基岩地层中地下连续墙成槽设备及工法的研究与应用

基岩地层中地下连续墙成槽设备及工法的研究与应用

张彦峰

（西安市地下铁道有限责任公司）

【摘要】结合工程实例介绍了基岩地层中地连墙成槽设备，成槽工法等要点，为同类型地连墙施工积累了经验。

【关键词】地连墙；设备；工法；应用

地连墙是在地面上采用各种挖槽机械，在泥浆（又称稳定液，如膨润土泥浆）护壁的情况下进行开挖，形成一定长度槽段的沟槽，清槽后，将制作好的钢筋笼放入槽段内，然后用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐段进行，各槽段之间以特定的接头方式相互连接，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土地下墙体。地连墙成槽施工在覆盖层中不仅工艺简单、速度快、功效高，而且一般对设备要求不高。而在风化程度不高或微风化基岩中，常用的液压抓斗、液压铣槽机等设备成槽难度会急剧增加，功效也很低，所以必须采取辅助工艺来实现。

1、地连墙成槽设备

地连墙成槽设备主要有冲击钻、液压抓斗、多头钻机、液压铣槽机等集中设备，其主要设备适用范围详见表1：

2、基岩地层中地连墙施工机械设备及工法

根据表1分析，适用于基岩地层的设备主要有冲击钻机及液压铣槽机。

冲击钻机成槽原理十分简单，设备也很常用，但冲击钻机在成槽过程中不仅功效低、成槽精度低，且修槽工作难度也很大。

液压铣槽机为目前地连墙成槽机械化程度最高的设备，其先进的泥浆循环系统及高效的钻进效率，能够充分保证施工进度，而且槽段之间连接所采用的铣接头比一般接头形式更为可靠。以德国宝峨BC-32型铣槽机为例，其配备锥形刀头后可在强度60Mpa的基岩中钻进施工，但问题是刀头的磨损率非常高，成槽施工成本很高。所以在基岩中成槽时，一般采用冲击钻机配合铣槽机钻进施工。

2.1冲击钻机成槽施工

2.1.1成槽原理

冲击钻成槽是利用冲锤自由落体产生的动能将土体或岩石击碎成孔，碎渣经泥浆循环而置换出来。土层中是在单幅槽段内依次相连冲击若干个圆孔，最后用特制的方锤修孔、扫孔，将这些圆孔修成条形的地连墙槽段。在基岩中冲钻成槽工艺是先冲主孔，再冲其余部分（副孔），主孔与副孔之间搭接并间隔布设，最后用方锤修孔，切除残留的边角岩体，形成地连墙槽段。目前国内使用比较广泛的是简易冲击钻机，它由简易钻架、冲锤、转向装置和双筒卷扬机等组成。

2.1.2主要特点

优点是构造简单，操作方便，设备低廉，不仅适用于黄土、粘性土或粉质粘土、人工杂填土等土层，在砂砾石层、漂石层、坚硬土层、岩层中使用效果也很好，开挖深度可达100m。缺点是冲孔时噪声大，成槽效率低，槽段施工精度不高，易发生偏斜。

2.1.3成槽工法

冲击钻机在成槽施工中根据工程地质情况又可分为全冲成槽、冲导向孔、基岩成槽等。其中适用于基岩成槽的工法为全冲成槽、基岩成槽。

①全冲成槽

地下土层为砂砾石层、漂石层、坚硬土层、岩层等，强度较高，抓斗无法进行作业，或施工防渗墙时地下水与附近水系连通，并随之流动形成动水压力时，抓斗成槽速度太快，无法形成有效护壁等情况时，可采用冲击钻机全冲成槽。

全冲成槽是利用冲锤自由落体产生的动能将土体或岩石击碎成孔，碎渣经泥浆循环而置换出来，在单幅槽段内依次相连冲击若干个圆孔，最后用特制的方锤修孔、扫孔，将这些圆孔修成条形的地连墙槽段。成槽步骤见图1。

图1全冲成槽示意图

②基岩成槽

冲击钻机在基岩中冲钻成槽工艺是先冲主孔，再冲其余部分（副孔），主孔与副孔之间搭接并间隔布设，最后用方锤修孔，切除残留的边角岩体（锤蜡），其方法与冲击钻机“全冲成槽法”有很多相似之处，但也有其各自的特点。成槽步骤见图2。

图2基岩成槽示意图

2.1.4适用接头形式

冲击式成槽施工除不能采用铣接头外，其他接头形式均可使用。

2.2液压铣槽机成槽施工

2.2.1成槽原理：铣槽机成槽原理是通过液压系统驱动下部两个轮轴转动，水平切削、破碎地层，采用反循环出碴。开挖深度一般可达60m，特制型号可达150m。

2.2.2主要特点

优点是施工效率高（是抓斗的2-3倍），成槽精度高，利用电子测斜装置和导向调节系统、可调节角度的鼓轮旋铣器，成槽垂直度可控制在4‰以内；能直接切割混凝土，在一、二期槽间形成特有的铣接头；低噪音、低振动，可贴近建筑物施工；设备自动化程度高，运转灵活，操作方便，以电子指示仪监控全施工过程，自动记录和保存测斜资料，在施工完毕后还可以全部打印出工程资料。缺点是但设备很少，施工成本高，维护成本高；对地层中的铁器掉落或原有地层中存在的钢筋等比较敏感。在强风化及中风化基岩中直接钻进，微风化高强度基岩中钻进困难。

