堅硬巖層內地下連續墻成槽工藝的比選

宗春華

上海建騰建筑工程監理有限公司 上海 201800

1 工程概況

長沙某軌交車站沿麓山南路南北鋪設，為單柱雙跨（設備區雙柱三跨）兩層站。車站東西兩側分布有教學樓、體育館等建筑。依據基坑規范和總體技術要求的有關規定，本基坑安全等級為一級，基坑側壁重要性系數為1.1，變形控制保護等級為一級。

車站全長215 m，標準段基坑寬度20.70 m，標準段基坑深約19.72 m。車站主體結構采用鋼筋混凝土箱型結構，圍護結構采用厚800 mm地下連續墻，共計82幅。標準段基坑底部主要為中風化泥質粉砂巖層，局部為強風化泥質粉砂巖，圍護結構嵌固深度取3 m（中風化巖層）、5 m（強風化巖層），地下連續墻成槽深度21～23 m，入中風化灰巖深度12～16 m（圖1）。

圖1 車站地下連續墻圍護典型剖面

2 工程地質及水文條件

本次勘察揭示車站區域內地層主要為三疊系巖層（T）及石炭系巖層（C），第四系（Q）土層覆蓋于基巖之上。場地主要土層自上而下可依次劃分為：①1雜填土、④1-3粉質黏土、④6卵石、⑥T-2全風化泥巖、⑦T-2強風化泥巖、⑥T-4全風化砂巖、⑦T-4強風化砂巖、⑦C-1強風化灰巖、⑧C-1中風化灰巖。

場地所有鉆孔均遇見地下水，主要為賦存于雜土層中的上層滯水、基巖裂隙中的基巖裂隙水與碳酸鹽類巖溶裂隙水，其承壓性均為潛水。

3 前期成槽工藝和成果

3.1 沖擊鉆機＋成槽機

本項目首先采用了常規的沖擊鉆機＋成槽機的設備組合進行成槽。主要工藝為將上部的雜填土、粉質黏土、卵石、全風化和強風化巖層采用成槽機挖除，然后采用沖擊鉆機對中風化灰巖進行處理。沖擊鉆機處理巖層的原理為在沖擊式鉆孔架懸吊沖擊鉆頭（又稱沖錘）上下往復沖擊，將巖層破碎后形成巖屑，用泥漿循環帶出成孔。

沖擊順序為間隔施工（圖2），先沖擊奇數孔位，后沖擊偶數孔位，最后沖擊孔位間的棱角部分。全部沖孔完成后開始用方錘修槽。

圖2 沖擊錘沖孔順序

沖擊錘施工過程中存在以下3個問題：

1）入巖后沖擊鉆錘頭受高強度巖層影響持續損壞，需不斷暫停施工進行修焊。

2）入巖一定深度后，鋼絲繩已貼近地下連續墻側壁，偏孔嚴重無法滿足垂直度要求，回填片石后因片石層與原巖層強度差別過大，二次修偏仍然多方向偏孔，無法修復。

3）方錘跟進施工后，圓弧外棱角巖石同樣因軟硬不均造成方錘偏孔及錘頭旋轉，除垂直度無法保證外，錘頭亦因無規則旋轉導致卡錘，無法上提施工。

根據沖擊鉆試鉆情況，開孔8孔，僅圓錘成孔2孔，成孔率為25%，且沖孔后垂直度無法滿足設計要求。經統計，一個圓孔的沖孔時間為7～14 d，按每幅沖8孔考慮，圓孔沖孔時間就超過80 d/幅，即便考慮增加沖擊鉆機數量和流水施工，也無法滿足圍護工程的工期要求。

3.2 旋挖鉆機＋成槽機

為加快巖層處理效率，施工單位采用了旋挖鉆機＋成槽機的設備組合進行成槽。主要工藝和沖擊鉆機加成槽機基本類似，將沖擊鉆機更換為處理巖層能力更強的旋挖鉆機。旋挖鉆機破巖的原理是：依靠施加壓力將鉆具截齒壓入巖石，在強大的動力頭輸出扭矩的作用下，使巖石產生剪切破碎。旋挖鉆機在施工過程中，通過動力頭的旋轉驅動鉆桿，帶動鉆具旋轉，在加壓載荷與旋轉扭矩的作用下，鉆具與巖石的接觸面之間就會產生剪切力，實現剪切破巖。

旋挖鉆機引孔順序與圖2相同，間隔施工，先引奇數孔位，后引偶數孔位，全部沖孔完成后開始用方錘修槽。

根據旋挖鉆試鉆情況，1月24日開始成孔，1月30日引孔結束，共計進尺23.50 m，累計消耗旋挖鉆頭30個，中風化巖層內平均進尺為1.73 m/d。據此工效計算，每幅地下連續墻需完成引孔8個，單幅槽段巖層處理時間為56 d，相比沖擊鉆機工效提升了30%，但仍然無法滿足圍護工程的工期要求[1-4]。

