富水深厚软土地层超深地下连续墙施工关键技术

汪良军，王松茂，杨 超

(广东水电二局股份有限公司，广州 511340)

1 概述

随着城市现代化发展步伐加快，地下空间(基坑、隧道等)的开发正向大规模、大深度方向发展，尤其在长三角、珠三角等典型软土分布广泛地区，受限于软土地层高含水率、高压缩性、抗剪强度低、自稳性差等特性，其地下连续墙设计成槽深度往往超过40 m，最深达150 m[1]。

韩江榕江练江水系连通后续优化工程GX14#工作井地下连续墙设计成槽深度为88.5 m，刷新了广东省水利防渗墙施工记录，针对富水深厚软土地层超深地下连续墙施工设备选型、成槽工艺、护壁泥浆性能、垂直度控制、超长钢筋笼分节连接、铣削接头处理、水下砼配合比设计及浇筑等关键技术开展攻关研究，归纳总结成果，为今后同类工程施工提供参考，助推区域工程建设高质量快速发展[2]。

2 工程概况

韩江榕江练江水系连通后续优化工程GX13#～GX16#工作井分布于榕江南岸，以冲积平原地貌为主，零星分布残丘，总体上地形平坦。该段区间为单线Φ6 600盾构隧洞长约4.57 km，沿线布置GX13#、GX16#两座永久工作井和GX14#、GX15#两座临时工作井。其中GX14#工作井围护结构地下连续墙成槽深度达88.5 m，为工程全线最深，兼顾盾构始发及接收功能。工作井为外径24 m圆形竖井，开挖深度为38.5 m，采用地下连续墙+砼内衬墙支护方案，地下连续墙厚1 m，Ⅰ序槽段长6.868 m，采用三铣成槽，Ⅱ序槽段长2.8 m，采用一铣成槽，槽段连接采用铣削接头，其套铣长度为307 mm。槽段划分及铣削接头大样见图1。

图1 地下连续墙槽段划分及铣削接头大样示意

根据钻孔揭露，地下连续墙穿越地层以淤泥质土、中粗砂和黏性土为主，淤泥质土压缩性高、自稳能力差；砂层透水性好、水量丰富；黏性土土质较均匀、可塑状为主、局部硬塑；下覆基岩为花岗岩，埋深达82.4～89.7 m。工程区域地下水类型主要为第四系松散沉积物孔隙性潜水，潜水水位埋藏较浅，一般为0.5～2.5 m；下部砂层为主要含水层，微承压，与榕江连通，水位与江水相近。

3 施工重难点分析

GX14#工作井地下连续墙成槽深度大，软土透水地层厚，基坑开挖深度达38.5 m，为保证竖井开挖衬砌、盾构掘进施工，地下连续墙的垂直度、墙体质量、防渗效果成为施工控制的重点。本工程地下连续墙施工主要解决如下技术难题。

1)墙体0～30 m范围主要地层为流塑～软塑状淤泥质土、可塑状黏性土，30～88.5 m范围主要地层为中密～密实状中粗砂、可塑～硬塑状黏性土、全～强风化岩层，上、下地层特性差异大，需选择合适的成槽设备和工艺，以适应不同地层，加快成槽工效。

2)为控制墙体不侵入二衬结构线内，避免相邻槽段墙身倾斜错位过大导致渗漏等问题，墙体垂直度要求高(不大于1/450)，需采取可靠措施保证成槽垂直度满足要求。

3)墙体穿越强透水性中粗砂层厚度大，地下水位高，基坑开挖渗漏风险大，必须保证槽段接头防渗质量，选择合适的接头形式和接缝清洗工艺至关重要。

4)地下连续墙钢筋笼长88 m，重约69 t，分2节吊装，需选择合适的接笼工艺，保证钢筋连接质量，提高钢筋笼安装效率。

5)Ⅰ序槽段水下混凝土浇筑设计方量达598.9 m3以上，浇筑深度达88.5 m，水下混凝土的性能和浇筑方法的可靠性是保证墙体质量的关键。

4 施工关键技术

4.1 设备选型与成槽工艺

1)设备选型分析

成槽是地下连续墙施工关键工序，其持续时间占到槽段施工时间一半以上，成槽设备选型至关重要，常用设备有冲击式钻机、旋挖钻机、液压抓斗、双轮铣槽机等，主要从地层特性、成槽深度、垂直度控制、套铣接头、成槽工效和质量等方面综合考虑，选择最适用的施工设备[3]，设备选型分析见表1。

