不均勻軟土地質(zhì)中槽壁加固關(guān)鍵技術(shù)研究

蘇小龍

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040)

0 引言

隨著《長(zhǎng)江干線(xiàn)過(guò)江通道布局規(guī)劃(2020—2035年)》的發(fā)布，在新的建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系、推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展的重要時(shí)期，堅(jiān)持共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)，堅(jiān)定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路，對(duì)過(guò)江通道布局提出新的更高要求。在產(chǎn)業(yè)密集和港航活動(dòng)繁忙地區(qū)主要推薦采用一孔跨過(guò)通航水域的橋梁形式過(guò)江。南京及其下游地區(qū)江面開(kāi)闊，航運(yùn)繁忙，這為超大跨徑橋梁的推廣提供了極其有利的基礎(chǔ)條件。

1 工程概況

南京仙新路過(guò)江通道距上游南京長(zhǎng)江二橋約5.9km，距下游南京四橋約4.3km。主線(xiàn)按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，采用雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h。跨江大橋主橋?yàn)橹骺? 760m的單跨門(mén)形塔整體鋼箱梁懸索橋，主跨跨度位居中國(guó)第一，世界第三。主橋跨度布置為580m+1 760m+580m，矢跨比1/9(見(jiàn)圖1)。大橋南塔、南錨碇均位于小漓江生態(tài)公園內(nèi)。南錨碇采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，外徑65m，錨碇基坑開(kāi)挖深度59.0m，為同類(lèi)型基坑開(kāi)挖深度之最。地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)形剛性混凝土內(nèi)襯，內(nèi)襯厚度在1.0～2.5m變化(見(jiàn)圖2)。

圖1 主橋橋型布置(單位：m)

圖2 錨碇地質(zhì)縱斷面展開(kāi)(單位：cm)

2 主要建設(shè)條件

2.1 水文及地質(zhì)條件

錨碇場(chǎng)區(qū)內(nèi)存溝塘，水位主要受大氣降水影響。錨碇處原為深槽，后施工棄土回填，淤積厚度不等的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、流塑～軟塑粉質(zhì)黏土、粉土等，地形起伏較大。據(jù)鉆孔揭示及區(qū)域地質(zhì)資料，南錨碇覆蓋層主要為全新統(tǒng)人工填土及軟土，厚 53～59m， 根據(jù)淤積厚度，錨碇區(qū)域分A，B區(qū)，其中B區(qū)厚度較深，下伏基巖為礫巖。南錨碇以中、微風(fēng)化礫巖為基礎(chǔ)持力層(見(jiàn)表1)。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)參數(shù)

地下連續(xù)墻采用水下C35混凝土，結(jié)構(gòu)深度根據(jù)錨區(qū)地質(zhì)情況分為2種，即A區(qū)段地下連續(xù)墻(深60m)和B區(qū)段地下連續(xù)墻(深63m)，厚1.5m；共劃分48個(gè)槽段，Ⅰ，Ⅱ期槽段各24個(gè)。Ⅰ期槽段長(zhǎng)5.512m，三銑成槽；Ⅱ期槽段長(zhǎng)2.8m，一銑成槽。Ⅰ，Ⅱ期槽段間采用銑接法搭接0.25m(見(jiàn)圖3)。

圖3 地下連續(xù)墻槽段結(jié)構(gòu)

3 槽壁加固工藝選定

3.1 工法比較

根據(jù)原施工圖設(shè)計(jì)，地下連續(xù)墻槽壁加固采用φ800@600三重管高壓旋噴樁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“旋噴樁”)，共計(jì)666根。加固深度穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，平均長(zhǎng)48m。樁位偏差≤50mm，樁身垂直度允許誤差≤1/300。地下連續(xù)墻的槽壁加固要求有很高的施工精度，南京四橋、虎門(mén)二橋及深中通道均使用三軸攪拌樁作為槽壁加工方式，但加固深度均在20m以?xún)?nèi)。