3.3 潛孔錘（打排孔）與沖擊鉆（修邊）＋成槽機

在常規巖層處理方式無法滿足工期要求的背景下，施工單位選用了潛孔錘＋沖擊鉆機的設備組合進行成槽。潛孔錘鑿巖的工作原理為在潛孔錘鑿巖鉆進過程中，由空壓機提供的高壓空氣驅動潛孔錘缸體內的活塞做高頻往復運動。并將該運動所產生的動能源源不斷地傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功。鉆頭在該沖擊功作用下，連續對空地巖石施行沖擊鑿進。巖石在該鉆頭沖擊功作用下，形成體積破碎。同回轉鉆進相比，該工藝以鉆頭沖擊破碎巖石取代了切削巖石，以動載沖擊代替了靜載研磨，以巖石的體積破碎代替了研磨剪切破碎。在潛孔錘鉆進的同時，一部分被破碎下來的巖屑被具有一定壓力及速度的空氣吹離孔底，并排出孔口，減少了巖石重復破碎的機會。所以氣動潛孔錘有較高的鉆進效率。

潛孔錘引孔時，相鄰孔邊間距不小于20 mm，避免產生串孔現象。沖擊順序亦為間隔施工（圖3），先沖擊奇數孔位，后沖擊偶數孔位，全部沖孔完成后開始用方錘修槽。

圖3 潛孔錘沖孔順序

現場施工過程中，潛孔錘引孔效果較為理想，但方錘修孔過程中由于巖層高度不同和硬度不一致等原因，旋轉卡錘偏孔現象更為嚴重，處理卡錘的時間更長，加上錘頭的持續損壞和補焊，2個月仍無法完成一幅槽段的成槽，該工藝以失敗告終。

4 潛孔錘＋銑槽機成槽施工工藝

4.1 成槽設備選型

在嘗試了多種施工工藝，均以失敗而告終之后，經綜合考慮，最終決定采用全進口的德國寶峨雙輪銑槽機BC40和潛孔錘輔助引孔成槽工藝施工。銑槽機BC40可在堅硬的砂層中銑削成槽，并具有良好的糾偏性能（圖4），其主要性能參數為：最大開挖深度120 m，開挖尺寸為（0.8～1.8） m×2.8 m，發動機功率為570 kW，最大起重能力為120 t，泥漿泵排量為450 m3/h，泥漿凈化設備的處理能力為500 m3/h。

圖4 寶峨BC-40型銑槽機

4.2 引孔布置和順序

考慮到銑槽機有良好的巖層處理能力，從減少潛孔錘引孔成本角度考慮，本項目對引孔布置數量進行了優化，以厚度為800 mm、分幅為6 m的地下連續墻為例，首開槽段引4個孔，連接槽段引3個孔，閉合槽段引1～2個孔（圖5～圖7），其中1#孔必引，2#孔選引。

沖擊順序仍為間隔施工，先沖擊奇數孔位，后沖擊偶數孔位。

圖5 首開幅引孔布置

圖6 連接幅引孔布置

圖7 閉合幅引孔布置

4.3 銑槽機銑槽

潛孔錘引孔完成后即可采用銑槽機對剩余巖層進行銑槽施工。由于潛孔錘引孔垂直度不能完全保證，故雙輪銑在施工時經常遇到潛孔錘引孔偏等情況。一般雙輪銑施工時降低速度，充分利用導向架、糾偏板及時糾偏，保證垂直度。

4.4 其他技術措施

1）銑槽機施工連接幅或閉合幅時經常遇到打工字鋼情況，此時如果硬銑將對銑槽機齒輪箱造成較大損傷，并且銑齒消耗增大，銑槽效率降低，應該及時采取措施。根據本項目施工經驗，將下接頭箱擋在銑槽機銑架和工字鋼之間，效果比較好。

2）雙輪銑施工連接槽或閉合槽時經常遇到一期槽回填的沙袋堵管，此時銑槽將會極大降低銑槽效率。根據本項目施工經驗，一期槽施工完成后應及時用沖擊錘沖擊沙袋回填區域，并在沖擊錘錘頭頂部焊接鋼筋，沖擊錘上下反復撈出回填袋子，直至撈完為止，這樣可以大大減少沙袋堵管次數[5-6]。

4.5 成槽工效

取深度相同的相近兩幅槽W8-34第一銑和W8-29槽第一銑進行對比，其中W8-34槽第一刀用φ800mm潛孔錘引孔2個，W8-29槽第一刀未引孔，工效對比如表1所示。

表1 潛孔錘引孔前后銑槽機施工效率對比

本項目總計82幅地下連續墻，其中有13幅未引孔，而是使用雙輪銑槽機直接施工，其余69幅經過引孔后再使用雙輪銑槽機施工，將每幅施工記錄的數據匯總后進行綜合對比，結果如表2所示。

表2 潛孔錘引孔前后全部槽段施工效率對比

5 結語

本文通過對長沙中風化灰巖中地下連續墻多種成槽工藝的試驗和比選，通過合理的設備組合保證了圍護結構的高效施工。

1）傳統的沖擊錘機和旋挖鉆機在飽和抗壓強度50 MPa以內的巖層內具有一定的入巖工效，但在飽和抗壓強度平均超過100 MPa的堅硬巖層內入巖工效急劇下降，垂直度控制不理想也導致修槽時間增加，降低了整體的成槽工效。

2）潛孔錘具有較高的引孔工效，但在施工過程中垂直度無法保證，因此引孔時必須預留合理的間隔距離。

3）采用潛孔錘和雙輪銑槽機的設備組合，有效地完成了飽和抗壓強度超過100 MPa的堅硬巖層內的地下連續墻成槽施工，滿足了地下連續墻施工的質量和工期要求。

4）銑槽機施工前可通過提前撈除沙袋、鋼筋和鐵塊等雜物以防止銑槽機堵管和卡輪現象的出現，從而提高銑槽機施工工效，并減少對銑槽機的損傷。