复杂地层地下连续墙冲击钻全冲成槽工法.docx
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复杂地层地下连续墙冲击钻全冲成槽工法
连续墙冲击钻全冲成槽工法
1.前言
在深基坑工程中，地下连续墙是利用各种成槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇筑抗渗混凝土而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。
地下连续墙的支护、挡土、承重、防渗、防冲效果良好，在国内外建筑施工中得到了广泛的应用。
冲击钻机是连续墙工程中常用的施工机械，采用钢丝绳悬吊冲击钻头（又称冲锤）上下往复冲击旋转，将土层或岩层破碎成孔，部分碎渣挤入孔壁中，大部分成为泥渣经由泥浆循环排出孔外，其所成孔孔壁较坚实、稳定、塌孔少，因此在灌注桩和地下连续墙施工中被广泛应用。
在地下连续墙施工中，采用冲击钻全冲成槽，施工工序简易，造价低，成槽后连续墙防水效果理想。
在由中铁*局集团有限公司施工的**地铁一期工程**标项目中，经过对地质水文条件的勘察、反复论证，确定该工程地质条件不适合液压抓斗机作业，最终确定了**站1号明挖厅连续墙采用了该施工工艺，验证了该工法在富水卵石层地质条件下的适用性，工程综合成本造价低，达到了预期的防水效果，并且连续墙整体稳定性能好，使后期基坑开挖施工中降低了安全风险系数，通过总结施工经验，通过反复论证和研究，总结出了针对富水卵石层地质条件下地下连续墙冲击钻全冲成槽工法。
2.工法特点
2.1设备构造简单，操作方便安全，综合造价低。
2.2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，是一般岩土工程机械所不能比拟的。
2.3冲击钻机所成孔孔壁较坚实、稳定、塌孔少。
2.4冲击钻机既可单独进行地下连续墙成槽施工，又能与其他成槽机械配合使用,可根据实际地质条件选择。
3.适用范围
该工法广泛适用处于黄土、粘性土或粉质粘土、人工杂填土等土层以及砂砾石层、漂石层、坚硬土层、岩层尤其是较复杂地层地质条件中的深基坑地下连续墙工程。
4.工艺原理
冲击钻机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，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、扫孔切除残留的边角岩体（锤蜡），将这些圆孔修成条形的地下连续墙槽段；然后在槽段下放制作成型的钢筋笼，最后在槽段内浇注符合设计要求的混凝土而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
图5.1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1导墙施工
1、导墙测量放样及形式的确定。
利用全站仪进行测量放样，对控制点做好护桩，测量精度满足设计要求。
标准导墙形式采用“┒┎”型，导墙翼面宽度不小于1.5m，厚度不应小于200mm，保证导墙在地下连续墙施工中不产生内挤，施工时把导墙钢筋与重车道钢筋连为一体。
导墙顶面高出地面0.2m，以防止周围的散水流入槽段内。
导墙的净距大于地下连续墙的设计宽度60mm。
图5.2.1-1导墙样式参考图
2、导墙沟槽开挖
1）导墙分段施工，一般控制在30～50m；沟槽开挖采用反铲挖掘机，人工修边；在平面上导墙施工接头与地下连续墙接头错开。
2）根据地下连续墙的厚度及外放尺寸，实地放样出导墙的开挖宽度。
3）为及时排除坑底积水，在坑底中央设置一排水沟，在一定距离设置集水坑，用抽水泵外排。
3、导墙的钢筋、模板及砼施工。
导墙应采用现浇混凝土结构，混凝土强度等级不应低于C20。
导墙应采用双向配筋，钢筋不应小于Φ12（HRB335），间距不应大于200mm。