對(duì)目前基建行業(yè)內(nèi)的地基加固工藝進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合以往施工項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，將超深三軸攪拌樁及CSM工藝與原設(shè)計(jì)的旋噴樁工藝進(jìn)行工藝綜合評(píng)價(jià)，如表2所示。

表2 超深加固工藝綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，φ800旋噴樁正常成樁的加固范圍在0.9～1.2m，旋噴樁的加固范圍主要由施工過(guò)程中的水壓、漿壓、氣壓決定，深層旋噴樁成樁效果在層厚不均勻、地質(zhì)特征變化較大時(shí)易導(dǎo)致各土層成樁截面不一致，無(wú)法確定最終的加固效果。根據(jù)進(jìn)一步的專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)，>40m的加固深度時(shí)，旋噴樁成樁的垂直度難以保證，且無(wú)有效糾偏措施。

現(xiàn)有施工設(shè)備中，超深三軸攪拌樁有成功案例的最大加固深度為45m，但此種攪拌鉆機(jī)機(jī)身接近60m高度，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。三軸攪拌樁在40m深度內(nèi)能保證有較好的加固效果，且加固效果優(yōu)于旋噴樁，但>40m時(shí)，工后形成的墻體質(zhì)量不可控。

CSM工法墻采用雙輪銑削成槽工藝，加固范圍均勻，槽形規(guī)則，液壓銑削形成矩形槽段，環(huán)形加固墻體相鄰槽段可通過(guò)搭接實(shí)現(xiàn)。銑輪可跟蹤糾偏，墻體傾斜度控制精度高，墻體壁面平整。成墻偏差：墻中心偏位≤20mm，墻體垂直度偏差≤1/300墻深。設(shè)備成樁深度大，大于常規(guī)設(shè)備：已知有工程實(shí)例的最大加固深度達(dá)55m。設(shè)備的自動(dòng)化程度高，觸摸屏控制系統(tǒng)，各功能部位設(shè)置大量傳感器，信息化系統(tǒng)控制，施工過(guò)程中實(shí)時(shí)控制施工質(zhì)量。

通過(guò)施工質(zhì)量、施工工效及文明施工等方面的綜合對(duì)比，雖然旋噴樁及超深三軸攪拌樁在造價(jià)方面遠(yuǎn)低于CSM工法墻，但其成樁(墻)能力不足、傾斜度控制不佳且加固質(zhì)量無(wú)法保證，為盡可能減小地下連續(xù)墻施工風(fēng)險(xiǎn)，提高基坑開(kāi)挖期間安全系數(shù)，本項(xiàng)目最終選定CSM工法墻作為槽壁加固方式。

3.2 仿真計(jì)算分析

分析采用CSM工法將槽壁加固至48m深度時(shí)槽壁的變形與穩(wěn)定性，以及在施工荷載作用時(shí)槽壁的變形與穩(wěn)定性。

以地質(zhì)勘察最不利地層作為計(jì)算依據(jù)。CSM加固區(qū)力學(xué)參數(shù)參考經(jīng)驗(yàn)值，取值如下：壓縮模量Es=50MPa，黏聚力c=100kPa，內(nèi)摩擦角φ=30°。泥漿相對(duì)密度選擇為1.08。其他數(shù)據(jù)選擇地質(zhì)勘察推薦值。

3.2.1計(jì)算工況與數(shù)值模型

最不利工況：BC40銑槽機(jī)作業(yè)(對(duì)比280t履帶式起重機(jī)吊裝110t鋼筋籠工作工況，選最不利)。

BC40銑槽機(jī)作業(yè)時(shí)，接觸面積為1m×6m(見(jiàn)圖4a)，按上述工況建立三維模型。

圖4 CSM工法驗(yàn)算及施工設(shè)備布置

3.2.2計(jì)算結(jié)果

1)工況1 未施加荷載，如圖5所示。

圖5 工況1下槽壁加固后水平變形云圖

未施加荷載時(shí)，對(duì)于1號(hào)地質(zhì)剖面而言，槽壁水平位移約23mm；對(duì)于2號(hào)地質(zhì)剖面而言，槽壁水平位移約18mm。評(píng)估槽壁水平位移18～23mm。