2.2.3成槽工法

覆盖层中采用直接钻进法施工，基岩当中一般采用冲击钻机配合钻进。

当覆盖层钻进完成后，铣槽机继续向岩层内钻机50cm后（为冲击作业提供导向作用），撤出铣槽机改用冲击钻机冲击成槽，工法类似于全冲成槽。根据槽段的厚度及宽度，确定冲击钻机型号的孔位数量，待各冲击孔位达到设计标高后，再利用铣槽机进行修槽作业及清孔作业。

2.2.4适用接头形式

铣槽机施工适用于任何一种接头，一般采用铣接头。

3、工程应用

3.1工程概况

鹦鹉洲长江大桥南锚碇位于长江南岸武昌侧，距离长江大堤约120m，采用重力式锚碇基础，圆形地下连续墙支护方案，地下连续墙外径68.0m，墙厚1.5m。为防止地下连续墙底脚发生渗流及踢脚破坏，有利于增加基坑的抗隆起稳定性，地下连续墙嵌岩深度原则确定如下：强风化与中风化白云质灰岩厚度大于5m时，地下连续墙嵌入微风化白云质灰岩1.5m；强风化与中风化白云质灰岩厚度大于3m小于5m时，地下连续墙嵌入微风化白云质灰岩2.5m；强风化与中风化白云质灰岩厚度小于3m时，地下连续墙嵌入微风化白云质灰岩3m。地连墙平均深度约30m，平均入岩深度2.6m。

3.2槽段划分

圆形地连墙轴线直径为66.5m，周长208.92m。地连墙主要采用液压铣槽机进行成槽施工,划分48个槽段,Ⅰ、Ⅱ期槽段各24个，交错布置。Ⅰ期槽段采用三铣成槽，边槽长2.8米，中间槽段长0.805米，槽段共长6.405米；Ⅱ期槽段长2.8米，一铣成槽。成槽施工首先施工Ⅰ期槽段，然后在根据施工进度施工Ⅱ期槽。

槽段连接采用铣接法，即在两个Ⅰ期槽中间进行Ⅱ期槽成槽施工时，铣掉Ⅰ期槽端头的部分混凝土形成锯齿形搭接，Ⅰ、Ⅱ期槽孔在地连墙轴线上的搭接长度为25cm。

3.3成槽设备及工法

3.3.1成槽设备

根据工程特点，结合本工程的施工难度，采用德国宝峨BC-32型液压铣槽机施工。液压铣在覆盖层及软弱破碎基岩中直接铣削成槽，对于较硬的基岩，当液压铣功效在0.5m/h以下或铣齿磨损严重时，采用CZ-6型冲击钻机对基岩进行冲击破碎，在下液压铣进行铣削修孔，达到快速、优质成槽的目的。设备性能特征见表2：

3.3.2成槽工艺

对于覆盖层的粉土、粉质粘土等采用纯铣法进行施工。

在单元槽段施工前，用挖掘机将槽段开挖至导墙顶面以下3.0～3.5m的位置，以保证液压铣的吸渣泵进入工作位置。双轮铣孔口设置有导向架，在双轮铣开孔过程中固定铣头，起到一个导向的作用。施工时液压铣槽机垂直槽段，将液压铣成槽机切割轮对准孔位徐徐入槽切削。液压铣成槽机切割轮的切齿将土体或岩体切割成70～80mm或更小的碎块，并使之与泥浆相混合，然后由液压铣成槽机内的离心泵将碎块和泥浆溶液一同抽出开挖槽。

基岩施工采凿铣法。

进行基岩部分时，当液压铣槽机施工工效低于0.5m/h或铣齿磨损严重时，则采用凿铣法。凿铣法即采用CZ-6型冲击钻机配合液压铣槽机开挖。用冲击钻带4.5t钻头多点冲击破碎基岩，下入液压铣修孔，铣削至难以进尺，再进行冲击破碎，重复上一过程。

冲击钻机辅助法的钻机施工步骤见图3：

图3冲击成孔施工步骤图

Ⅰ期槽采用5冲，冲击顺序：P1→P2→P3→P4→P5。

Ⅱ期槽采用2冲，冲击顺序：S1→S2。

3.3.3应用效果评价

（1）德国宝峨BC-32液压铣槽机具有成槽快速、孔壁规则、造孔精度高、文明施工程度高、操作方便的特点，液压铣槽机配合6台CZ-6冲击钻成槽施工平行作业，成本最低，工期最短。

（2）在基岩钻进过程中，通过不断的方案优化，由最开始的每个槽段冲击5个孔位，优化到每个槽段冲击3个孔位，有效的提高了基岩钻进效率，并减少了冲击钻机的投入量，节省了工期20天。

（3）铣槽机在覆盖层中钻进效率十分高，但在基岩中冲击钻进功效很低，其中覆盖层Ⅰ期槽段平均成槽时间为13.17h，Ⅱ期槽段6.08h，基岩中Ⅰ期槽段平均成槽时间为119.33h，Ⅱ期槽段64.45h。为保证总体成槽效率，可以适当增加冲击钻机数量，本工程高峰期投入12台CZ-6型钻机，基本保证6个槽段同时开展基岩冲击施工，也保证了每天完成一个槽段的成槽。

结束语：

不同地质地层中地连墙成槽施工设备的选择，成槽的功效均不一致，而针对强度较高的基岩地层，冲击成槽及结合铣槽机成槽在施工功效、成本、质量控制方面均有明显优势。该工法最近几年在大跨度悬索桥锚碇基础中得到广泛应用，润扬长江大桥、阳逻长江大桥、南京长江四桥、鹦鹉洲长江大桥、庙嘴长江大桥等工程均采用了以地连墙为基础的锚碇结构，但由于各工程地质情况的不同，选用的成槽工法也不尽相同，但总体工法原理与文章所述均一致。

参考文献：

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