上海隧道工程有限公司
摘要：在城市地下工程施工中，地下连续墙做为一种同时具备安全性、高效性的可靠围护结构，其应用非常广泛，尤其在深基坑工程中具有不可替代的优势。而在不均匀风化岩层中的地连墙施工中，成槽受到不均匀风化岩层的干扰，成槽工艺的选择直接影响围护结构的质量和工效，本文结合福建某地铁工程中遇到的软硬交互复杂地质地连墙成槽施工，对采用的几种成槽工艺进行探究、对比并总结成槽工效与施工质量。
关键词：淤泥覆盖 不均匀风化岩层 孤石 地下连续墙 成槽
1 引言
截至2020年底，中国内地累计有40个城市开通城轨交通运营，运营线路达到7978.19公里。随着城市化进程的进一步加速，城市轨道交通建设有望迎来黄金发展期1，同时也对城市地下工程施工提出了更高的工艺要求。与此同时，我国东南沿海地区在地铁等地下工程建设中遇到地质条件极其复杂的工况：在淤泥等软弱地层覆盖下有很多风化程度较弱的花岗岩和孤石，形成软硬交互的不均匀风化地质。这对地下工程施工尤其是地下连续墙成槽施工造成较大影响，因而探究在不均匀风化岩层中地连墙成槽工艺的选择及其施工效果受到地下工程建筑人员的重视，本文将结合实际工程对此展开详细的探究与总结。
2 工程概述
在建工程某车站位于福州东西交通主干道东街下方，为地下两层岛式车站。车站采用地下连续墙做为围护结构，主体结构采用盖挖逆作法施工。
2.1地质条件
据地质勘察报告省立医院站场地上部主要地层有全新统第四系（Q）地层长乐组、上更新统东山组、龙海组的淤泥、淤泥质土、粘性土、粗中砂及碎卵石等，下伏基岩为燕山晚期花岗岩（γ53），局部为燕山期侵入岩岩脉（ε）地层。具体地质分层如下：
第一层：杂填土、填块石；第二层：淤泥、淤泥质土；第三层：粗中砂、（含泥）卵石、粉质粘土、全风化花岗岩；第四层：强风化花岗岩（碎块状）、强风化正长斑岩（砂土状）、第五层：中风化花岗岩、中风化正长斑岩。车站西段约三分之一的结构位于7-1强风化花岗岩及8-1中风化花岗岩范围内，但车站剩余范围的结构及底板又处于3-4-2淤泥质土层中。
.png)
图2-1地质分层图
2.2水文条件
地下水按赋存方式分为上层滞水、松散岩类孔隙水（承压水）、残积土及风化岩层中的孔隙－裂隙水（承压水）和基岩裂隙水（承压水）四种类型。地下水位线在地面下1.5m上下浮动，一般年变化幅度1.50～4.00m。
2.3围护结构概况
省立医院站采用地下连续墙做为围护结构，共计76幅。由于车站东西地下土质软硬差异，地墙设计深度由西侧平均25m深度向东逐步加深至45m。在围护结构施工过程中，将地下连续墙分南北两期施工，且东西端头左右线洞门幅之间的地连墙也分为两次施工，由此形成南北侧各39幅地连墙的两次基本均等工作量的地连墙施工，进行不同工法处理不均匀风化岩层地连墙成槽工效的对比。
2.4围护结构施工技术难点
按照地勘报告，地下连续墙在8轴（DXQ12）以西进入中风化花岗岩、中风化正长斑岩与碎块状强风化岩层地墙，以东墙底主要在强风化与全风化岩层中，并夹杂有中风化孤石，如下图 2-2 地墙入岩分布图所示。
.png)
图 2-2 地墙入岩分布图
在实际施工过程中，西侧从DXQ14幅以西均进入中风化岩层，最高强度接近90Mpa，岩体较完整，属于坚硬岩。东侧地墙底部均进入砂土状强风化或全风化岩层，岩层自身风化较严重，遇水崩解，但砂土强风化岩层质地密实，成槽机不易抓取，对施工仍造成较大困难。且东侧地墙施工过程中，在地面下32米~42米深度存在一条厚度0.5m到1.5m不等且高低起伏不定的碎石风化岩层（下图2-3所示），其中夹杂大小差异明显的孤石或碎石，这部分岩层对成槽造成主要影响，仅依靠成槽机无法完成成槽施工。
.png)
图2-3 碎块、孤石及风化岩分布带
2.5施工技术措施
在不均匀风化岩层的地下连续墙施工过程中，成槽施工最大难题就在于处理孤石及中风化岩层。针对东侧基本每幅都遇到的孤石、碎石带，为探明地下妨碍成槽施工的地层地质、厚度等情况，首先对地下连续墙进行钻孔补勘，根据补勘取芯样本显示，地下成槽施工的障碍为一条厚度在0.5m~1.5m的孤石、碎石带，成槽机在成槽至孤石带时硬岩造成抓斗牙齿崩坏。
