地连墙接头施工技术研究 深覆盖层环形地连墙基础施工关键技术

李思艺 邵羽广西交通设计集团有限公司

摘 要：对于基岩埋深较大的深覆盖层地区，大跨拱桥基础如采用传统基础形式，势必会增大施工难度和费用。以世界最大跨径平南三桥(575 m)钢管混凝土拱桥的环形地连墙拱座基础为依托工程，对其施工过程中的关键技术进行分析总结。研究结果表明：水泥土搅拌桩可作为一种高效的处治技术用于深覆盖层地区地连墙施工中槽壁的加固；泥浆循环系统和浇筑循环系统的正常运行是地连墙基础施工的关键；袖阀管注浆可显著提高卵石层承载性能及摩擦性能；平台接力方式可作为一种性价比较高的出土方法用于有限施工空间的基坑开挖。相关经验及成果可为西江流域或相似地质条件下修建大跨桥梁基础提供重要的参考，并对此类基础形式的设计施工优化提供依据。

关键词：大跨拱桥;深覆盖层;环形地连墙;袖阀管注浆;施工技术;

基金：中国博士后科学基金项目，项目编号2019M663874XB;广西科技基地和人才专项，项目编号桂科AD20238069;广西自然科学基金重点项目，项目编号2020GXNSFDA238024;

地下连续墙至今已有近70年的发展历程。因其具有施工噪音低、效率高、质量可靠、与土体的密着性好、整体刚度大、防渗性能好等优点[1],广泛应用于地下工程建设领域。在我国，地下连续墙多应用其挡土、截水、防渗的功能，而作为一种新型的基础形式，将其作为结构的基础，直接承担上部结构的竖向及水平荷载，也逐渐引起学者及工程建设者的关注。当地下连续墙作为结构基础承载时，势必对其施工质量提出了更高要求。皋北等[2]以福州地铁2号线桔园洲站为工程背景，对福州地区的地下连续墙施工关键技术进行了详细讨论。田欣等[3]以马普托大桥北锚碇地下连续墙基础为工程背景，着重对嵌岩深度较大的地下连续墙基础关键施工技术进行了阐述，研究表明，刚性接头的施工质量对保障地连墙基础整体性能具有决定性影响。杨武厂[4]通过工程实践指出了一种新型的钠基膨润土泥浆材料较为适合用于超深地下连续墙槽段护壁。王彩文[5]以实际工程为背景，对地下连续墙穿越砂质粉土层工况下开挖设备选型、泥浆护壁技术、土体加固技术进行了探讨。姜厚停等[6]提出了一种适用于深砂卵石地层地下连续墙护壁泥浆的配置方法。杨毅秋等[7]采用室内试验和数值模拟的方法，从构建尺寸、接头形式、连接方法、施工机械等方面对一种装配式地下连续墙基础的设计施工方法开展研究。沈浩等[8]以某深105 m, 厚1.5 m超深地连墙工程为背景，重点对该地连墙的成槽垂直度施工控制措施开展了详细的分析和讨论，结果表明，纯铣方式成槽、地基加固支护、超声波检测节点、二期槽段施工时间、铣槽初始速度是影响槽壁稳定及成槽垂直度的关键因素。目前关于地下连续墙施工技术方面的研究报道较多，但对于临江、临河侧有强水力联系的深覆盖层地质条件下地下连续墙施工关键技术研究较少，且对于有限施工空间地下连续墙基础基坑开挖鲜有报道。现以世界最大跨径(575 m)钢管混凝土拱桥——平南三桥北岸采用环形地连墙的拱座基础为依托工程，着重对开挖槽壁加固、泥浆制备及循环技术、卵石层注浆技术、基坑开挖出土技术进行详细阐述及讨论。

