富水复合地层地下连续墙成槽施工工艺选型研究

富水复合地层地下连续墙成槽施工工艺选型研究

尹巍巍

中铁二十四局集团有限公司轨道交通分公司

摘 要：地下连续墙广泛应用于深基坑围护体系，地下连续墙成槽工艺是整个地下连续墙施工中最重要的工序，因此做好成槽工作是提高地下连续墙施工效率及保证工程质量的关键。随着各种大型成槽设备的出现，成槽工艺也在不断发展。针对不同的地质情况，各成槽设备的工效也随之变化。本文以南京地铁车站为例，详细分析了成槽施工的各种设备及工艺，从其工效及适应性方面探讨了各种工艺的组合形式。

关键词：成槽施工 工效 适应性 组合形式

1 引言

地下连续墙最早出现在1950年的意大利，当时是用作大坝的防渗墙。我国在1958年北京密云水库建造了44m深的槽孔式防渗墙。随着1977年上海研制成功了导板抓斗和多头钻成槽机，地下连续墙逐步在我国推广。2000年以后随着城市环境保护要求的提高，以及深大基坑的不断涌现，地下连续墙以其优越的抗渗性，大刚度、低噪音等突出的优点，广泛应用于深基坑领域。

地下连续墙施工期间的成槽质量，直接关系到钢筋笼的吊装安全，高效、安全的完成成槽施工尤为重要。

地下连续墙成槽施工主要依赖于成槽机、铣槽机等大型成槽设备，针对不同的土层、岩层国内外学者对成槽机、铣槽机等设备的应用做了大量的研究。本文结合南京地铁某车站的具体施工案例，对成槽设备在不同的地质条件下的应用效果，进行分析、比对，探讨成槽设备的选型。

2 工程概况

2.1 车站概况

车站左线长273m，右线长209m，站后设置单渡线，地下三层岛式站台车站。基坑开挖深度25.4m~27.8m，半盖挖法施工。基坑采用地下连续墙+内支撑结构体系，工字钢接头，西端头井段采用1200mm厚地下连续墙（墙深43~44m），其余采用1000mm厚地下连续墙（墙深32~44m）。共106幅地下连续墙。

2.2 周边环境

车站周边建构筑物密集，车站2h基坑范围内共有建构筑物25幢，总建筑面积为37190㎡，其中国家级文物保护单位1处，省级文物保护单位1处。深基坑施工期间需尽量降低对基坑周边的影响。

2.3 地质情况

车站处于古秦淮河漫滩地貌单元，粉土、粉砂发育，工程地质条件差。上部土层富水，下部岩层起伏大，地质情况复杂。

图1 车站地质断面图

地质情况从上往下依次为：杂填土、素填土、粉砂、粉土、粉质黏土、强分化岩、中风化岩。各土层厚度及性质见下图：

下表为勘察报告揭示的岩层强度，进行施工补勘后发现，地下连续墙入岩部分岩石强度远大于勘察报告，平均在20MPa~50MPa，最大可达120MPa。

2.3 水文情况

车站地下水的类型主要是上部松散层中孔隙潜水和基岩风化带裂隙水两类。车站地下水位埋深1.10m～3.50m。

3 成槽机+旋挖钻组合工艺

车站地下连续墙主要穿越杂填土、粉砂、粉土、粉质黏土、强风化砂岩、中风化砂岩层，其中土层厚度平均约31m，地下连续墙入中风化岩1.5~4m。根据地勘数据揭示，中风化岩强度约在20MPa以内。结合项目现有设备及人员，初步拟定采用金泰SG70成槽机抓取上部土层，入岩后采用SR360R旋挖钻进行成槽。

3.1 成槽用时分析

采用金泰SG70成槽机+SR360R旋挖钻+冲击钻（10t方锤）组合工艺，共实施14幅地下连续墙。其中上部土层由金泰SG70成槽机进行抓土施工，抓土工时统计如图：

