地下连续墙成槽施工工法及设备适用性分析

'《工程力学》增刊2003年。冷子毛。(、7个地下连续墙成槽施工工法及设备适用性分析张瑞云，孟丽军，孙铁城(石家庄铁道学院士木分院，河北石家庄.050043)摘共:地下连续粗成相施工中成相是其关键工序，本文分析了成糟施工中几种工法的特点、适用条件及施工注意事项，进一步探讨了施工机具选择的方法和原则。美妞词:地下连续绮施工工法施工设备1引言地下连续墙技术是一种基础工程新技术，广泛应用于各类地下结构物，如高层建筑基坑开挖挡土支护、高层建筑地下室外墙主体结构、城市地铁车站、城市地下车库以及港口、桥梁等，既可以作为施工过程中的支护设施，也可以作为结构的基础。地下连续墙施工过程中，关键的技术是:如何在各种复杂的地基中开挖出符合设计要求的槽孔以及如何保证其在开挖和回填过程中的稳定?这涉及到在地下连续墙的施工过程中选择何种施工程序及何种成槽设备的问题，所以有必要对地下连续墙的施工工艺和施工设备进行分析探讨口2地下连续墙的施工工法由于地基的工程地质和水文地质条件、建筑物的功能、施工机械的技术性能的不同，地下连续墙的施工工法和所用机械设备也是各不相同的。到目前为止，地下连续墙的施工工法己有不下几十种。随着对施工效率要求的不断提高，新设备不断出现。新的工法也在不断发展，在具体施工时，要根据具体情况进行选择。2.1冲击钻进工法世界上最早出现的地下连续墙都是用冲击钻进工法建成的，我国也是这样。随着施工技术水平的不断提高，冲击钻进工法不再占主导地位。但是如果它与现代施工技术和设备相结合，冲击钻进工法仍然有不可忽视的优点。(1)ICOS冲击钻进工法ICOS工法首先由意大利ICOS公司发明使用[ti)，这是一种冲击钻进和正循环出渣的工法。中空的钻杆下面连接着一个冲击钻头，其直径从O.5m到1.2-1.5m不等。钻头用于冲击破碎松散的或坚硬的土体或岩石。膨润土泥浆是被泥桨泵加压到7-IOMpa压力后从中空的钻杆和钻头底部进入钻孔内，把钻屑从孔底携带到设在地面上的振动筛和旋流器内进行净化，质盘合格的泥浆则再次用泵压送到钻孔中。与此同时泥浆会在钻孔孔壁上形成泥皮，使孔壁保持稳定而不坍塌，并能防止泥浆向周围透水地基中的大蛋渗漏。在槽孔的划分和机械使用上，ICOS工法有二种做法。第一种是使用导板抓斗和冲击钻配合进行施工。施工时先以一定的间距钻出直径与墙厚相等的导孔，一般用冲击钻钻先行导孔。当导孔钻完之后，再用导板抓斗依次抓取导孔间的土形成沟槽。在挖槽的过程中槽内灌满泥浆来保护壁面，防止坍塌。第二种是当地层非常坚硬，存在大面积漂石和卵石的场所。对于这样的地层，抓斗无能为力，需用冲击钻头来成孔。最初的一个孔是用圆形断面的冲击钻头完成，孔壁的保护与残屑的清除用正循环方式处理。这个孔混凝土浇注完毕后，依次间限冲掘主孔并浇注混凝上。然后冲掘主孔之间的副孔，也就是各主孔之作者硬介:张瑞云，男，1965年出生。硕士，副孩技，主共研究结构工粗及共咄工程 N3-.-432.__一一一一二Ti-yt*t)*TIJ2003鱼一一一间的剩余部分，使用带双反圆弧的凹形断面的冲击钻头来成孔，再浇注混凝土而形成连续墙。这种工法工费高一些，可是由于地质条件等原因用其他办法建造地下墙发生困难时，这种工法就能显示出优越性。(2)我国的冲击钻进工法我国的冲击钻进工法最早采用的是冲击破碎和抽筒掏渣(2]。一般称钻劈法钻孔成槽方法。这是国内水利部门在防渗墙施工中仍在使用的一种方法。用钢丝绳冲击钻成孔。成槽时先钻进主孔，后劈打副孔。一股情况下，每一个槽孔都是先施工主孔，后施工副孔，主副孔相连成为一个槽孔。由于钻头是圆形的，因此在主副孔钻完之后，其间会流下一些残余部分，需要变换钻机和钻头的位置，从上到下把它们劈掉。这种工法施工机械简单，但成槽效率低，成槽质量较差。为改善抽筒掏渣或者正循环抖随效率太低的情况，采用冲击反循环可使这种情况得到有效改善。反循环钻进采用强制排渣，排渣效率大大提高，泥浆中钻渣减少后，钻头冲击破碎的效率也大为提高，从而使整个成槽的效率提高。但在槽孔的划分及钻孔顺序上，本工法与前述的ICOS工法完全相同，不同之处仅在于钻渣的排出方式。