黏土混角砾地层地下连续墙成槽施工关键技术

卢 瑛，应 煜，王 哲

（1．腾达建设集团股份有限公司，浙江杭州311215；2．浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州310023）

随着我国城市轨道交通的不断发展，地铁建设将是21世纪城市地下空间开发的重点。迄今为止，我国大陆地区共有35个城市先后迈入地铁时代，预计21世纪初至中叶将是我国地铁建设蓬勃发展的时代。在地铁建设过程中，其开挖对地连墙施工工艺要求也越来越高。在地质条件复杂的地层中，开挖地连墙会产生难以下挖、塌孔等严重问题，给地连墙施工带来很大挑战，所以针对一些复杂地质条件下的地连墙成槽，一些专家学者对地连墙的施工工艺进行了研究。

针对地层岩质坚硬、地下条件复杂给成槽开挖带来很大困难，甚至开挖后发生基坑失稳的问题，牛自强［1］以徐州地铁6号线工程为背景，因工程周围建筑物环境条件复杂，无法采用爆破开挖，进行了硬质岩石高效开挖及其对临近建（构）筑物影响的研究，并总结形成了硬质岩石开挖法，成功应用于徐州东站深基坑开挖。罗反苏等［2］在长沙某在建地铁站地下连续墙成槽施工中遇到高黏度坚硬地层成槽困难的问题，研究采用了一种 “旋挖钻＋成槽机＋双轮铣＋冲击钻” 组合施工技术提高了施工工效，保证了成槽质量。李有道等［3］以广州番禺广场地铁站项目为依托，针对双轮铣在极硬岩地层条件下成槽进尺慢的现状，采用重锤配合双轮铣的组合施工方式成功地提升了施工效率。Hsieh PG等［4］为有效控制基坑墙体稳定性，研究发现了支撑壁对壁挠度的抑制作用主要来自支撑壁表面与周围土壤之间的摩擦阻力。柳建国等［5］对非饱和土体条件下的基坑稳定进行研究，得出一套基坑锚固技术，有效解决了基坑支护问题。

针对复杂地层 “上软下硬” 且含大量潜在高强度孤石给成槽开挖带来困难的问题，张文新等［6］以苏埃通道工程盾构始发井及后配套地下连续墙成槽施工为背景，通过优化和改进形成了 “成槽机抓取软土，冲锤往返冲击破碎法破除孤石，旋挖钻和成槽机钻抓配合挖除强风化岩以及牙轮钻钻取斜面基岩等方法相组合的成槽施工工艺，有效解决了成槽困难的难题，提高了施工效率。杨武厂［7］通过对不同岩石强度情况下成槽设备和工艺的研究分析，得出当岩石强度达到100 MPa左右时，采用锤击和铣槽机相结合的 “凿铣法” 进行成槽是最优的选择方案。宗敦峰等［8］对60年间地下墙在施工机械、固壁泥浆、接头处理以及复杂地质的钻孔技术等方面关键性技术进行了总结，包括严重漏浆地层以及大块岩石破碎地层的处理方法。

针对开挖深度大，地下条件复杂不利于成槽开挖且拖延施工进度的问题，刘洋［9］以韩国釜山海云台旅游度假村项目为背景，对坚硬岩层地质条件下的超深地下连续墙施工进行了分析和研究，采用液压双轮铣槽机成槽技术，成功应用于该项目基坑开挖成槽。杨中州［10］在珠海市湾仔北站深基坑工程中采用冲抓结合（上部软土成槽机施工，下部硬岩冲击钻施工）的方法解决超深地下连续墙入岩成槽问题。李洪勋等［11］以深圳前海综合交通枢纽项目为背景，研究出了一种小型潜孔锤预先引孔，降低岩石整体强度，提高成槽施工效率，从而顺利进行地连墙超深硬岩成槽。Zhou Jun等［12］对地连墙节点连接件的弯曲、剪切、防水等进行了分析，研究出了具有大刚度、高抗剪、整体稳定功能的新型 “双H” 节点，可以很好地适应超深地下连续墙节点的需要。Hsieh PG等［13］研究了不同基坑深度下，支壁与相邻土间摩擦阻力对R形、T形支撑壁的挠度影响差异。