图2 SG70成槽机抓土工时统计

由图可知，除SW16地下连续墙抓土用时较长外，其余抓土总时长平均在10h左右。

原因分析：该幅地下连续墙受管线影响，成槽时多次拨移管线，导致成槽施工不连续，造成抓土时间较长。

下部岩面采用SR360R旋挖钻进行引孔成槽，各幅墙入岩用时如图：

图3 SR360R旋挖钻+冲击钻入岩工时统计

该14幅墙岩面标高变化较为均匀，但是成槽时长波动较大，入岩单幅时间有5幅在20h以上，其余平均在10h左右。该工艺未达到预期效果。

3.2 原因分析

首幅地下连续墙施工时，采用的是金泰SG70成槽机+SR360R旋挖钻组合，成槽机抓取上部土层，下部岩层采用旋挖钻连续引孔成槽，如下图所示：

图4 入岩部分旋挖钻连续成孔

实际施工时发现，剩余棱角部分，成槽机无法抓除，一方面采用旋挖钻套打去除棱角，另一方面抽调一台10t重方锤进行修孔。如下图所示：

图5 剩余岩石棱角处理难度较大

依靠旋挖钻引孔，方锤修孔的方式，未完全达到预期成槽效果。

4 成槽机+铣槽机组合成槽工艺

结合前期地下连续墙施工效果，上部土层抓土达到预期工效，下部入岩部分旋挖钻+冲击钻工艺成槽用时长，成槽效果不理想，经比对选型，决定更换施工设备。

4.1 金泰SG70与金泰SG46a选型

根据金泰SG70与金泰SG46a两种型号参数对比，金泰SG46a成槽宽度、成槽深度、单绳拉力等参数均满足本车站上部土层抓土的需求，并且其租赁费用低，因此决定将金泰SG70成槽机更换为金泰SG46a。

4.2 徐工XTC100/105成槽机设备参数

徐工XTC100/105铣槽机配备了的三种齿头：平齿、锥齿、球齿。其分别适用于50MPa以下、50MPa~100MPa、100MPa以上的基岩。本车站中风化岩层强度主要为20MPa~50MPa，徐工XTC100/105铣槽机对岩石的切削能力满足本车站的施工需要。岩石部分的成槽设备更换为徐工XTC100/105铣槽机。

图6 铣槽机的三种齿头

4.3 成槽用时分析

更换施工设备后，整体金泰SG46a成槽机抓土时间逐步稳定在11h。

图7 SG46a成槽机抓土工时统计

徐工XTC100/105铣槽机入岩效果良好，整体入岩用时平均在11.6h上下波动，当岩石强度超过50MPa后，其入岩用时明显增加。

图8 徐工XTC100/105入岩工时统计

根据现场勘探芯样数据，剩余16幅地下连续墙入岩部分岩石强度较高，最高可达120MPa，单纯依靠徐工XTC100/105铣槽机进行施工，槽段入岩部分整体施工缓慢，拟使用SR360R旋挖钻对中风化岩层进行引孔破碎，后采用徐工XTC100/105铣槽机进行修孔。

5 成槽机+铣槽机+旋挖钻组合成槽工艺

剩余地下连续墙成槽方式为：上部土层仍用成槽机抓土，下部入岩部分，先用SR360R旋挖钻引孔破碎，再用徐工XTC100/105铣槽机进行修孔。

5.1 成槽用时分析

剩余地下连续墙成槽时，金泰SG46a成槽机对上部土层抓土时间逐步稳定在10h~11h之间。

图9 SG46a成槽机抓土工时统计（剩余地下连续墙）

经SR360R旋挖钻引孔破碎后，徐工XTC100/105铣槽机入岩效果良好，整体入岩时间平均在17h上下波动。

图10 徐工XTC100/105铣槽机+SR360R旋挖钻

入岩工时统计

6 各成槽设备实际工效总结

6.1 抓斗成槽施工工效

本车站地下连续墙墙深在32m~44m之间，入中风化岩1.5m~4m之间，上部土层先后采用金泰SG70、金泰SG46a两种设备成槽，土层部分深度均在30m以上。

6.1.1 成槽深度与工效的变化关系

依据实际施工情况统计，地下连续墙成槽施工效率随着成槽深度的增加逐步降低，在深度15m前后有较为明显的变化，15m以上平均工作效率约为18 m³/h，15m以下平均工作效率约为12 m³/h。

图11 成槽深度与时间关系

6.1.2 不同机型的工效对比

前期地下连续墙施工采用金泰SG70成槽机，平均工作效率约为20m³/h，后期更换为金泰SG46a成槽机，平均工作效率约为15m³/h。结合类似土层的天津地铁某明挖车站施工数据对比，宝峨成槽机GB46平均工作效率约为17m³/h。