2)工況2 BC40銑槽機(jī)作業(yè)，如圖6所示。

圖6 工況2下槽壁加固后水平變形云圖

BC40銑槽機(jī)作業(yè)施加在槽壁附近時(shí)，對(duì)于1號(hào)地質(zhì)剖面而言，槽壁水平位移約32mm；對(duì)于2號(hào)地質(zhì)剖面而言，槽壁水平位移約36mm(BC40銑槽機(jī)對(duì)槽壁影響要大于SCC2800C履帶式起重機(jī)的影響)。

3.2.3計(jì)算結(jié)果匯總(見(jiàn)表3)

表3 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

可看出槽壁的位移較小，最不利時(shí)約為36mm，槽壁較穩(wěn)定。

3.3 CSM節(jié)段劃分

采用CSM工法墻，槽壁加固單幅墻尺寸2.8m×0.7m，墻體穿過(guò)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，平均樁長(zhǎng)48m。CSM工法墻在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)共計(jì)75幅，幅間搭接長(zhǎng)度23.74cm；外側(cè)共計(jì)80幅，幅間搭接長(zhǎng)度21.69cm，總計(jì)155幅；內(nèi)、外側(cè)CSM工法墻與地下連續(xù)墻間預(yù)留5cm間隙。

4 CSM施工及控制

4.1 工藝流程

場(chǎng)地清理→安裝調(diào)試、檢測(cè)→開(kāi)溝鋪板→移機(jī)就位→銑削攪拌下沉→提升噴漿攪拌成墻→移動(dòng)設(shè)備施工下槽段。

4.2 施工參數(shù)

下沉速度：深度在25m以?xún)?nèi)時(shí)為0.8m/min，>25m時(shí)為0.6m/min。提升速度為0.6m/min。采用 P·O42.5 水泥，水泥摻量22%；提升時(shí)噴漿60%～70%。

4.3 管控要點(diǎn)

4.3.1施工順序

本項(xiàng)目采用1臺(tái)金泰SC60設(shè)備施工?，F(xiàn)場(chǎng)采用“一噴一攪”模式，即銑頭在削掘下沉過(guò)程中噴射注入膨潤(rùn)土漿，提升時(shí)噴射注入水泥漿液并攪拌1次。結(jié)合總體施工安排及現(xiàn)場(chǎng)工序開(kāi)展需要，CSM的成墻順序?yàn)椋喉槻凼┕?，先外圈后?nèi)圈。

根據(jù)原位試驗(yàn)情況，工法墻可達(dá)到3幅/d的施工速度，因錨碇處地質(zhì)狀況不佳，采用順槽施工，一方面可避免設(shè)備跳槽施工時(shí)頻繁移動(dòng)造成的墻體局部擾動(dòng)，墻體搭接效果更好，保證墻體質(zhì)量，也便于施工設(shè)備穩(wěn)定；另一方面作業(yè)面成片展開(kāi)，為后續(xù)導(dǎo)墻分段施工提供了有利的先決條件。

4.3.2場(chǎng)地準(zhǔn)備

場(chǎng)地準(zhǔn)備在CSM工法的實(shí)施過(guò)程中極為關(guān)鍵，銑頭具備常規(guī)土質(zhì)切削能力，但若地層中夾孤石等，將大大增加施工難度。在本項(xiàng)目中，局部區(qū)段內(nèi)因雜填土中含混凝土塊，導(dǎo)致設(shè)備銑頭損壞，最后通過(guò)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)將雜填區(qū)段預(yù)挖5m溝槽并回填后方順利完成攪拌墻施工。