针对在 “上软下硬” 黏土混角砾地层中夹有高强度大块孤石的复杂条件下连续墙成槽施工困难的问题，在上述专家学者的基础上，就如何在这种地层中达到快速高效的连续墙施工成槽效果，笔者以杭州某地铁线某广场站D／E基坑连续墙成槽施工为背景，总结出一种 “抓铣结合、旋挖机＋冲击锤辅助开挖” 的组合施工技术，从而解决在该种地层中成槽施工困难的难题，有效保障地连墙施工质量。这对今后指导杭州类似地层中的地连墙成槽施工具有重要意义。

1 工程概况

杭州某地铁线工程起于某长街的某广场站，经上城、江干、滨江、萧山、大江东新城，至大江东地区的江东某站。某广场站是该地铁线工程的第1个站，沿长街东西向敷设，车站范围从某花鸟城至某池头，车站长约646m，总建筑面积为40 581．4m2。车站周边主要建筑物有住宅小区、大酒店、集团公司、广场、长街及花鸟城等。

本广场站基坑深度为23．15～25．55 m，地连墙插入比标准段约为 0．52～0．78，端头井约为 0．60。车站为地下3层、双柱混凝土框架结构。为符合周边管线迁改及交通导流要求，车站由临时封堵墙分为 A、B、C、D、E共五个基坑（图 1），采用明挖顺作法施工（B基坑范围内局部盖挖）。车站主体围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙＋6道内支撑，地连墙插入比标准段约为0．52～0．78，采用C35水下混凝土浇筑，槽深34．84～40．22m，第1道和第4道支撑为混凝土支撑，其余4道支撑为钢管支撑。本广场站基坑项目总平面图见图1。

图1 基坑总平面图

2 工程地质

全线地层共分为7个工程地质层，18个工程地质亚层和1个工程地质夹层。基坑开挖范围内土体为典型的 “上软下硬” 土层，地质土层情况和土体物理力学指标见表1。其中，车站结构底板位于⑤－2黏土混角砾、⑥－1全风化炭质泥岩和⑥－2强风化炭质泥岩区，地连墙墙底要求进入⑥－3中风化炭质泥岩或⑤－3黏土混角砾，不同区域插入深度不同。拟建场地内普遍分布高强度孤石，尤其是在D／E基坑内黏土混角砾地层中大块孤石分布最为广泛，孤石岩质坚硬，最大抗压强度可达150 MPa。D／E基坑范围内局部地质剖面图见图2。拟建场地范围内地下水类型主要为：潜水、基岩裂隙水和岩溶水，潜水主要赋存于浅（中）部填土层和粉（黏）性土中，基岩裂隙水主要赋存于下部基岩风化裂隙内，岩溶水赋存于灰岩中。

3 地连墙成槽施工技术

3．1 施工工艺流程

地连墙成槽质量取决于施工所采用的施工工艺，本工程在吸取类似基坑工程地连墙成槽施工经验的基础上，结合本工程实际，采取了 “抓铣结合、旋挖机＋冲击锤辅助开挖” 的施工工艺，其中 “软土成槽、孤石破除和硬岩成槽” 是关键，施工工艺流程见图3。

表1 土体物理力学指标

图2 D／E基坑局部地质剖面

3．2 地连墙成槽施工方案

本广场站D基坑内共计地连墙幅数为85幅，铣接头地下墙为33幅，型钢接头地下墙为52幅；E基坑内共计地连墙幅数为28幅，均为型钢接头地下墙。施工过程中进行平行交叉施工，E基坑完成后型钢接头地连墙完成后，成槽机立即转往D基坑。

图3 施工工艺流程

本工程D／E基坑地连墙入岩深度达25～45 m，工字钢接头地下墙采用成槽机液压抓斗施工。铣接头地下墙一期槽段运用 “抓铣结合、旋挖机＋冲击锤辅助开挖” 的施工工艺，即对大多软土层用液压抓斗直接抓取成槽；进入⑥－3中风化岩层后，抓斗取土效率降低，则改用液压铣槽机铣削成槽，充分利用铣槽机机体长度较长、重量较重和旋转式硬岩铣切机，实现对岩质坚硬部分进行铣切成槽，并通过自身配有的电子测斜仪器纠斜系统对槽壁进行垂直度的质量控制。铣接头地下墙二期槽段采用铣槽机进行施工，在施工过程中铣槽机施工工效极低时采用旋挖机和冲击锤引孔的方式配合铣槽机施工以提高施工效率，如施工速度仍然较慢可采取引孔的措施提高施工进度。