1 工程概况

广西平南三桥为目前在建的世界最大跨径拱桥，其北岸拱座基础采用外径60 m, 墙厚1.2 m的环形地下连续墙，墙身高31.5～37.5 m, 墙底嵌入中风化泥灰岩不小于4 m, 见图1。全墙槽段分为2类，其中I期槽段和Ⅱ期槽段均为20段，Ⅰ期槽段采用三铣成槽，Ⅱ期槽段采用一铣成槽。

图1 北岸拱座地连墙基础示意

单位：m

桥址地层主要由第四系冲洪积层(Qal pl)、泥盆系中统郁江阶(D2y)组成，见图2,土层至上而下分别为可～硬塑状中等压缩性粉质黏土，层厚2.00～15.10 m; 可塑状中等压缩性粉质黏土，层厚7.30～13.10 m; 中密～密实状卵石，层厚13.70～19.80 m; 其下为中风化泥灰岩，最大揭示厚度30.30 m, 岩层中地连墙施工区域有小型溶洞分布。其中环形地连墙基础的持力层为中风化泥灰岩，拱座基础的持力层为注浆加固后卵石层。桥址区上层滞水埋藏浅，与地表水体水力联系较弱。卵石层属强透水层，含水体具有承压性，卵石孔隙水与河水呈互补关系，与浔江江水水力联系较强。

图2 北岸拱座地连墙区域地质条件及岩溶分布

2 环形地下连续墙基础施工工艺技术

本工程为国内首次将环形地下连续墙技术应用于大跨拱桥拱座基础，除采用常规地连墙基础施工工艺技术外，为保障施工安全和施工质量，结合现场工程地质条件，采取了以下几项关键施工措施：(1)为保障地连墙基础施工槽壁稳定，采用水泥土搅拌桩对槽壁两侧的土体进行加固；(2)为应对深覆盖层地区及岩溶区地连墙槽段开挖过程中槽壁坍塌风险，除采用常规泥浆制备技术外，同时采用了两种备选制浆方案及完备的泥浆循环系统；(3)为提高拱座基础持力层——卵石层的承载能力及摩擦性能，采用袖阀管注浆工艺对卵石层进行加固；(4)为确保施工质量和施工进度，采用接力平台的基坑开挖出土技术来解决基坑坑内施工场地受限问题。

3地下连续墙墙体施工关键技术

地下连续墙墙体施工工艺流程见图3,其主要施工流程与目前广泛应用的地下连续墙施工流程相同，关于平南三桥北岸地下连续墙基础施工详细报道可参考文献[7]。考虑到桥址区工程地质条件，其下覆卵石层与拱座基础临江侧浔江有着较强水力联系，承压水头较高，高孔隙水压力给地连墙施工带来极大的安全隐患，极易造成孔壁坍塌。故此，将重点介绍施工中所采用的槽壁两侧土体的加固技术及泥浆制备与泥浆循环技术。

3.1复杂地层槽壁稳定加固技术

采用极限平衡法对槽段施工后槽壁的抗滑安全系数进行分析，计算中未考虑滑块土体两侧剪切力，结果表明，槽壁两侧土体内部滑动面均分布于黏土层中，且计算所得滑面最大安全系数仅为0.7,若只采用泥浆护壁，则槽壁将无法稳定。为此，结合现场地质条件，综合考虑强夯、注浆加固、钢管桩、水泥土搅拌桩等多种地基处理方法的施工工期、工程造价、加固效果等因素的影响，选用施工效率高、经济合理且预期效果较好的水泥土搅拌桩对地连墙槽壁两侧土体进行加固，见图4。对经水泥土搅拌桩加固后槽壁稳定性同样采用极限平衡法进行分析，结果表明，加固后槽壁抗滑稳定安全系数最小值为1.075,满足设计及规范要求的不小于1.05的要求。实际施工中所采用的搅拌桩桩径为60 cm、桩长15 m, 桩中心距45 cm, 搭接长度15 cm, 桩身距地连墙槽壁最小净距20 cm, 搅拌桩设计加固范围为黏土层。