4.3.3垂直度

對(duì)于垂直度的控制，一方面在垂直2方向各設(shè)1臺(tái)監(jiān)控全鉆儀，實(shí)時(shí)人工觀(guān)測(cè)監(jiān)測(cè)；另一方面同時(shí)以設(shè)備儀表的數(shù)據(jù)作為參考，適時(shí)調(diào)整垂直度。

設(shè)備安裝完成后，先用水準(zhǔn)儀及水平尺調(diào)整機(jī)器的水平，后用經(jīng)緯儀從2個(gè)方向調(diào)整鉆桿的垂直度，調(diào)整完畢后，將控制器置零。在鉆進(jìn)過(guò)程中由設(shè)備銑頭及鉆桿內(nèi)的垂直度控制儀自動(dòng)成像傳輸至駕駛室的監(jiān)控屏，適時(shí)控制調(diào)整。移機(jī)過(guò)程中，從2個(gè)方向抽查鉆桿垂直度。

4.3.4下鉆、提鉆、注漿

本項(xiàng)目采用雙漿液注漿，注漿護(hù)壁進(jìn)行銑削下鉆，以防塌孔。注漿下鉆攪拌時(shí)速度不宜過(guò)快，宜≤0.8m/min， 以確保水泥土攪拌均勻，下鉆水灰比應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，隨時(shí)檢查桅桿垂直度，結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告根據(jù)實(shí)際進(jìn)尺速度、設(shè)備壓力表值及設(shè)備抖動(dòng)情況確定各地層深度，并調(diào)整注漿量，確保各地層注漿量滿(mǎn)足理論土層水泥摻量要求。當(dāng)雙輪銑鉆至設(shè)計(jì)深度時(shí)提鉆，提鉆噴漿時(shí)提鉆水灰比應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，機(jī)頭提升速度應(yīng)≤0.6m/min，確保水泥土攪拌均勻，成墻有效。

4.3.5殘土處理

雙輪銑提鉆階段時(shí)銑頭2組銑輪向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，只噴射水泥漿形成水泥土墻體。鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)置換出來(lái)一部分水泥殘土，應(yīng)及時(shí)用挖掘機(jī)將槽內(nèi)殘土挖出，集中堆放，待固結(jié)后外運(yùn)處理。

4.3.6強(qiáng)度驗(yàn)證

目前，針對(duì)CSM工法墻暫無(wú)施行的規(guī)范、技術(shù)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，但該工藝是以傳統(tǒng)的水泥土攪拌墻工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合了當(dāng)前雙輪銑削工藝。其工藝本質(zhì)依然是水泥土攪拌墻工藝。

近些年該工藝在房建、市政基礎(chǔ)工程中得到應(yīng)用，其工藝標(biāo)準(zhǔn)多參考JGJ/T 199—2010《型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程》及GB 50202—2018《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》。

對(duì)于墻體強(qiáng)度的檢驗(yàn)方法，參照上述規(guī)范，每槽段制件數(shù)量≥8組，待齡期達(dá)7d后進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，并留有余樣進(jìn)行28d強(qiáng)度驗(yàn)證。實(shí)測(cè)28d強(qiáng)度平均值為1.06MPa。由于水泥土墻深度較大，難以在墻底取芯檢測(cè)水泥土墻強(qiáng)度，但從實(shí)施過(guò)程及后續(xù)錨碇基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)的槽壁加固墻體開(kāi)挖效果看，水泥土墻的強(qiáng)度達(dá)到了預(yù)期要求。

5 基于CSM的地下連續(xù)墻施工優(yōu)勢(shì)

5.1 工期縮短

槽壁加固作為地下連續(xù)墻施工的前置工序，其能否順利實(shí)施及實(shí)施效果都直接影響地下連續(xù)墻的各項(xiàng)子工序開(kāi)展，包括泥漿處理系統(tǒng)布置、導(dǎo)墻及外圍施工平臺(tái)等。原計(jì)劃采用旋噴樁工期為120d，在工藝變更后，實(shí)際工期壓縮至48d，提前72d。此外，CMS工法墻施工場(chǎng)地相較于旋噴樁環(huán)保效果良好。主要體現(xiàn)在錨碇環(huán)形區(qū)域內(nèi)部的后期處理極為便利，大幅度避免了在旋噴樁施工完成后整個(gè)區(qū)域的場(chǎng)地清理及硬化等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了后置工序的提前插入。