表1 成槽设备选型分析

2)成槽工艺

本工作井地下连续墙要求嵌入井底(开挖面以下)地层和全风化层总深度≥7.5 m，且嵌入全风化层≥3.5 m，根据表1分析结果，成槽施工采用“抓铣结合”工艺，上部淤泥质土、黏性土等软土层采用液压抓斗施工，成槽速度快，工效高；下部密实中粗砂层、全风化岩层以及接头套铣砼等部位，采用双轮铣槽机施工，地层扰动较小，垂直度控制精度高，成槽质量好[5]。

3)工效分析

Ⅰ序槽段长6.868 m，三铣成槽，第1刀及第2刀上部采用液压抓斗施工，下部采用双轮铣槽机施工，中间第3刀从上至下均采用双轮铣槽机施工。Ⅱ序槽段长2.8 m，一铣成槽，双轮铣槽机从上至下铣削土体及套铣接头处砼。GX14#工作井地下连续墙成槽施工工效分析见表2。

从表2数据分析，Ⅰ序槽液压抓斗单刀(2.8 m)挖槽平均速度为6.03 m/h，双轮铣槽机单刀(2.8 m)铣槽平均速度为4.01 m/h，完成一幅Ⅰ序槽段(3刀)平均用时为55 h；Ⅱ序槽铣槽和套铣平均速度为2.23 m/h，完成一幅Ⅱ序槽段(1刀)平均用时为39.9 h。由此得知，Ⅰ序槽采用“抓铣结合”工艺能够显著提高成槽速度。

4.2 护壁泥浆性能

护壁泥浆性能控制是成槽质量的关键，它关系着槽壁稳定、成槽速度、砼浇筑质量、铣齿磨损等。针对本工作井地层特性，采用新型复合纳基膨润土泥浆，配比见表3，主要优点有：

表3 新型复合纳基膨润土泥浆配比

1)含聚合物分子作用，土粒、砂粒更容易被聚合物吸附成大颗粒，加快其沉淀，有利于泥浆净化。

2)化学性能稳定，微小颗粒悬浮能力强，利于反循环吸出槽段进行处理，能有效减少槽底沉渣。

3)密度低，新配泥浆比重为1.03～1.06 g/cm3，与混凝土的密度差大，水下混凝土浇筑过程中利于混凝土在槽内扩散，保证墙体质量。

槽内混凝土充盈系数(≥1.0)大小直接体现护壁泥浆性能的优劣，充盈系数接近1.0，说明槽壁稳定，坍塌量少，泥浆护壁效果好，反之则不然。经统计，GX14#工作井地下连续墙混凝土充盈系数在1.000～1.032之间，平均值为1.023，取得了很好的泥浆护壁效果。

4.3 槽壁垂直度控制

成槽垂直度是超深地下连续墙施工质量的控制要点，垂直度偏差过大会导致钢筋笼下放刮碰槽壁引起坍塌、墙身侵入内衬结构线、相邻槽段墙身接头错位引起渗漏等问题，影响墙体质量和后续竖井开挖及内衬结构施工，主要采取如下控制措施。

1)开槽定位控制

① 刀架校核：设备组装完成后，使用全站仪校核刀架垂直度。

② 刀位测放：按设计槽段长度划分刀位，准确测放刀位线，在导墙顶做好标记和编号。

③ 定位开槽：设备就位后调整刀架姿态，两端刀位线处各设置一根横跨导墙的移动式导向界限杆，缓慢下放刀架入槽，慢速铣削，待刀架入槽深度满足纠偏系统使用时，采用正常速度铣削，确保开槽精准定位。

