(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:
[1]李耀良,袁芬.大深度大厚度地下连续墙的应用与施工工艺.地下空间与工程学报,2005,1(4):615~618;
[2]周建刚.地下连续墙施工技术及质量控制.山西建筑,2000,(4):51~52;
[3]段朝静,徐伟,何超然.南京长江四桥超深地下连续墙施工技术.施工技术,2010,39(2):39~42;
[4]刘鸿.大型地连墙成槽设备的配置及工效分析.公路,2005,(4):77~79