对于孤石带和中风化硬岩的处理，目前通常处理方法为旋挖钻机或铣槽机。本工程既采用方锤配合旋挖钻机进行处理，又根据处理效果改变工法，采用了铣槽机进行硬岩处理，对两种工法进行了技术探究。
3 不均匀岩层初步施工探索——“四步循环法”
3.1 “四步循环”工艺处理流程
首先由成槽机抓取上部软弱土层，然后旋挖钻机进行间隔旋挖引孔打穿孤石带，再由方锤进行旋挖引孔后的槽段修边，穿过孤石后再由成槽机进行成槽施工。形成“成槽机+旋挖+方锤+成槽机”的四步循环处理模式，如下图3-1 四步循环施工法所示。当地下孤石带不止一层时需将上述施工方法进行多次循环，分层处理。
.png)
图3-1 四步循环施工法
通过此模式有效处理了东侧地墙槽段孤石。东侧地连墙在旋挖钻机与方锤协助成槽施工的条件下平均每幅遇孤石地墙工效为3d/幅。
针对西侧入岩地墙，平均每幅地连墙墙身进入碎块状强风化岩深度约6m以上，下部墙趾进入中风化岩层深度约2m。整体成槽工艺仍采用“四步循环法”，但考虑到岩层加厚，增加一台旋挖钻机以提高岩石处理效率。同时为保证成槽垂直度和岩层中设备运转顺畅，在硬岩中旋挖钻机与方锤以每0.5m深度为循环进尺深度，并且每2米进行一次成槽机捞底，避免槽段泥浆过厚造成方锤修边阻尼过大从而影响修边效率。
.png)
图3-2成槽机夹带出的孤石 图3-3旋挖钻机处理的岩样 图3-4旋挖钻机处理后岩样
3.2 “四步循环”施工技术要点
3.2.1引孔搭接长度确定方式
为满足成槽效果，旋挖钻机配套钻筒必须选用牙轮钻筒，钻筒直径选用略小于槽段宽度的型号，且旋挖引孔位置须间隔跳打并相互搭接，如下图所示。
.png)
图3-5 旋挖钻机引孔搭接长度
在相同地质条件下，搭接长度是旋挖引孔效率和方锤修边效率的关键影响因素，在施工中当搭接长度较小时旋挖钻机引孔减少，引孔效率增高，但方锤修边面积增大导致修边效率低；而当搭接长度较大时引孔数量增多导致旋挖钻机效率降低，两种情况均影响施工进度并造成经济浪费。经现场实践确定：当引孔搭接长度为孔径的1/3时，旋挖引孔与方锤修边效率达到均衡，获得最佳工效。
3.2.2方锤修边技术要点
方锤修边原理是由液压系统将锤头提升一定高度后自由落体，通过自身重量对槽段下岩层进行破碎修边，因此锤头提升高度是影响修边工效的主要因素。在现场施工中，采用方锤锤头重量为6t，分别提升0.3m、0.5m、0.7m和1m进行修边工效的记录，通过记录结果决定锤头提升高度。根据现场实践，在中风化岩层中，选择6t锤头的方锤在提升高度小于50cm时修边工效随锤头提升高度增加而逐步增加，在50cm到70cm之间修边工效随提升高度增量减缓，提升高度在70cm以上修边工效随提升高度无明显增长。因此本工程中选择锤头提升高度为75cm，低锤高频修边。
西侧入岩地连墙在两台旋挖钻机同时施工的条件下平均每幅入岩地墙工效为6d/幅，施工工效并不理想，为达到工期节点要求，因此在二期对岩层处理的工艺进行了进一步的探索。
4 深度施工探索——铣锤结合
在完成一期地墙施工后，对施工过程中积累的经验教训进行分析，对施工进度及质量控制的相关资料以及岩层分布的真实情况进行了总结。考虑到一期阶段地下连续墙施工进度较慢，为满足工期要求需要寻求更高效处理硬岩的技术和工法。在一期地墙施工后，对车站地质情况、孤石分布、孤石岩样及中风化岩层强度及发育程度有了更加深入的了解。通过多种渠道进行探索，并借鉴公司在建温州项目的相关经验，综合以上的各项因素，决定引进铣槽机工法进行二期地连墙孤石及中风化硬岩的处理。
.png)
图4-1铣槽机处理孤石及硬岩
.png)
图4-2铣槽机夹出孤石岩样 图4-3孤石经铣槽机处理后的岩样
二期地墙成槽施工过程中首先对东侧存在孤石范围的槽段进行铣槽，铣槽机通过分离系统可将孤石铣出的碎块与泥浆分离，由此可根据铣槽机进尺速率、压力及后台振动筛分离碎石量来粗略判断孤石的位置、尺寸。双轮铣在特殊情况下可将铣磨至较小尺寸的孤石夹出，可直观得到孤石形态、风化强度等信息。
在铣槽机处理东侧遇孤石地墙过程中极大的发挥出专业处理硬岩设备的优势，处理孤石的同时可以对成槽机成槽垂直度做二次纠偏，并且铣槽机本身具备的扫底、清孔换浆功能不但效率更高也可减少不同工序交叉的必须耗费时间。铣槽机处理孤石将东侧地墙施工工效提高到1~1.5d/幅。