模板拆除后立即架设木支撑，支撑上下各一道，水平间距不小于1.5m。
模板拆除后经检查验收后立即回填，防止导墙内挤。
4、导墙转角、斜角处理。
在导墙转角处由于分幅槽宽及方便铣槽机施工等原因，为保证地下连续墙成槽时能顺利进行以及转角断面完整，转角处导墙需沿轴线外放，具体见下图。
图5.2.1-2导墙转角形式图
5.2.2泥浆系统施工工艺
1、泥浆池布置。
泥浆池的位置及大小根据施工现场实际情况定，结合四周施工便道和钢筋堆放及钢筋加工场地合理布置。
泥浆池详细布置如下图所示。
图5.2.2-1泥浆池布置图
2、泥浆制备循环。
泥浆的制备存储量按施工进度安排和标准槽段的设计用量确定最小值，泥浆必须经过制浆池、沉淀池及储存池三级处理，泥浆制作场地以方便施工为原则，泥浆用离心泵生产，靠重力沉降循环再生。
其循环工序流程如下图所示：
图5.2.2-2泥浆制备工艺流程图
3、泥浆性能指标。
根据工程的地质情况，采用粘土、膨润土和自来水为原材料搅拌而成。
护壁泥浆在使用前，应进行室内性能试验，施工过程中根据监控数据及时调整泥浆指标。
如果不能满足槽壁土体稳定，须对泥浆指标进行调整。
成槽及清槽后泥浆指标：
比重小于1.15，粘度不大于28S，含砂率＜5%，胶体率＞98%。
4、泥浆试验。
新制备的泥浆、回收重复利用的泥浆、浇筑混凝土之前槽内的泥浆，在成槽时、清孔后均需要进行物理性能指标测定，主要测定泥浆粘度、比重和含砂率。
泥浆性能指标要有专门技术人员用泥浆测量仪测量，专人管理。
每挖槽进尺3-5m或1小时、清槽前后及浇砼前，检验泥浆比重；每挖槽进尺3-5m或1小时、清槽前后，检验泥浆粘度；挖槽到中部及底部，检验泥浆PH值。
5、泥浆的使用
1）泥浆性能指标要有专门技术人员用泥浆测量仪测量，专人管理。
2）成槽过程中随着挖槽不断加深要不断补充泥浆，保证泥浆液面始终高于地下水位至少0.5m，亦不宜低于导墙面0.5m。
3）经过分离处理再生利用的泥浆，在储备池内和新鲜泥浆混合加外加剂调配合适后，方可送入槽内使用。
5.2.3冲击钻成槽
1、冲击钻机安装就位。
将钻机顺导墙方向就位前，先在导墙上横放四根枕木，枕木要足够长，每侧搭在导墙上的长度不小于1m，然后钻机就位使钻头中心对准导墙中心。
2、布孔。
每个槽段安排两台钻机同时作业，并分主副孔施工。
在导墙上标注出主孔与副孔的位置,主孔中心距在1.0～1.2m之间，根据每个槽段的长度具体布置。
副孔中心位于两个主孔中心连线的中点,如下图所示，实线为主孔，虚线为副孔。
图5.2.3-1冲击钻机布孔及钻孔顺序图
3、钻孔。
主副孔施工采用2ZK-8简易钢丝绳冲击钻,在槽内泥浆正循环冲击钻进。
冲击钻下放到岩层后，先采用小冲程冲击，使初成孔坚实、竖直、圆顺，能起导向作用。
钻进深度超过钻头全高加冲程后，方可进行正常的冲击。
在冲孔过程中,注意孔壁的垂直度,尤其是接头箱位置。
在主孔施工时,先检测其垂直度,超标时先用简易钢丝绳冲击钻修整后,再用冲击钻施工。
在简易冲击钻施工中,注意冲程的控制（冲程控制在1.5～2.0m）,避免放绳过多和打空锤,以减少对槽壁的扰动。
4、方锤扫孔。
在主、副孔施工结束后,用简易钢丝绳冲击钻配备特制的方锤,从主、副孔连线的中点下钻,切除残留的边角岩体（锤蜡），修整槽壁,最终联孔成槽。
方锤由六瓣冲击锤改制而成,在其底部四周加焊4cm厚40cm高的钢板和冲击刃,作成梯形体（以防止卡锤）。
图5.2.3-2钻孔成槽顺序示意图
5、清槽
1）在成槽过程中，为把沉积在槽底的沉碴清除，需对槽底进行清槽，以提高地下连续墙的承载力和抗渗能力，提高成墙质量。
沉渣过多时，会使钢筋笼插不到设计位置，降低地下连续墙的承载力，增大墙体的沉降。
2）按要求检查成槽情况，槽壁垂直度不能超过0.5%。
对于Ⅱ期槽段用洗刷锤清刷Ⅰ期槽段接头，直至不带泥屑为止。
3）清槽使用空气升液法反循环排碴，即利用压缩空气在洗孔端的气室处形成一个负压，将沉碴吸入井管内，从管口喷出。
