓铣结合”成槽垂直度控制在0.10%~0.23%, 两种成槽工艺的成槽质量均能满足设计及相关标准要求。检测结果表明, 在30m以下的卵石 (7) 层卵石 (9) 层中, “抓铣结合”工艺的成槽垂直度明显好于“两钻一抓”成槽工艺, 可见双轮铣槽机在成槽垂直度控制方面, 效果更好。

通过对北京地铁永定门外站地下连续墙工程成槽设备、成槽工艺、方案比选的研究, 为富水卵石地层的成槽技术提供了工程参考。在上部松软地层采用“两钻一抓”成槽工艺, 优先选择德国宝峨GB60液压抓斗成槽;下部坚硬卵石地层采用“抓铣结合”成槽工艺, 选用宝峨MBC30低净空双轮铣槽机进行铣槽作业。二者成槽效率表明, 在富水卵石层等致密地层中进行地下连续墙施工采用“抓铣结合”的成槽工艺优点显著, 不仅可以加快施工速度, 满足工期要求, 还能提高地下连续墙成槽质量。