5.2 引導(dǎo)效果佳

銑槽機(jī)通過(guò)雙輪銑頭上的糾偏板實(shí)現(xiàn)成槽過(guò)程中的傾斜率控制。在本項(xiàng)目實(shí)施的地下連續(xù)墻，傾斜率均控制在1/500以?xún)?nèi)，這一點(diǎn)在錨碇基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中得以驗(yàn)證，地下連續(xù)墻墻體“劈叉”現(xiàn)象較少，且偏差小。一方面得益于CSM的高精度成墻質(zhì)量，為地下連續(xù)墻的傾斜率控制提供了有利基礎(chǔ)；另一方面，CSM成墻的均勻性也使雙輪銑的糾偏板有可靠的“著力點(diǎn)”。

5.3 地下連續(xù)墻槽段長(zhǎng)度加長(zhǎng)

原Ⅰ期槽段寬度為5.512m，在基于CSM工法的槽壁加固情況下，完成地下連續(xù)墻前3個(gè)槽段施工后，結(jié)合首槽施工的傾斜度、擴(kuò)孔率及地下連續(xù)墻成墻過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)，對(duì)后續(xù)一期槽段寬度予以調(diào)整，槽段徑向長(zhǎng)度加長(zhǎng)80cm，槽段總數(shù)由48幅調(diào)整為44幅，區(qū)域劃分總體遵循原劃分線(xiàn)(見(jiàn)圖3a)，同一區(qū)段內(nèi)地下連續(xù)墻深度不變。在保證地下連續(xù)墻達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，通過(guò)減少槽段數(shù)量進(jìn)而減少豎向接縫，進(jìn)一步提升了地下連續(xù)墻的整體性及止水性。

6 結(jié)語(yǔ)

CSM工法已是一種很成熟的工藝，發(fā)達(dá)國(guó)家在積極推廣該工藝的應(yīng)用。而在國(guó)內(nèi)，CSM工法墻作為防滲墻和擋土墻均有一定數(shù)量的成功案例，取得了良好效果。但CSM工法作為地下連續(xù)墻錨碇的槽壁加固工藝，在仙新路過(guò)江通道南錨碇施工中的應(yīng)用在橋梁領(lǐng)域尚屬首次。

對(duì)比傳統(tǒng)三軸攪拌樁及旋噴樁，CSM工法通過(guò)墻體尺寸的增加將槽段接頭數(shù)量減少了一半以上，此外還有優(yōu)異的成墻垂直度控制、精確的水泥拌入量、可靠的成墻質(zhì)量。就本項(xiàng)目所使用的CSM工法及其在地下連續(xù)墻施工及基坑開(kāi)挖時(shí)的表現(xiàn)狀況，筆者認(rèn)為CSM工法墻所需的水泥量在本項(xiàng)目所使用的水泥摻量基礎(chǔ)上可減少30%。

CSM工法高度結(jié)合了雙輪銑的機(jī)械性和傳統(tǒng)的水泥土改良技術(shù)，使得工法墻能達(dá)到更大的施工深度、更均勻可靠的墻體質(zhì)量并具備了在困難地層中施工的能力。此外，該工法具備內(nèi)插H型鋼條件，也可實(shí)現(xiàn)中等深度軟土地層下的“強(qiáng)支護(hù)”結(jié)構(gòu)與止水結(jié)構(gòu)的集成。隨著CSM工法理論日趨完善和施工工藝標(biāo)新立異，CSM工法大深度高質(zhì)量成墻的能力將在超大跨度橋梁基礎(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。