(3)用集束潜孔锤冲击开槽随着超高层建筑与深基础的增多，越来越多的地下连续墙要求嵌入岩石一定深度，在岩石中开凿连续墙，这给施工带来了一定困难。在这方面，用集束潜孔锤能解决问题131[11。潜孔锤也是一种冲击设备，它利用气压驱动锤内活塞，高频冲击锤端钻头，在孔底直接钻凿、破碎岩石。冲击排出的废气通过钻头清扫孔底，将岩粉从钻杆与孔壁间排至孔外。目前，代表性的是美国INGERSOIL-LAND公司研制的潜孔锤。集束潜孔锤是用单个潜孔锤组合在一起组成的，由5个组成的叫5轴式，由3个组成的叫3轴式。其优点在于，设备简单变位迅速，钻速明显提高。潜孔锤施工地连墙有单排孔施工(见图la)和多排孔相间施工(见图16).当地连墙宽度要求超过单头潜孔锤外径，可考虑两排或三排桩孔相互连接，如单头潜孔睡外径为508mm，两排约为900mm宽，三排约为1300mm宽。1212312345翻争镶翻爵长二赶YY王于一b)图I2.2抓斗挖摘工法利用抓斗挖槽，按抓斗的机械结构特点分为钢丝绳抓斗、液压导板抓斗、导杆式抓斗和混合式抓斗。它们的共同特点是，抓斗既是挖槽成孔的设备，又是出渣的设备。泥浆在槽孔中是静止的，而不再循环，泥浆的作用只是固壁，而不再用来悬浮钻渣，因此泥浆的用量要少的多。抓斗式挖槽机，是建造地下连续墙的一种先进设备，一般来说具有较高的工作效率。抓斗适用的范围比较广泛，除大块的漂卵石、基岩外，一般的覆盖层均可。使用抓斗成槽，可以单抓成僧，也可以多抓成槽。单抓成槽，即一次抓取一个槽孔。多抓成槽，分主副孔施工，每个槽孔由三抓或多抓形成。主孔的长度等于抓斗的最大开度，副孔的长度小于主孔长度。抓斗还可以和冲击钻配合使用，形成如两钻一抓、三钻两抓或四钻三抓等工法，即使用冲击钻钻凿主孔，抓斗抓取副孔。这种工法充分发挥两种机械的优势，冲击钻可以钻进不同的地层，抓斗效率高，抓斗 ‘工程力学》增刊2003年.崔络.1l8/在副孔施工遇到坚硬地层时随时可换上冲击钻或重凿克服，此法可比用冲击钻成槽提高工效1-3倍，地层适应性也广。不同结构的抓斗，各有其施工特点。钢丝绳抓斗用钢丝绳借助斗体自重的作用打开和关闭斗门，以便挖取土体并将其带出孔外，特别适合于在含有大量漂石和石块的地基中挖槽。有时用液压抓斗不理想的情况，用钢丝绳抓斗反而会取得较好效果。用此抓斗配合重锤和局部爆破，会取得较好效果。液压导板抓斗也是用钢丝绳悬吊在履带起重机或其它机架上的，通过高压胶管把液压从地面液压站传送到几十米深的抓斗斗体，用以完成抓斗的开启和关闭。由于是液压起闭，所以其闭斗力大，挖槽能力强;由于有导板纠偏装置，其成槽质f也较高。如日本真砂公司生产的MHL液压导板抓斗，其最大闭斗力高达1725kN，可在砂卯石地基开挖深达150m和厚度达3.0m的地下连续墙1-9.2.3垂直多头回转钻成祖工法垂直多头回转钻利用多个潜水电机，通过传动装置带动几个钻头旋转，切削土层，用泵吸反循环的方式排渣。图2所示为利根公司的BW型垂直多头钻成槽机，是用起重吊杆或屐带吊机通过钢丝绳悬挂潜水钻机来实现钻掘施工的。多头钻施工时无振动、无噪音，可连续进行挖槽和排渣，施工效率高。它不需要反复提钻，因此施工质量较好，而且开挖深度较大，日本的BW型多头钻已能挖深130米，墙厚达1.5米阎。但这种钻机只能掘削不太坚硬的细颗粒地层，因橡套电缆而使用受到限制。一次下钻挖成的槽段称为掘削段，几个掘削段构成一个单元槽段。单元槽段内掘削段的组合形式根据压缩空气喷嘴地质与现场情况或有关设计方案而不同。潜水电机2.4水平多轴回转钻进工法中心管水平多轴回转钻机，实际上只有两个轴(轮)，所以也称为双轮铣槽机。很据动力来源的不同分为电动和液压两种机型。双轮铣槽机的特点是:对地层适应性强，淤泥、砂、砾边口石、卵石、砂宕、石灰岩均可掘削，配用特制的滚轮铣刀还可钻进抗压强度为200Mpa左右的坚硬岩石。利用电子测斜反循环钻头装置和导向调节系统、可调角度的鼓轮旋铣器来保证挖槽精旋转钻头度，精度可高达1%.-2%.。由于铣槽机的优越性能，它已广泛应用于地下连续墙的施工中。德国布龙巴赫大坝施工中，用液压铣槽机在砂岩中建造了深20m共40000扩的防渗墙。