现场采用单轴搅拌钻机两喷四搅跳孔施工工艺进行水泥土搅拌桩施工，见图5。采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6∶1。实际施工中加强了现场监控量测频率，导向架垂直度用经纬仪测量钻杆垂直度，每根桩施工过程中测量2次，分别为第1次下沉前和第2次下沉前，控制标准不大于1/150,若大于控制标准，则按照控制标准重复搅拌过程。下沉速度和提升速度通过秒表计时监控，控制标准为下沉速度1 m/min, 提升速度0.5 m/min。水泥浆配比通过现场测定新制水泥浆比重进行监控，水泥浆水灰比为0.6∶1,对应的比重为1.714。

图3 北岸拱座地连墙施工流程

图4 水泥土搅拌桩加固槽壁示意

3.2泥浆制备与泥浆循环技术3.2.1泥浆制备原材料及配比

槽段护壁泥浆主要起到护壁、润滑、悬浮钻渣、冷却钻具的作用，应具有良好的稳定性、一定的黏度、良好的触变性、适当的比重且能生成优质的泥皮。为保障所配置的泥浆稳定性好、含砂率低、黏度高、携渣能力强，形成的泥皮坚韧，现场选用造浆能力强的钠基膨润土配置基浆，所采用的泥浆配比为水∶膨润土=1 000∶100。同时，针对卵石层未采取加固措施易坍塌的情况，现场采用基浆 重晶石粉的预备方案给予应对；采用基浆 CMC(羧甲基纤维素纳)的预备方案，来应对现场开槽过程中可能产生的基底沉渣厚度失控的情况。实际施工过程中，在进行临江侧某一槽段施工时，砂卵石层发生了局部范围的坍塌现象，现场立即启动预备方案，用新浆池中的浆液置换槽段中的泥浆，并于槽段内添加重晶石粉，处治完成后，该槽段顺利完成开挖，坍塌范围未进一步扩大。

图5 水泥土搅拌桩施工顺序

3.2.2泥浆制备

采用NJ-1500型旋流式高速泥浆搅拌机对按配比称量的清水和膨润土进行搅拌，见图6,搅拌充分后的泥浆存储于新浆池中静置膨化24 h后即可为新开挖槽段供浆。同时，通过对现场施工情况及槽段内泥浆指标的监控，采用CMC/Na2CO3或重晶石粉对槽段内的泥浆进行调整。

图6 现场泥浆制备流程

3.2.3泥浆循环系统

现场泥浆循环分2种循环模式：一种为铣槽/清孔循环，见图7,采用气举反循环法将开挖完成后槽孔中的泥浆回收，并经泥浆净化器过滤处治后流入循环池，再由泥浆泵抽至其他槽段内继续使用；另一种为浇筑循环，采用气举反循环法将施工槽段中指标不合格的泥浆回收，经泥浆净化器过滤处治后，抽放至泥浆循环池。如处治后的泥浆各项指标满足要求，则可直接由泥浆泵抽至施工中的槽孔继续使用，如果指标不满足要求，则可视情况补充新浆，待循环池内的泥浆指标满足要求后可继续使用。泥浆的双循环系统的正常运行是地连墙槽段正常施工的根本保障。

图7 现场泥浆循环示意

4 卵石层注浆施工技术

为增加拱座基础卵石持力层的承载能力及摩擦性能，同时降低其透水性，现场采用袖阀管注浆技术对地连墙施工完成后墙体范围内的卵石层进行注浆，其关键施工技术如下。

4.1注浆孔钻孔

钻孔设备共4台， 1台德国KLM805-2型潜孔钻机和3台国产MDL-C200型潜孔钻机。钻机就位后确保机位偏差不大于50 mm, 钻杆垂直度偏差不大于1%,钻进过程中对钻机的垂直度进行跟踪量测，同时对地质情况进行了及时记录。