2)铣进速度及垂直度动态管理

① 本工作井地下连续墙平均抓槽深度约为45 m，铣槽深度约为43.5 m，成槽施工过程中，密切关注地层的变化，临近密实中粗砂层、岩层时，及时调整刀架姿态和铣轮转速，防止刀架抖动过大，影响成槽垂直度。在抓铣结合和岩面起伏部位铣进时，均应慢速铣削，并根据刀架抖动幅度，及时调整铣削速度。软土地层中常用铣轮转速见表4。

表4 软土地基中常用铣轮转速

② 成槽施工过程中对槽壁垂直度进行动态管理，做到随偏随纠。利用超声成孔检测仪每隔5～10 m槽深进行一次垂直度检测，将其与成槽设备测斜仪测量成果进行对比，及时作出纠偏响应，使槽壁垂直度始终处于可控状态。成槽设备测斜仪检测结果与超声成孔检测结果如图2、图3所示。

图2 成槽设备测斜仪检测结果示意

图3 超声成孔检测结果示意

3)Ⅱ序槽开槽位预处理[6]

地下连续墙施工分两序跳槽施工，先施工Ⅰ序槽，后施工Ⅱ序槽，Ⅱ序槽开槽铣进时，由于两端Ⅰ序槽砼龄期不同存在强度差异，且两幅槽墙身砼顶高程有偏差，左、右铣轮传动油压差异较大，极易引起刀架偏位，影响成槽垂直度控制。为解决Ⅱ序槽开槽偏位的问题，在Ⅰ序槽浇筑砼时，在槽段两端下设接头插板，准确预留Ⅱ序槽开槽位。接头插板长5 m，宽1.0 m，内侧厚0.35 m，外侧厚0.17 m，采用厚度为12 mm的钢板拼装焊接而成，接头插板结构示意见图4。

图4 接头插板结构示意

本工作井16幅地下连续墙槽壁垂直度实测值在1/909～1/560之间，平均值为1/683，满足设计要求。

4.4 钢筋笼分节吊装快速接笼技术

1)本工作井地下连续墙钢筋笼最大外型尺寸为长88 m×宽5.768 m×高0.85 m，笼重约69 t，一次整体吊装施工难度大、安全风险高，分两节制作安装[7]，钢筋笼主筋连接是吊装施工的关键环节，传统方法有焊接法、直螺纹套筒连接法等。采用焊接法作业时间长，槽壁有坍塌的风险，且立焊质量较难保证；采用直螺纹套筒连接法施工时，钢筋端头螺纹出露1/2套筒长度，削弱了驳接区域钢筋的连接强度，部分主筋上下端头存在轴线偏差，易造成钢筋无法对接[8]。

2)为解决上述连接方法的不足，研制了一种自锁直螺纹套筒连接结构(见图5)，能够达到钢筋笼快速装配对接，保证对接质量，其组成包括连接内套Ⅰ、连接内套Ⅱ、连接外套以及固定螺母，连接内套内、外侧及连接外套内侧均设有螺纹，连接外套将纵向筋两端头的连接内套相连，承受各种荷载。固定螺母是用于防止连接外套松动而设置的固定件。

图5 钢筋自锁直螺纹套筒连接件示意

3)自锁直螺纹套筒连接方法：在上、下钢筋笼主筋已滾轧好螺纹的一端，分别安装连接内套Ⅰ和连接内套Ⅱ，并加以紧固，而后将固定螺母和连接外套先后旋入连接内套Ⅱ；当连接外套旋入后端面与连接内套Ⅱ旋入后端面齐平时，将两个连接内套的旋入后端面紧贴、对齐，再使用连接外套连接连接内套Ⅰ，最后使用固定螺母锁定，完成钢筋连接操作。