清孔管的管底离槽底控制在10—20cm，并更换位置（间隔1m-1.5m）。
在清槽过程中，不断向槽内泵送优质泥浆，以保持液面高度，防止塌孔。
4）清槽工作直至达标为止。
即槽底清理和置换泥浆结束1小时后，槽底沉碴厚度不大于100mm、泥浆比重小于1.15，含砂率小于5%、粘度不大于28S要求。
5.2.4钢筋笼制作和吊放
1、钢筋笼加工平台。
根据成槽设备的数量及施工现场的实际情况，搭设的钢筋笼制作平台尺寸应满足作业要求。
根据设计的钢筋间距，插筋、预埋件及钢筋连接器的设计位置画出控制标记，以保证钢筋笼和预埋件的布设精度。
钢筋笼平台定位用经纬仪控制，标高用水准仪校正。
2、钢筋笼制作。
较小型钢筋笼采用整幅成型整体起吊，大型钢筋笼应采用整幅制作分节吊装，这样制作可很好的保证钢筋笼的整体平整度和纵向钢筋的搭接，又不影响起吊。
钢筋笼采用整体制作，在通长的钢筋笼底模上整幅加工成型。
1）钢筋笼制作全部采用电焊焊接，不得用镀锌铁丝绑扎。
2）按翻样图构造混凝土导管插入通道，通道内净尺寸至少大于导管外径10厘米，导管导向钢筋必须焊接牢固，导向钢筋搭接处应平滑过渡，防止产生搭接台阶卡住导管。
3）为了防止钢筋笼在吊装过程中产生不可复原的变形，各类钢筋笼均设置纵向抗弯桁架，异型和转角形钢筋笼还需增设定位斜拉杆等。
4）为了保证钢筋笼吊装安全，吊点位置的确定与吊环、吊具的安全性应经过设计与验算，钢筋笼上竖向钢筋如作为吊装过程中最终吊环的搭焊钢筋时，必须同相交的水平钢筋自上至下的每个交点都焊接牢固。
5）按设计要求焊装预留插筋（或接驳器）、预埋铁件、注浆管、监测管，并保证插筋、预埋件的定位精度符合规定要求。
3、钢筋笼吊放。
吊点的确定根据钢筋笼重心的计算结果，结合钢筋笼的形状合理确定吊点，确保钢筋笼平稳起吊。
起吊钢筋笼时，先用主吊和副吊双机抬吊，将钢筋笼水平抬起，然后升主吊、放副吊，将钢筋笼凌空吊直。
吊运钢筋笼必须单独使用主吊，必须使钢筋笼呈垂直悬吊状态。
吊运钢筋笼入槽后，用搁置扁担夹住吊筋，搁置在导墙顶面上，使吊环压在搁置扁担上。
校核钢筋笼入槽定位的平面位置与标高偏差，并通过调整使钢筋笼吊装位置和标高满足设计要求。
钢筋笼安放就位后及时灌注混凝土。
5.2.5接头回填砂袋
型钢接头和钢筋笼焊接成整体；钢筋笼和型钢接头整体吊装并安放就位；型钢的中心应与设计中心线相吻合，以利于相邻钢筋笼的对接；型钢背后回填砂袋并使之密实，防止混凝土绕流，避免影响后续开挖施工。
5.2.6灌注混凝土
钢筋笼吊放就位后应及时灌注混凝土，间隔不宜超过4h。
所浇筑的混凝土级配除了满足结构强度要求外，还要满足水下砼的施工要求，具有良好的和易性和流动性，控制好混凝土的坍落度。
混凝土灌注采用导管法施工，导管选用D=250mm的圆形螺旋快速接头类型。
用混凝土浇筑架将导管吊入槽段规定位置，导管顶部安装方形漏斗。
在同一槽段内同时使用两根导管灌注时，其间距不应大于3m，导管距槽段接头不宜大于1.5m，混凝土面应均匀上升，各导管处的混凝土表面的高差不宜大于0.5m，混凝土须在终凝前灌注完毕。
浇筑水下混凝土应符合下列规定：
混凝土初灌后，混凝土中导管埋深应大于500mm；混凝土浇筑应均匀连续，间隔时间不宜超过30min；槽内混凝土面上升速度不宜小于3m/h，同时不宜大于5m/h；导管混凝土埋入混凝土深度应为2m～4m，相邻两导管间混凝土高差应小于0.5m。
5.3劳动力组织
表5.3劳动力组织表
序号
工种
所需人数
备注
1
作业队长
2
双班
2
技术员
2
双班
3
冲击钻机司机
16
双班
4
混凝土工
6
单班
5
泥浆制备工
4
两班
6
电焊工
6
单班
7
杂工
1
单班
8
吊车司机
2
单班
9
渣车司机
4
单班
合计
43
6.材料与设备
表6-1主要材料表
序号
材料名称
规格及要求
用途
1
钢筋
HRB335、HPB235
钢筋笼
2
型钢
Q235B
接头箱制作
3
焊条
E43