4 成槽施工难点与关键施工技术

4．1 施工难点

4．1．1 地连墙入岩情况复杂

本工程地连墙入岩深度在25～45 m，深度较大，中间黏土混角砾层所夹块石强度高，块石面起伏不定，厚度不一，此外，对施工速度和成槽效率要求极高，因此对工程进度产生较大难度。

4．1．2 黏土混角砾层夹高强度孤石

D／E基坑施工范围内黏土混角砾层厚度大，砾石含量约为10%～60%不等，粒径一般为20～100 mm，个别大于150 mm，棱角状为主。基坑开挖范围内局部夹杂高强度孤石，孤石埋深大，无法采取换填方式挖除，且成槽机无法直接抓取大体积孤石。孤石最大抗压强度达150 MPa，传统施工机械及方法难以开挖。同时施工现场附近存在大量商业区建筑与假山，无法采用爆破方式破碎孤石。

4．1．3 中风化岩层强度高

地连墙入中风化岩层达15～23 m，中风化岩层岩质坚硬，根据室内土工试验，岩石饱和单轴抗压强度平均值为67．98 MPa。岩层面起伏不定，容易偏孔、卡锤，成槽困难，施工周期长，容易造成槽孔上部塌方。

4．2 成槽关键施工技术及工效

4．2．1 特殊地层开挖成槽

对于黏性土层，采用液压抓斗成槽（图4），当遇到黏土混角砾地层、中风化泥岩层等复杂条件地层时，改用抓铣结合方式。当施工工效低时，采用旋挖机和冲击锤引孔的方式（即 “前期冲锤、旋挖机引孔后修边” ）配合铣槽机施工以提高施工效率。二期槽段完全采用铣槽机进行施工。

D／E基坑地连墙首先在D－S26孔按原设计采用抓槽机试成槽，现场因地质原因无法成槽，经补勘和改进后，成槽工艺变更为 “抓铣结合、旋挖机＋冲击锤辅助开挖” 的方式。采用新成槽工艺后，成槽效果良好，未发生塌孔现象，4个月内累计完成42幅地连墙，占总量的14．5%，确保了成槽的高效。

冲锤和旋挖机钻头为圆形状，旋挖机进行地连墙主孔施工，冲击锤采用跳打施工的方式进行扩孔及副孔施工（图5）。引孔后导墙两侧岩层未冲击下去，需双轮铣槽机分三抓进行2侧重新铣槽修边并刷壁。

图4 液压抓斗成槽

图5 槽段引孔

在D－S30幅地连墙中，双轮铣槽机三抓的铣槽效率依次为 0．99、0．72、0．33 m／h，第一抓铣槽深度最大达到14 m，后两抓为12 m左右，总用时为26．6 h，降低施工效率。采用的冲锤直径为1 000 m，在浅层土体中，冲锤引孔的施工效率可达到0．05～0．08 m／h，随着岩层强度增大，冲孔深度加深，地下岩层面情况变复杂，施工效率降低，冲孔效果越不明显。在D－S28幅地连墙槽段中，冲孔深度达到6．3 m时，冲锤施工效率仅为0．01m／h，极大地降低了施工效率。采用的旋挖机钻头直径为800 mm，在D－S26幅地连墙槽段中其施工效率为10 m／h，垂直度达到x＝0．2%，y＝0．3%，达到理想的钻孔效果。

进入中风化泥岩地层时，容易发生双轮铣糊死铣轮，尤其在半侧岩层、半侧泥岩的情况下，必须提轮进行清理。平均每进尺0．5～1 m需清理铣轮一次，但施工进度会滞后。

4．2．2 地连墙槽段接头处理

根据地勘报告，可知DN19～DS19以东块石较多且不均匀分布，由于块石强度高、厚度厚。先采用冲击钻配合抓槽机成槽的方法，成槽施工的效率极低无法保证工期，且产生了较大噪音，严重影响周边居民生活工作。本工程套铣接头搭接150 mm，对垂直度偏差控制要求较高，在该复杂地质条件下，难以保证如此精度的垂直度，因而采用型钢接头，只需接头处超挖1 m，做好刷壁质量和防扰流措施即可保证接缝质量。此外，铣槽机成槽速度约0．3～1 m／h，相对于型钢接头，采用套铣接头将大大增加铣槽成槽的成槽比例，施工效率较低，难以保证工程整体进度和节点工期。