对于西侧入岩较深地墙由于中风化硬岩岩体完整，根据施工前的钻孔取芯发现岩层强度完整度极高，因而采用了冲击重锤配合铣槽机施工，将岩体砸出裂纹后再进行铣槽，铣槽机效率优势得到保证。西侧入岩地墙施工工效约2.5d/幅。
.png)
图4-4 重锤配合铣槽机处理槽段硬岩
5工程案例技术应用分析
在不均匀风化地质中的地下连续墙成槽施工过程中，采用的成槽设备需根据软硬地质分散程度、岩层厚度、强度及完整性等条件来选择，合适的成槽设备既能有效提高地下连续墙的施工质量，又可以及时高效的完成施工任务，降低因地质原因造成的工期延误风险。根据本车站两期地下连续墙施工中对于不均匀风化岩层的处理工艺探索进行技术应用分析，并希望对后续相关地层地下连续墙施工提供参考意义。
5.1铣槽机垂直度保证技术要点
（1）槽段偏差预防技术措施
铣槽机铣槽前需对槽段进行精确定位，必须使用导向架。双轮铣切削速度不得太快，一般控制在4~6厘米/分钟。铣槽深度超过8.0~9.0米之后可以适当提高切削的速度至10~11厘米/分钟。铣槽过程中一定要确保所有的铣齿状况良好，时刻注意X向、Y向的垂直度。
泥浆质量必须控制恰当，过稠的泥浆会使铣轮的浮力增加，X向、Y向纠偏会比较困难。
（2） 随挖随纠
铣槽机有纠偏装置，可随挖随纠偏，确保成槽垂直度要求。根据安装在铣槽机上的探头，随时将偏斜的情况反映到通过探头连线在驾驶室里的电脑上，驾驶员可根据电脑上各方向动态偏斜情况启动液压推板进行动态的纠偏，这样通过成槽中不断进行准确的动态纠偏，确保地连墙的垂直精度要求。
.png)
图5-1：铣槽机纠偏控制电脑
5.2各工法工效分析
一期地连墙采用旋挖钻机处理孤石与硬岩共计施工158天，平均施工工效4.05d/幅，二期地连墙采用铣槽机处理孤石与硬岩共计施工80天，平均工效2.05d/幅。
表5-1 地连墙施工效率对比表
.png)
在采用铣槽机、重锤等设备进行二期地墙成槽施工后，在大致相同的工作量情况下工期缩短一半。显著提升的工效大幅降低了人力和机械台班成本，也保证了工程总体工期。
5.3不均匀风化地层成槽施工工法选择技术分析
在本工程地连墙施工过程中，对处理不均匀风化地质的工法选择进行分析后得到以下工法适用性，对指导类似地质条件下的地连墙成槽工艺与设备选择等决策具有借鉴意义。
旋挖钻机适用于孤石、单层碎石带、强风化岩层或厚度较小的中风化岩层，可以体现其经济效益；避免处理大量的多层孤石和较深的中风化岩层，这要求旋挖钻机、方锤和成槽机多次交替施工，尤其是在处理中风化硬岩时为达到理想效果要求每次循环进尺缩短，造成工序交替繁杂，工效降低。
铣槽机适用于多层孤石、碎石带和各种风化岩层，尤其是强度较高的风化岩，可发挥其处理硬岩的独特优势，当岩层完整性较好时可采用重锤破坏岩体完整性再配合铣槽机完成硬岩处理。
6 总结
在风化岩层强度较低、完整性较差以及孤石分布较少的地质条件下采用方锤配合旋挖钻机的“四步循环法”处理槽段是一种相对经济有效的工艺方法。而在面对地下中风化硬岩和多层分布的孤石时，旋挖钻机与方锤配合处理孤石及硬岩的施工工艺并不理想，工序交替繁杂且难以满足预期工效，相比之下铣槽机可一步到位处理多层孤石，避免多次工序交替，而对于强度和完整性较高的硬岩在重锤的配合下可达到理想的成槽效果，因此对于地质条件复杂且工期要求紧张的工程适当加大投入，采用重锤配合铣槽机的工法是更加高效且可靠的选择。
参考文献：
[1]李颖.城市中心区域地下障碍物清除工艺研究[J].建筑施工，2018，40（12）：2024-2025+2034.
[2]冯一根，裘泳，姚仁堂.干法旋挖灌注桩在风化岩层施工中的应用[A].浙江省土木建筑学会.第26届华东六省一市土木建筑工程建造技术交流会论文集（上册）[C].浙江省土木建筑学会：施工技术编辑部，2020：5.
[3]孙波.双轮铣槽机在高强度复合地层连续墙施工中的应用[J].智能城市，2021，7（04）：140-141.
[4]潘前.双轮铣槽机在地下连续墙的应用及其市场前景分析[J].广东建材，2020，36（07）：74-75+4.
注释：
1.e车网轨道交通资讯<2021年中国城市轨道交通行业市场现状及发展前景分析>