钢筋笼制作
4
膨润土
新型复合钠基
泥浆制备
5
粘土
/
泥浆制备
6
泥浆掺合物
CMC火碱
泥浆制备
7
商品混凝土
C20、C30P8
浇筑导墙、地下连续墙
8
氧炔焰
40L/15Mpa
切割钢材
表6-2主要机具设备表
序号
设备名称
数量
备注
1
冲击钻机
8台
2ZK-8
2
泥浆泵
20台
3PN
3
泥浆制备循环系统
1套
/
3
履带吊
2台
120T；75T
4
小型挖掘机
1台
Vio-55
6
电焊机
6台
BX1-500
7
对焊机
1台
UN-200
8
钢筋切断机
1台
GQ50
9
钢筋弯曲机
1台
GW50
10
小型自卸车
4辆
废渣外运
11
泥浆罐车
1辆
废弃泥浆外运
12
砼浇筑导管及提升架
2套
浇筑混凝土
13
泥浆检测仪器
1套
检测泥浆各项指标
14
修方锤
2个
修整槽孔
15
空压机
3台
6m3/清槽
6
旋流除渣器
1台
600型/清槽
7.质量控制
7.1质量控制标准
1、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）。
2、《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）。
3、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）。
4、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）。
5、《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）。
6、《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-2003）。
7.2分项工程质量控制
分项工程质量控制标准如下表：
表7.2-1泥浆配制管理性能指标表
泥浆性能
新制备的泥浆
循环泥浆
废弃泥浆
检验
方法
粘性土
砂性土
粘性土
砂性土
粘性土
砂性土
比重（kg/m3）
1.04～1.05
1.06～1.08
＜1.10
＜1.15
＞1.25
＞1.35
比重计
粘度（s）
20～24
25～30
＜25
＜35
＞50
＞60
漏斗计
含砂率（%）
＜3
＜4
＜4
＜7
＞8
＞11
洗砂瓶
PH值
8～9
8～9
＞8
＞8
＞14
＞14
试纸
表7.2-2地下连续墙质量检验标准
序号
项目
允许偏差（mm）
检验频率
检查方法
范围
点数
1
导墙尺寸
宽度
W+40
每个槽段
5
用钢尺量
墙面平整度
＜5
用2m卡尺、塞尺量
导墙平面位置
±10
用钢尺量
2
沉渣厚度
≤100
重锤测或沉积物测定仪测
3
槽段
槽段长度（轴线方向）
±50
重锤测
槽段厚度
±10
槽段倾斜度
≤1／150
深度
+100
4
混凝土坍落度
180～200
坍落度测定器
5
钢筋笼尺寸
长度
±50
每片钢筋网
上中下各1点
用钢尺量
宽度
±20
厚度
0，-10
主筋间距
±10
4
用钢尺量，任取一断面，连续量取间距，取平均值作为一点
分布筋间距
±20
预埋件中心位置
±10
每件
1
用钢尺量
6
地下连续墙表面平整度
＜100
每段墙体
5
7
墙体的预埋件位置
水平向
≤10
每件
1
用钢尺量
垂直向
≤20
水准仪测量
8.安全措施
8.1现场气温低于5℃及雨天或可能结露时，应停止施工或采取措施。
8.2在施工现场，应做好防火、安全用电等安全措施；消防器材必须配备齐全。
8.3施工人员按比例配备足够的专职安全员，管理人员一律佩证上岗，安全员佩证为红色，以示醒目。
8.4所有机械操作、指挥人员均需受过专业培训并持证上岗，无证人员不得进行机械操作。
8.5对所有机械进行定期大检查并进行保养，司机每天进行班前检查，确保机械不带故障操作。
8.6作业时，机械停放稳固，臂杆幅度显示器灵敏可靠。