4.2浇筑套壳料

钻孔清孔完成后，立即灌注套壳料。套壳料是具有特定性能的水泥黏土浆，其配比为水∶水泥∶膨润土=1∶0.15∶0.22,套壳料通过导管从孔底连续注入，中途不宜停顿，如有停顿不得超过1 h。当孔口返出套壳料的密度与压注前密度差不大于0.02 g/cm3并确定灌满后可结束浇筑套壳料。灌注完毕后，将钻孔护管缓慢拔出，并同时补充套壳料。

4.3安装袖阀管

套壳料灌注完成后应立即下设袖阀管，袖阀管采用专用塑料管制造，拧紧管接头以防止浆液渗入堵塞孔道。下放时，管四周设置定位环，保证袖阀管处于钻孔中心。袖阀管底端与灌浆孔底距离不大于20 cm。袖阀管安装就位后，拌制快干硬混凝土混合料，将袖阀管外侧孔口段封闭，养护3 d后即可注浆；在袖阀管中插入水管，对孔道进行冲洗，确保孔道通畅；冲洗完毕后，安装管套防止杂物落入孔中。

4.4下放注浆芯管

袖阀管下设完成后待凝3 d以上，方可进行注浆施工。首先进行注浆芯管安装。芯管安装前，在注射器止浆塞两侧涂抹黄油进行润滑，安装过程中，详细记录芯管长度。

4.5开环注浆

(1)安装止浆塞，对注浆管路系统进行压水试验，检查机械运行情况、各管路封闭情况和进浆管的进浆情况。现场试验压力为1.2～1.5倍的注浆终压。压水试验进行3次，每次5 min。

(2)开环是注浆的前期工序，使用清水加压开环。在加压过程中，一旦出现压力突降，进浆量剧增，表示已经“开环”。开环后持续灌注5～10 min, 按照设计配比进行正式注浆。

(3)注浆顺序原则上采用从外向内的方式，有效控制浆液扩散区域，确保注浆后形成完整的注浆加固体。注浆方式采取后退式分段注浆，即在注浆带内由孔底进行注浆，每次注浆段长1 m。注完第1注浆段后，后退注浆芯管，进行第2注浆段的注浆，依次下去，直到完成注浆带。记录注浆过程，并对浆液进行凝固时间的测定，确保注浆效果。勘察报告显示，施工场地砂卵石层的地基承载力和抗剪摩擦系数分别为490 kPa和0.34。现场实际施工中，当基坑开挖至拱座基础设计标高后，采用了浅层平板载荷试验及现场大型直剪试验对注浆后卵石层的承载性能及摩擦性能进行检测，试验结果显示，注浆后卵石层的承载力容许值和抗剪摩擦系数分别为702.5 kPa和0.42,大于设计要求的500 kPa和0.4的要求。结果表明，袖阀管注浆对提高砂卵石层的地基承载力及摩擦性能效果显著。

4.6终灌指标

注浆段达到以下条件之一，即可结束此段注浆：

(1)在保持注浆压力0.8～1.0 MPa情况下，灌注段注入率小于5 L/min, 持续灌注20 min后注浆率仍位于该范围内；

(2)灌注段注浆量累计达到2 000 L,灌浆压力大于等于0.8 MPa;

(3)某孔中最后灌注段累计注浆量达到1.0 t/m;

(4)观测到地面有上抬现象发生。

5 基坑开挖出土施工技术

北岸拱座基础基坑为直径60 m的圆形基坑，因坑内作业面积受限，大型的出土设备难以在坑内使用，为确保施工进度，对坑内土体开挖及运输进行合理的规划显得尤为重要。故此，将重点介绍该基坑坑内土体施工步骤及出土运输方式。基坑开挖共分5层11次开挖，见图8。

图8 基坑开挖示意

5.1第1层基坑开挖

采用挖掘机倒退式开挖，可分为Ⅰ、Ⅱ两道开挖工序。

(1)开挖工序I:

见图9,首先开挖A1区段，第1次开挖深度为4.6 m。随后按同样的工序同时开挖两侧A2→A8,A3→A9。便道沿地连墙内侧设置，坡底宽度控制在5 m范围，坡顶宽度8 m, 纵坡控制在20%以内；边坡坡率不大于1∶1。渣土直接装入自卸汽车，运至指定弃渣场。