通过改进，对DN19～DS19以东范围地连墙改为抓铣结合工艺成槽和型钢接头工艺。

4．2．3 孤石破除

对于地下墙成槽过程中遇到的高强度孤石。孤石体积较小（小于地下墙直径）的，可用成槽机直接抓取；孤石体积较大的，调用铣槽幅引孔用的旋挖机或者冲击锤桩机引孔破碎，然后成槽机直接抓取。如果进度较慢，则对孤石引孔破碎后，直接采用铣槽机铣槽。

在铣槽过程中会发生夹层孤石移动的现象，使铣槽机不能发挥功效。此时，调用冲锤等施工器械对孤石进行引孔处理，辅助铣槽机破除孤石以便成槽顺利进行。但不同机械轮换施工浪费了大量时间。

由于工程所处地层中孤石存在十分广泛，为满足工程总体施工需要，除了采取上述措施外，现场还通过优化施工组织，增加多台成槽机械，采用多开工作面，多处开花，各种机械流水作业，交叉交替施工，以提高施工效率。

4．2．4 地下墙入岩

本工程围护结构地下墙要求入岩深度为25～45 m，结合地质情况，入岩拟采用1台宝峨BC40型液压铣槽机和1台徐工XTC80／85铣槽机进行该部分施工，可确保入岩深度。

双轮铣切削成槽排渣操作（图6）为：双轮铣槽机采用藏在切割轮内的切齿切削岩石，并使之与膨润土悬浮液相混合，利用切齿可以将岩石渣土切割成70～80 mm或更小的碎块，利用紧挨切割轮的泥浆泵将碎块悬浮液一同抽吸出开挖槽段。

4．2．5 泥浆制备

在地连墙施工过程中，泥浆对成槽质量发挥着关键作用：其一是支撑护壁；其二是悬浮泥砂，减小沉渣；其三是防止地下水向槽坑内渗透。泥浆质量存在问题对地连墙质量的影响机理见图7。

图6 双轮铣切削成槽排渣

图7 泥浆质量对地连墙质量的影响

泥浆制备所采用的配合比为膨润土∶纯碱∶CMC∶自来水 ＝116∶4．5∶1∶950 kg（每 1 m3泥浆投料用量），将新鲜泥浆相对密度控制在1．05～1．10，黏度22～30 s，加强护壁性能，实际护壁应用效果明显提高。

5 结 语

通过在黏土混角砾地质条件下连续墙成槽的施工技术应用，主要结论和体会如下：

1）某广场地铁站地质为 “上软下硬” ，其中D／E基坑主要位于黏土混角砾层，除了要面对下部中风化岩层强度高的问题外，还要处理区段内黏土混角砾层中夹带的孤石问题。对上部软土地层，采用液压抓斗抓取成槽，对岩层部分，采用旋挖钻、冲击锤、双轮铣等设备配合施工。根据不同地质，选择相应的设备组合解决了普通成槽机无法克服的黏土混角砾地层以及场内存在孤石的问题，缩短了施工工期，大大提高了成槽效率与质量。

2）对于D／E基坑内土层夹带的大块孤石，采用旋挖钻机对孤石进行引孔施工，使其整体性变差，受力软弱面大幅增加，再通过冲击锤往返冲击破碎，之后用铣槽机铣槽或液压抓斗抓取成槽。这既解决了孤石冲击的松动问题，又提高了孤石冲击破碎的效果。

3）槽段接头在地连墙施工过程中也具有重要作用，合理地选用槽段接头不仅可以保证地连墙的质量，而且也可以优化施工进度安排，缩短工期。

4）泥浆对槽壁既有着支撑作用，防止槽壁倒塌，又有携渣利于外排的作用，因此要定期检测泥浆质量，并尽可能减小含砂量，以确保其性能稳定，避免沉渣厚度过大。