图2日本利用铣槽机完成了大量的超高和超深基础工程，最深己达150m.厚度达2.8-3.2m.试验开挖深度已达170m.用铣槽机施工一般是先铣两个主孔，再铣中间的副孔形成一期槽孔。二期槽孔为一钻成槽。有时一期槽孔也可以一钻成槽。3地下连续墙工法和设备的选择施工地下连续墙的工法和设备有很多种，新的工法和设备还在不断出现，在具体施工时，要根据具体情况进行选择。一般来说，应考18以下几个因素的影响:①地层特性;②开挖深度;③墙体厚度:④施工条件;⑤机械设备的特性。3.1地层特性的影响一般来说，地层有软与硬、透水与不透水、均匀和不均匀之分。所选用的工法和设备必须与之相适应。(1)对于中等硬度的粉土、粉砂和最大颗粒粒径大于10-15cm含量不是很高的地层，使用回转式钻机 1WZ*"4-11匕一一一一一一一一竺Rt*)>I{9是q.(}2)}p"}o}-对地层的适应。强，、软粘土，」含有大漂石的冲击层，均可进行挖槽。当大漂石含量很多时，使用特制的钢丝绳机械抓斗，配以8--lot重的冲击锤，往往可以取得很好的效果。对于这种不均匀地基.液压或电动铣糟机是无能为力的。③对于不太坚硬的均匀细颗粒地层多头使用垂直多头回转钻机是适宜的。④铣槽钻机对地层适应性强，淤泥、砂、砾石、卵石、石灰岩均可掘削。3.2开挖深度和宽度的影响开挖深度没有明确的限制，无论是抓斗式还是回转式挖掘机械，只要加长悬吊用的钢索或钻杆并改进液压系统。就可提高挖掘深度。但是对于大深度开挖，用回转式钻机较为适用。因为回转式钻机具有连续排渣功能。随着开挖深度的增加开挖效率降低不多。如用抓斗开挖，随着开挖深度的增加，由于下放和提升抓斗需要较长的操作时间，开挖速度会随着深度的增大而减慢，而且所穿越的地层越硬。操作次数越多，深度对开挖的影响越大。3.3机械性能的影响冲击式钻机对地质条件有良好的适应性，设备简单价格低廉、操作方便，但施工效率低，成槽质量差。一般的钢丝绳抓斗式成槽机械，设备简单使用普遍，但其抓斗闭合力靠钢绳的拉动提供，故其闭合力有限，对于较坚硬的土层，难于切入土中。效率很低，不好使用。如果仍用钢丝绳悬吊抓斗，但使用液压给抓斗提供闭合力，则效率将大大提高。但是随着闭合力的加大，土体对斗体的反作用力也加大，必须有较重的抓斗重量来克服。垂直多头回转钻采用钢丝绳悬挂方式，有自然保持垂直的性能。排渣采用反循环方式，不必反复提钻，故成槽效率很高，壁面光滑，成槽质量也很好。但其对土体的作用力要依靠设备自重提供，故只适用于土质不太坚硬且均匀的土层。铣槽机铣裕时，两个滚筒低速转动，方向相反，其铣齿将地层破碎，钻掘出的岩渣与泥浆一起被泥浆泵排到地面的泥桨站。根据地质情况不同.安装不同的铣齿，钻掘软岩和砂砾层或土层时，安装扁平的牙式铣齿:钻掘硬岩时。安装圆台形滚简式磨轮，所以它对土层有广泛的适应性。4结束语地下连续墙成槽施工是地下连续墙施工各工序中最关键的一步。对施工成败、施工质量、施工工效都育很大的影响，在施工之前要根据地质条件等现场各种因素，对施工方法认真研究，做到方法得当，有预见性，对各种可能出现的问题有应对预案.以降低造价减少损失。一般应做到以下几点:(1)槽段的划分。槽段的长度要根据地质条件、设计条件、施工条件、机械条件等综合确定。地层稳定对，槽长可大些，地层软弱时，槽长可小些;要考虑钢筋笼的制作、运输和吊装能力:还要考虑连续墙的形状尺寸等要求。(2)机械的选择。要仔细研究现场地质条件、墙的深度宽度、动力供应情况，综合考虑选择合适的成槽设备。由于地质条件的复杂性，一般要准备多种机械才能完成任务。(3)槽段的开挖程序。根据具体情况可采用冲抓结合，如两钻一抓、三钻两抓等:也可采用一抓成槽或多抓成槽。参考文献:11matt,祝国荣编译:地下连续墙的理论与实践.北京:中国铁道出版社，1987.11(2】高钟璞等.大坝基础防渗墙·北京:中国电力出版社,2000年2月第一版[31刘广志.用集束潜孔锤做硬岩连续墙开槽机.探矿工程，1994年4期(al卢忠汉地下连续墙及其成槽设备中国港湾建设,98年4期!到丛蔼森编著.地下连续墙的设计施工与应用.北京:中国水利出版社，2001年2月'