图12 成槽时间对比图

6.1.3 设备维修时间占比

结合现场情况统计对比，单位成槽时间内，徐工XTC100/105铣槽机维修时间占总成槽时间平均约为15%，金泰SG46a成槽机维修时间占总成槽时间平均约为19%，宝峨GB46成槽机维修时间占总成槽时间平均约为11%。

图13 维修时间占比图

6.2 铣槽机施工工效

地下连续墙入中风化岩1.5m~4m不等，中风化岩层为砂岩，随着深度的变化岩石强度逐渐变大（20MPa~120MPa），且岩面变化较大，施工难度大。

6.2.1 20MPa以内岩层

根据现场实际情况，结合地质勘探图，中风化岩层与土层间存在一层强风化岩层，厚度在0.2m~4.3m之间，强度10MPa以内。

金泰SG70成槽机利用其液压齿可直接破碎10MPa以内的岩石，混合泥土一并抓取出地面，金泰SG46a成槽机功率不足，无法直接进行破碎抓取，需使用旋挖钻或者铣槽机进行破碎施工。徐工XTC100/105铣槽机对20MPa以内的岩层成槽平均工效约4~5 m³/h。

6.2.2 20~50MPa岩层

地下连续墙入中风化岩的强度主要在20MPa~50MPa范围间，实际施工中采取旋挖钻+冲击钻（方锤）、铣槽机两种方式对该部分岩层进行处理。

旋挖钻+冲击钻（方锤）：先用旋挖钻进行引孔，待达到设计标高后用冲击钻进行修孔，平均工效约1m³/h。

铣槽机：直接用铣槽机对岩石进行切削，平均工效约2m³/h。

6.2.3 50~120MPa岩层

后期地下连续墙入中风化岩的强度在50~120MPa之间，徐工XTC100/105铣槽机进行切削，平均工效约为0.5m³/h。改用铣槽机+旋挖钻的方式对该部分岩层进行处理，平均工效提高至1.2m³/h。

图14 入岩工效随着强度增加降低

7 成槽设备的选型及组合

根据以上工效的分析及比对，对不同的成槽设备进行组合，可有效减少资源浪费，提高地下连续墙成槽质量。

7.1 抓斗成槽机的适用范围

根据以上分析可得出结论：抓斗成槽机广泛适用于粉质粘土层、粉砂、粉土等常规软土层的成槽施工，随着深度的增加，其工效有所降低。与铣槽机对比，在土层中成槽施工，从经济性、适用性、工效等方面成槽机的优越性明显。

地下连续墙涉及到较厚的强风化岩层时，可选用功率较大的成槽机，利用其液压抓齿直接将10MPa以内的强风化岩层进行破碎，可有效提高施工效率。

7.2 铣槽机的适用范围

铣槽机由于其出土方式，在土层中其工效低于成槽机。铣槽机适用于入岩的槽段成槽施工。

根据以上工效对比发现，铣槽机随着岩层强度的增长，成槽时间明显增长。为提高施工效率，选择用旋挖钻、冲击钻辅助引孔，铣槽机修孔，可有效增加成槽效率、提高成槽质量。

铣槽机的两个轮盘之间有盲区，影响施工工效，旋挖钻、冲击钻配合引孔可避免齿轮打滑现象的出现。

图15 双轮铣盲区

铣槽机进入淤泥质土的夹层后，耗油量明显增加，进尺缓慢。分析原因是：淤泥包裹齿轮，堵塞吸砂口，难以持续施工，需不断上提清淤，因此铣槽机不适用于淤泥层土质。

图16 淤泥质土施工效率降低较多

7.3 成槽方式的组合形式

地下连续墙成槽方式不应拘泥于单一设备的使用，面对不同的地质情况，不同的周边环境情况各类设备可以灵活运用和组合。实际施工过程中，可以根据现场情况有针对性的进行调整，以达到省时、高效、安全的目的。

8 结束语

地下连续墙以其防渗性能好、刚度大、质量可靠等优势，广泛应用于各类深基坑施工中。地下连续墙的成槽质量直接影响地下连续墙的实体质量，因此保证地下连续墙的成槽质量是整个围护结构施工中的重要环节。本文结合实际的施工案例，详细对成槽相关的各类设备，各种工艺进行比对、分析，从而比选出各种成槽组合方式。同时也对其组合工艺进行相应的适应性分析，为以后同类型工程在工艺选择上提供参考意义。

参考文献

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