4)钢筋笼分节制作时，先将上、下笼驳接区域主筋使用自锁直螺纹套筒连接锁定，待笼成型制作完成后，将自锁直螺纹套筒解锁，而后再将固定螺母和连接外套先后旋入连接内套Ⅱ，使得连接外套旋入后端面与连接内套Ⅱ旋入后端面齐平或略高[9]。

5)本工作井地下连续墙钢筋笼主筋对接全部采用自锁直螺纹套筒连接，完成单根Ф32 mm钢筋连接用时8 min，比焊接法节省用时22 min，完成一幅Ⅰ序槽钢筋笼100个接头的连接仅需2 h，大大缩短了对接时间，接头质量检测全部合格，为尽快开仓浇筑水下砼创造了有利条件[10]。

4.5 铣削接头处理

地下连续墙单元槽段接头兼顾传力及防渗作用，是地下连续墙的薄弱部位，目前接头处理多采用刷壁器沿接缝处上下反复刷洗，以达到清理接缝夹泥的目的，但是存在刷壁质量较差、效率低、工序繁琐等不足，比较适用浅槽接缝的处理。对于本工程超深地下连续墙来说，由于竖井开挖深度大，接缝承受地下水压高，采用这种方法处理存在较大的渗漏风险。

针对刷壁器工艺中的缺陷和本工程地下连续墙防渗要求，专门设计制作一种接头冲洗装置(见图6)[11]。实施过程利用已有设备资源，槽底清理与刷壁两工序同步进行，大大缩短了接缝清洗时间，对所有接头形式的地下连续墙均适用，且施工槽深不受限制，最大限度降低了施工成本。

图6 接头冲洗装置大样图及其安装示意

通过多组试验比对，当泵送压力调整至0.8～1.0 MPa、流量为45～75 L/min的工况条件下，槽底泥浆性能参数指标接近最优，接头冲洗效果最佳，且形成的高压水流对地下墙体本身不会产生负作用[11]。

工作井开挖后，地下连续墙16处接头砼胶结良好，未出现夹泥、渗漏等情况(见图7)，证明接头冲洗处理工艺质量可靠[12]。

图7 连续墙凿毛后接头处砼胶结照片示意

4.6 水下砼配合比设计及浇筑

4.6.1水下砼配合比设计

1)砼性能要求

水下混凝土强度等级为C30W6，设计坍落度为180～220 mm，扩展度为500～550 mm，保坍时间要求3 h内无坍落度及扩展度损失，初凝时间为8～10 h。要求流动性、黏聚性、保坍性、保水性、包裹性良好，无离析、无抓底。

2)原材料

采用P.O42.5R水泥；细骨料采用中砂(人工砂)，细度模数为2.7；粗骨料采用5～20 mm碎石；掺合料为F类Ⅱ级粉煤灰；减水剂采用GRT-HPC缓凝型聚羧酸高性能减水剂；拌合用水为市政自来水。

3)基准配合比设计

① 确定配制强度：根据《水工混凝土施工规范》《水工混凝土试验规程》进行配制强度计算。水下免振混凝土设计和普通混凝土不同，根据施工经验，考虑水下成型与空气中成型试件抗压强度差值，来保证混凝土的强度，混凝土的配制强度采用下式确定：

fcu，0=fcu，k+tσ+ΔR=30+1.645×4.5+5.0=42.4 MPa。

② 确定水胶比：根据设计、规范要求以及施工经验，初取水胶比为W/B=0.39。

③ 用水量初选：通过试配，取用水量mwo=220 kg。外加剂减水率为25%，则掺外加剂砼初取用水量mwo=217×(1-0.25)=163 kg。

④ 胶凝材料用量：mbo=mwo/W/B=163/0.39=418 kg；粉煤灰用量：掺量βf= 15%，则mfo=418×0.15=63 kg；水泥用量：mco=mbo-mfo=418-63=355 kg。

