復雜地質條件下緊鄰城軌隧道超深地下連續墻施工技術研究*

劉曉敏，王歲軍，馮 偉，宋子文

(中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451)

1 工程概況

項目位于珠海橫琴新區金融島，基坑占地面積約為8 335m2，基坑周長約378m，最大開挖深度26.7m，采用地下連續墻+4道鋼筋混凝土支撐梁的支護形式，地下連續墻厚1.2m，采用工字鋼接頭方式，主體結構及附屬結構均采用明挖順作法施工，支護布置形式如圖1所示。基坑周邊環境復雜，除周邊管線眾多和緊鄰市政道路外，南側廣珠城軌盾構區間隧道距離項目地下連續墻約10m左右，隧道內徑8.5m，壁厚400mm，位置關系如圖2所示。為保證基坑開挖及降水施工時城軌隧道運行安全，止水帷幕需穿過透水砂層進入不透水風化巖≥1.5m，地下連續墻采用鋼筋混凝土墻有效段+素混凝土墻段兩部分，地下連續墻成槽總深度達62m。

圖1 基坑支護形式

圖2 支護剖面及與區間隧道位置關系

基坑影響范圍地層主要為：人工填土層、海陸交互相沉積層和花崗巖殘積層。其中，淤泥質土和淤泥厚度達35m，呈流～軟塑飽和狀，具有承載力極低、含水量高、孔隙比大、透水性差、強度低、壓縮性高、高靈敏度等特殊性能。地下水位高，埋深1.5m左右，同時地下連續墻深度范圍內存在砂層，位于淤泥質土和黏土層之間，有相對隔水層，賦存承壓水，具承壓性。

2 地下連續墻位置處拋石層處理

2.1 處理方案選擇

圍護結構施工時，發現緊鄰城軌的南側場地地面以下2m內土壤夾雜著小石塊，下面是緊密結合的大石塊層，對拋石層范圍和深度采取了補充勘察工作，根據勘察結果，石層基本位于2～5m深度，個別石塊掉至6m深度以下。針對石層厚度大、深度較深，先后嘗試了采用旋挖鉆配合長套筒鉆頭和分層探坑翻挖等方法，由于部分石塊直徑較大且淤泥質土很軟，旋挖樁掏挖方法效率很低，同時翻挖位置距離既有城軌隧道距離很近，若采用大面積翻挖，會擾動隧道，需要對翻挖方案進行專項設計，同時保證翻挖對隧道的影響控制在允許范圍內。

2.2 翻挖方案設計

石層翻挖采取分2層、小放坡開挖溝槽，上層開挖2～3m，下層開挖3～4m，邊挖邊回填的方式。場地整平后，根據補勘報告，使用全站儀和鋼卷尺放出影響地下連續墻施工的范圍，拉通線，撒白灰線。采用1輛挖掘機在前面后退著進行小放坡土方開挖，開挖到石塊層下面的淤泥層后，停止開挖，后一輛挖掘機立刻將場地里不摻雜石塊的凈土回填到坑中，并用挖斗壓實，確保土坑不會大面積塌方。開挖方式如圖3所示。

圖3 拋石層翻挖布置

2.3 翻挖對盾構隧道的影響分析

國內外研究表明軟土開挖卸載對臨近隧道影響不能忽略，主要控制點包括隧道結構允許的變形值和內力變化值等。本文采用大型巖土有限元軟件Madis GTS，采用能夠相對準確模擬開挖卸載的小應變硬化土體本構模型，對翻挖方案進行校核驗證。

計算結果如圖4所示，按翻挖方案，引起管片周邊土體最大變形為10.51mm，小于基坑設計時由于基坑開挖引起的允許變形值；盾構管片及周邊土體應力處于基本對稱狀態，說明翻挖引起管片及周邊土體的應力變化很小。同時翻挖結束，挖坑全部回填后，隧道變形及應力基本恢復，說明翻挖對盾構隧道影響較小，滿足隧道保護要求。根據現場實測結果，整個翻挖過程隧道變形指標均處于允許范圍之內。

圖4 翻挖引起的隧道及周邊土體變形與應力

3 超厚超深地下連續墻成槽技術

主要從成槽設備選型、場地加固、槽壁加固、護壁泥漿配合比等方面對復雜地質條件下的超厚超深地下連續墻成槽技術進行研究，同時對槽壁穩定和橫向變形進行驗算。

3.1 成槽設備選擇

地下連續墻成槽深度62m，成槽寬度1.2m，同時，因止水要求槽底需進入強風化花崗巖≥1.5m，且巖面不平整，部分區域需要入巖深度較大，風化巖標貫值均>50，都對成槽設備提出較高要求。經過設備功能比選，選用寶峨GB60液壓抓斗可滿足施工要求，設備主要參數如表1所示，經工程實踐效果良好。