8.7在钢筋笼吊装安放及其它工程机械作业时，必须有专职安全员监督巡视，严禁在吊车等机械的作业范围内有人员走动和其它安全隐患出现。
8.8焊工作业必需做好防护措施，戴好焊接护目镜和面罩，穿戴防护工作服、防护手套、绝缘鞋。
9.环保措施
9.1工程施工过程中严格遵守国家和地方政府制定的有关环境保护的法律、法规和规章制度。
9.2施工场地围挡高度符合要求，做到美观大方，有效隔离施工区。
9.3现场施工面保持无积存垃圾、无积聚废水、无散落材料、无废弃物品。
9.4废弃泥浆及渣土按市政部门要求弃放，运送过程严禁污染路面。
9.5避免用于机械的废弃机油污染地面及水源，按环保要求处理。
9.6泥浆用泥浆泵输送，泵送期间必须密切注意管路的情况，一旦发现爆管，马上停泵接管，以防泥浆污染现场。
10.效益分析
10.1冲击钻机操作简单，作业工人易于掌握，且其所成孔孔壁较坚实、稳定、塌孔少，极大的节省了商品混凝土的消耗量，从而降低了成本。
10.2适应地质条件广泛，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，是一般岩土工程机械所不能比拟的。
10.3该工法技术成熟，安全可靠，工期稳定；施工机械造价低廉，工程综合成本低。
10.4该工法对富水卵石层及钙质板岩成槽效果良好。
10.5该工法所施工的连续墙面平整度高，不但防水效果良好，并且提高了基坑边墙土体的整体性和稳定性，降低了后期土方开挖及主体结构施工的安全风险压力和成本。
11．应用实例
11.1工程概况
**站车站外挂设备管理用房东厅，即1号外挂设备厅共四层，尺寸为52.4m*19.7m，设备用房区结构采用三～四层双跨钢筋混凝土矩形框架结构；采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙+内支撑形式。
地下连续墙厚800mm，明挖厅1地下连续墙分为两段，深基坑部分地下连续墙深度为33.29m，其余部分地下连墙深度为22.78m。
11.2实例分析
11.1工程概况
**站位于**大学站门前，黄河路路面下，基本呈东西向设置，车站全长174.3m。
本站为明暗挖结合立体交叉外挂分离岛式地铁车站，主体轨行区为暗挖单层分离岛式型式，明挖两个外挂设备管理用房区，1号明挖厅为外挂设备用房东厅。
外挂设备管理用房东厅（即1号明挖厅）共四层，尺寸为52.4m*19.7m。
设备用房区结构采用三～四层双跨钢筋混凝土矩形框架结构，采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙+内支撑形式。
地下连续墙厚800mm，明挖厅1地下连续墙分为两段，深基坑部分地下连续墙深度为33.29m，其余部分地下连墙深度为22.78m。
共划分槽段26幅，其中深槽段6幅宽度均为6m，浅槽段宽度6m槽段14幅，宽度5m槽段2幅，拐角槽段4幅宽度为2.2m+3.05m。
图11连续墙槽段划分平面图
11.2效果分析
由于**站位于**河冲积河道，地质条件复杂，属于富水卵石层及中风化钙质板岩地质，地下水极其丰富，降水难度大。
地铁指挥部、设计院、勘查院及我方施工单位多次现场查勘、研究，考虑到该工程地质条件，液压抓斗成槽机施工难度大，最终决定在1号明挖厅率先采用地下连续墙冲击钻全冲成槽工法施工，成为大连地铁首个地下连续墙工程。
该工程与2010年10月开工，2011年4月底竣工，总工期历时5个月，顺利达到了地铁指挥部和集团公司的质量、安全、工期、造价等各项指标要求。
经过基坑开挖对暴露出的地下连续墙的观测调查，墙体防水效果良好，墙面垂直度符合设计要求（如图11），达到了地铁指挥部和集团公司的质量、安全、工期、造价等各项指标要求。
经过基坑开挖对暴露出的地下连续墙的观测调查，墙体防水效果良好，墙面垂直度符合设计要求。
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