图9 工序I开挖示意

(2)开挖工序Ⅱ:

见图10,开挖剩余的B1区段及A10区段。B1区段采用后退式开挖，并设置坡长不小于35 m的直线便道，便道顶面填筑混凝土弃渣，厚度不小于1 m; 边坡坡率不大于1∶1。渣土直接装入自卸汽车，运至指定弃渣场。B1区段开挖完毕后，挖除便道，开挖A10区段，由于便道被挖除，A10区段的渣土由长臂挖掘机直接挖出，装车运至弃土场。

图1 0 工序Ⅱ开挖示意

5.2第2、3层基坑开挖

采用岛式开挖工艺，见图11。按施工区段划分，首先开挖A1区段，随机同时开挖A2→A8,A3→A9,以及A10区段，内衬墙施工紧随进行。10个内衬墙施工平台开挖完毕后，再开挖B1核心岛。开挖出的渣土，堆放在内衬墙附近，形成土堆。土堆上方帽梁处，布置长臂挖掘机，渣土由长臂挖掘机卸入自卸车，运至指定弃土场。

图1 1 2、3层基坑开挖示意

5.3第4、5层基坑开挖

同样采用岛式开挖工艺，见图12。按施工区段划分，首先开挖A1区段，随机同时开挖A2→A8,A3→A9,以及A10区段，内衬墙施工紧随进行。10个内衬墙施工平台开挖完毕后，再开挖B1核心岛。在内衬墙附近，布置钢管中转平台，基坑底部挖掘机将渣土转入平台，帽梁上的长臂挖掘机再将平台上的土转入自卸车。中转平台采用塔架标准杆件搭设，立柱底埋置于卵石层中，浇筑混凝土基础。

图1 2 4、5层基坑开挖示意

基坑开挖时在基坑顶部设置环形人行通道，并配置长2 m、高1.2 m的标准化围挡，在基坑中心线方向对称布置2道安全爬梯，以便人员上下，形成安全的施工通道系统，见图13。采用这种岛式开挖并结合中转平台的基坑内土体出土方案，现场实施表明，影响该方案出土效率的关键环节为中转平台的搭建，在满足这一要求的基础上，基坑出土效率较高，整体工期没有受制于基坑开挖工序。

图13 基坑安全爬梯示意

6 结语

以平南三桥北岸地下连续墙基础为依托工程，对深覆盖层地区地连墙基础施工关键技术进行了分析，得到以下结论：

(1)在深覆盖层地区进行地下连续墙施工时，应重点关注覆盖层厚度范围内槽壁的稳定性问题，水泥土搅拌桩较为适用于对深覆盖层地区槽壁两侧土体的加固；

(2)对地下连续墙槽段开挖过程中容易产生槽壁开挖、泥浆流失的深覆盖层地区及岩溶地区而言，采用基浆 重晶石粉及基浆 CMC(羧甲基纤维素纳)的预备方案，来应对槽段开挖过程中可能发生的突发状况，显得尤为重要；

(3)袖阀管注浆施工工艺可用于对透水性强、摩擦性能差的卵石层的加固处理，采用该方法对平南三桥北岸拱座基础持力层卵石层加固处治后，卵石层的承载力容许值及抗剪摩擦系数均满足设计要求，效果显著；

(4)为确保施工质量和施工进度，对环形地下连续墙进行基坑开挖施工时应合理、精细策划坑内土体的开挖、出土方案。作为一种出土效率高、经济合理的出土方案，岛式开挖并结合中转平台的方式较为适用于此种工况。

参考文献

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[2] 皋北，孙贵新，牛浩.福州地区地下连续墙施工关键技术研究[J].公路，2016,(5):251-254.

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[5] 王彩文.地下连续墙穿越砂质粉土层施工技术[J].铁道建筑技术，2019,(8):82-84 118.

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