⑤ 减水剂用量：根据试验和拌合物性能，选择掺量为2.0%，mjo=418×0.020=8.36 kg。

⑥ 砂、石料用量：初选取砂率为βs=47.0%，含气量选2.0%，按下列联立方程式计算砂石用量：

Vs，g=1-(mwo/ρwo+mco/ρco+σ)；mso=Vs，g*βs*ρs；mgo=Vs，g*(1-βs)*ρg。

即：砂料mso=825 kg，石料mgo=945 kg。

每立方砼材料重量比的初步确定：水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶外加剂=355 kg∶163 kg∶825 kg∶945 kg∶63 kg∶8.36 kg=1∶0.46∶2.32∶2.66∶0.18∶0.024。

⑦ 按初步配合比，取25 L砼的材料用量进行试拌，经测定，流动性、粘聚性、保水性良好，符合要求；经试配后测定湿表观密度为2 340 kg/m3，强度满足要求，工作性能不需调整。

4.6.2水下砼浇筑控制要点

1)水下砼采用直升导管法浇筑，Ⅰ序槽布置两根导管，导管间距不大于4 m，Ⅱ序槽布置1根导管，导管直径为250 mm，考虑槽深较大，导管管节优先选用法兰盘接头，其接头抗拔和密封性能优于快速接头。

2)首幅地下连续墙水下砼浇筑前，按规范要求对导管进行水密性试验，导管壁及接头处不能出现渗漏。

3)开始灌注时，导管底端到孔底的距离宜为0.3～0.5 m；为保证导管底端一次性埋入水下混凝土的深度，打开混凝土储料斗隔水栓的同时，加快砼罐车放料速度，增加首罐砼量，确保首罐混凝土能埋住导管底1 m以上。

4)混凝土供应及灌注须连续进行，不得中断。间歇时间一般控制在15 min内，特殊情况下不得超过30 min。

5)混凝土灌注的上升速度按不小于2 m/h控制。随着混凝土灌注面的上升，适时提升和拆卸导管，导管底端埋入混凝土面以下2～6 m。

6)在水下混凝土灌注过程中，设专人测量导管埋深，填写好水下混凝土灌注记录表，混凝土灌注高度超设计高度0.5 m以上。

4.6.3墙身浇筑质量效果

1)墙体质量检测

按设计要求对GX14#工作井6幅地下连续墙墙身采用声波透射法无损检测，其中Ⅰ类墙5幅，占总检测数的83.3%，Ⅱ类墙1幅，占总检测数的16.7%，满足设计和规范要求。

2)墙体外观质量

GX14#工作井已于2023年7月8日顺利开挖至基底，经现场查看，未出现墙体侵入内衬结构界限，所有接缝处砼胶结良好，未出现明显错台，墙体和槽段接头及建基面均未出现渗漏，外观质量良好(见图8所示)。

图8 基坑开挖后墙体照片示意

5 结语

韩江榕江练江水系连通后续优化工程GX14#工作井超深地下连续墙施工已按要求安全顺利完成，取得了满意的效果，通过实践，得出如下结论。

1)富水深厚软土地层超深地下连续墙施工采用“抓铣结合“成槽工艺，并运用新型复合纳基膨润土泥浆护壁，成槽速度快，槽壁稳定，成槽质量好，上部地层抓槽深度宜控制在45 m左右。

2)通过Ⅰ序槽导向开槽，Ⅰ序槽砼浇筑预插Ⅱ序槽导向装置，保证了槽段定位准确，成槽过程中采用超声测斜仪每隔5～10 m槽深检测槽壁垂直度，及时纠偏，确保了槽孔垂直度满足要求。

3)超长钢筋笼分两节吊装接笼，上、下节钢筋笼主筋采用自锁直螺纹套筒对接技术，接笼速度快，接头质量好。

4)槽段接头采用铣削接头，通过在铣轮刀架下端安装高压冲洗装置，槽壁清洗速度快，效果好。

5)提出了超深地下连续墙水下混凝土施工配合比及浇筑控制要点，保证了墙体质量。