表1 寶峨GB60設備主要參數

3.2 場地加固和槽壁加固

成槽機主機、履帶式起重機(包括吊重)質量較大，且在成槽機工作過程中可能會產生振動，二者均要求地面必須具有較好的地基承載力和平整性。根據場地地基土及機械設備荷載情況，場地經平整后采用30cm厚C30混凝土硬化，配置雙層雙向間距250mm、直徑16mm的鋼筋。同時根據成槽順序及成槽機占位情況和鋼筋籠吊裝行走線路，確定場地內硬化范圍為地下連續墻導墻邊緣外擴15m。

臨近城軌地下連續墻兩側采用套接一孔的三軸攪拌樁加固槽壁，加固深度與有效連續墻等深，并穿過淤泥質土層≥1.5m，攪拌樁長度達43.2m，屬于超深攪拌樁，采用ZLD180動力頭結合JB160A樁架，單機總用電量達450kW。采用42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比20%，根據現場地質情況確定水灰比為1.0。采用兩噴兩攪的施工工藝，攪拌下沉速度控制在0.6m/min左右，提升速度宜控制在1m/min內；噴漿壓力≤0.8MPa，水泥漿注漿流量為120L/min。

3.3 成槽控制

采用“順開式” 施工槽段，單側工字鋼的鋼筋籠吊裝難度大，同時，加固工字鋼的措施筋用量很大，選擇采用“跳開式”開閉成槽順序，成槽時采用“三抓”開挖，先挖兩端最后挖中間，使抓斗兩側受力均勻。轉角處部分槽段因一斗無法完全挖盡時或一斗能挖盡但無法保證抓斗兩側受力均勻時，在抓斗的一側下放特制鋼支架來平衡另一側阻力，防止抓斗因受力不勻導致槽壁左右傾斜。為保證挖土位置準確，抓斗中心應每次對準放在導墻上的槽位標志物，抓斗出入導墻口時要輕放慢提，防止泥漿形成渦旋，影響導墻下土體的穩定性。

對于地下連續墻垂直度控制采用雙向控制的施工方法，一方面利用液壓抓斗的垂直度顯示儀和自動糾偏裝置來控制成槽過程中的槽壁垂直度，另一方面采用全站儀進行垂直度控制。成槽施工前，液壓抓斗按槽幅位置及成槽順序垂直于導墻外側進行就位。就位時采用全站儀進行縱橫雙向控制液壓抓斗的位置，并進行垂直度的糾正。成槽施工過程中用全站儀進行垂直度跟蹤觀測，做到隨挖隨測隨糾偏，確保垂直度控制在3‰。

3.4 泥漿護壁技術

泥漿是決定槽壁穩定性的關鍵，要選用有優質天然鈉基的膨潤土，加入純堿、高純度的CMC、重晶石細粉和自來水等拌合而成，充分靜置24h，視情況摻入水量1%～2%的紙漿、干鋸末、石棉等纖維物質，各階段泥漿性能需滿足表2中的指標要求。

表2 泥漿性能指標

挖槽時需要驗算槽壁穩定性。經驗算，槽段壁面在42m深處開槽抗坍塌安全系數K=1.13>1，橫向變形為Δ=0.024 6m<0.04m，滿足要求。

4 鋼筋籠吊裝

地下連續墻止水采用全長工字鋼接頭，止水工字鋼配置到槽底，鋼筋籠采用分段起吊入槽，下部素混凝土段單獨起吊，上部有效連續墻段整體起吊，在槽口搭接完成后再整體下放。為保證鋼筋籠起吊時的剛度和強度，對鋼筋籠整體及吊點位置進行加強。

4.1 履帶式起重機設備選型

出土口位置超載較大，此處地下連續墻配筋相應最大，最重地下連續墻鋼筋籠長度最長41m，最大單幅地下連續墻鋼筋籠重70t，加上吊鉤、鋼絲繩索具等總吊重約75t。

1)主起重機選用 根據主起重機臂架仰角、鋼筋籠的尺寸和質量、起吊高度及現場鋼筋籠加工場地布置，考慮鋼筋籠吊起后不碰撞主起重機臂架，確定起重機臂長及噸位。由于場地地質條件差、成槽深度大，主起重機選用時還應考慮有效段地下連續墻段與素混凝土段鋼筋籠連接成整體后，若遇特殊情況，能夠將整體鋼筋籠提出槽口。根據各項指標選定QUY400t履帶式起重機作為主起重機，選配78m主臂，幅度12m時額定起重量為114t。按照規范，大型起重機械的安全起重系數為0.8，114t×0.8=91.2t>75.00t，滿足起吊要求。當起重機吊裝行走時，根據規范規定，當起重機如需帶載行走時，載荷不得超過允許起重量的0.7倍，即114×0.7=79.8t>75.0t，滿足起吊行走要求。

2)副起重機選用 根據雙機抬吊時極限工況，計算副起重機的垂直高度為31.5m、副起重機極限狀況時起最大荷載為39.2t，取1.6倍安全系數，副起重機荷載值為62.4t。QUY260履帶式起重機作為副起重機，選配44m主臂，幅度為 12m，額定起重量為 85.9t>62.4t，滿足施工要求。

4.2 鋼筋籠吊點布設及吊裝加固

一字形鋼筋籠吊點布置要保證鋼筋籠縱橫向受力彎矩均衡，正副彎矩值相近，根據實際吊裝經驗及鋼筋籠措施筋和預埋件分布特點進行微調，具體布置如圖5所示，共布置24個吊點，橫向每排布置4個吊點，與豎向桁架位置一致。縱向吊點布置，籠頂懸壁1m，尾部懸壁2m，主副起重機點間距8m，主起重機兩點間距8m，副起重機間距均為8m，經對鋼筋籠撓度驗算，跨中變形滿足要求，并由實際驗證效果良好。

圖5 鋼筋籠吊點位置

L形鋼筋籠吊點的縱向布置與一字形的一致。因結構的特殊性，起吊時鋼筋籠繞角點旋轉一定角度后以V字形式向上起吊。結合起吊過程及力學平衡、彎矩最小原則，在吊點計算時應首先求出鋼筋籠重心位置，再求出形心主軸方向，使其在起吊過程中的扭轉角度與主慣性軸和原坐標軸之間的夾角相等。主慣性軸橫坐標與鋼筋籠兩側的交點即為吊點位置。以兩邊長度為3.2m和2.0m的槽段為例，按照下式計算重心坐標G(x0，y0)，并給出各吊點坐標。

(1)

(2)

有效段鋼筋籠采用整幅制作，整幅起吊入槽，為保證鋼筋籠起吊時的剛度和強度，需對鋼筋籠整體及吊點位置進行加強。縱向桁架設置4道，采用φ22鋼筋；橫向桁架每3m設置1道，采用φ28鋼筋。同時設置橫向桁架加強筋等措施進行骨架筋加固。

為保證鋼筋籠安全起吊，鋼筋籠施工時需對吊點進行局部加強。吊筋采用φ32鋼筋，對設置在鋼筋籠內的吊點均需設置U字形加強筋，加強筋采用φ32鋼筋；對于鋼筋籠頂2處主起重機吊點及擔杠點均采用“U”形φ32鋼筋進行加強，吊點上弧與主筋或加強筋禁止施焊，兩下腳雙面焊加強，焊縫長度≥10d，焊縫高度≥0.5d；并對所有吊點上部的1根水平筋進行加粗，采用φ28鋼筋。

4.3 素混凝土段止水工字鋼加固

為保證地下連續墻混凝土澆筑前，工字鋼外側防繞流用石子回填完成后，工字鋼在內外側壓力差作用下保持有限變形，同時考慮吊裝施工要求，需要對素混凝土段止水工字鋼加固，兩側素混凝土段鋼筋籠縱向桁架設置3道，縱向桁架采用φ22鋼筋，橫向桁架同有效連續墻段一樣每3m設置1道，每m設置1根水平分布筋，橫向桁架筋和水平分布筋采用φ28鋼筋。

為驗證素混凝土段工字鋼加固效果，采用SAP2000有限元軟件建立整體單元模型，加固鋼筋按梁單元，工字鋼按殼單元模擬，按外側回填石子計算工字鋼兩側壓力差施加荷載，如圖6a所示。加固鋼筋屈服模態如圖6b所示，沒有出現整體失穩。圖6c為變形，最大位移在工字鋼底部腹板處，為44mm，加固效果良好，滿足工程要求。

圖6 止水工字鋼加固驗證

5 結語

通過實際施工情況來看，采用一臺挖機小范圍翻挖，另一臺及時回填，能夠滿足緊鄰隧道的保護要求；選擇合適的成槽設備、對場地及槽壁進行適當的加固處理、控制好成槽和泥漿護壁工藝，可以很好地完成深厚淤泥質土的超深地下連續墻成槽施工；同時，做好鋼筋籠吊裝設備的選型，設計好鋼筋籠吊點布設，并對吊點和素混凝土段止水工字鋼進行加固，圓滿完成了超重鋼筋籠吊裝施工。