上海明珠二期南浦大橋地鐵站工程超深槽段地下連續墻施工體會摘 要:在上海軌道交通明珠二期南浦大橋地鐵站工程超深槽段地下連續墻施工中,通過攪拌樁加固并在地連墻與橋墩之間增加了水泥摻量為20%的SMW素樁,在基坑內的被動區抽條加固部分采取局部水泥摻量提高到12%有效地改善土的力學指標,控制槽壁變形和對橋墩的影響,此外,采用重斗強抓方法順利掘進硬土層。關鍵詞:地下連續墻;攪拌樁;SMW素樁加固;水泥摻量;重斗強抓1工程概況1.1工程概況 上海軌道交通明珠二期南浦大橋地鐵站位于南浦大橋西轉盤引橋和國貨路之間,中山南路北側。車站呈東西走向,全長185m,寬17.7m,地下3層,車站標準段基坑挖深23m,端頭井挖深24.6m,這在上海目前非豎向換乘的在建車站中屬基坑深度之最。基坑圍護為“二墻合一”形式,地下連續墻既作圍護又兼作主體側墻結構之用。墻寬一般為標準幅6m,厚1m,標準段深36.5m,端頭井部分深39.5m。入土比均為0.6,采用水下砼,強度等級C30。1.2工程地質情況各土層的主要力學指標見表1。
本工程地質條件復雜,對成槽施工非常不利,主要表現在以下幾點: (1)③、④層淤泥質粘土缺失,①層為2m厚的雜填土,16m以淺為②-1、②-2層粉質粘土,由于②層土粘聚力微小,其抗剪強度幾乎完全依賴自重應力,且帶有顯著的砂性,在動水壓力下容易潰散,同樣在地墻護壁泥漿的浮力作用下,自重應力被取消,主體抗剪強度將會完全喪失。而且該層又處于地槽淺層,護壁泥漿側向壓力相對又較小,顯然②層土是成槽成功與否的關鍵所在。 (2)在第⑥層及以下是阻力很大的硬土層,其中⑦-1和⑦-2層通常作為樁基礎的持力層,這對成槽機的切削能力和糾偏功能及成槽工藝的選擇是嚴峻的挑戰。 (3)該工程環境保護等級高,在12～21軸靠西端頭井范圍為一級基坑標準,該區域南側是南浦大橋的引橋橋墩,最近的距地墻結構外邊線僅3.5m,因橋墩基礎長41m,僅深于該處地墻1.5m,抵抗側向推力的能力較差,橋墩保護問題突出,而且在基坑未開挖時,橋墩已發生水平位移。2解決軟弱表層在成槽過程中的穩定性問題,控制槽壁變形以及對大橋橋墩的影響 勘察報告顯示,②層土的內摩擦角并不小,有26°,但粘聚力較小(11kPa),實際開挖后發現這層土幾乎沒有粘土的特征,在干燥狀態下可以穩定地保持一定坡度,一旦淋雨就立即潰散。護壁泥漿一方面在水平方向對成槽壁施加壓力,抵消主動土壓力而起作用;而另一方面,泥漿在砂性比較明顯的②層土所形成的泥皮不夠堅韌,泥漿在鉛垂方向上對土顆粒施加浮力抵消了土的自重作用,從而削弱了土的抗剪強度,所以即使有可觀的內摩擦角,表層的深厚粉質粘土抗剪強度仍不足。為了驗證,采用Meyehof公式對槽壁不同深度進行了穩定和變形驗算。(1)穩定驗算利用穩定系數法公式: 驗證結果表明,不進行槽壁處理,成槽時槽壁的穩定和變形都不能滿足要求。 原打算采用提高泥漿的密度和粘度等性能來滿足護壁要求,但由于泥漿密度和粘度較大時對混凝土和鋼筋的咬合不利,也增加澆筑水下混凝土的難度,并易引起鋼筋籠沉放困難、混凝土鋼筋籠上浮等諸多弊病,故棄而不用。 重新考慮采用改善土的力學指標,通過攪拌樁加固予以實現。加固后土體的強度遠大于原狀土,從經濟角度以及今后成槽機糾偏時切削加固土體等出發,水泥摻量不宜過大,一般取7%。南浦大橋橋墩處,為了控制初期變形的累加,在地連墻與橋墩間增加了水泥摻量為20%的SMW素樁加固,在基坑內的被動區抽條加固部分,采取局部水泥摻量提高到12%。攪拌樁和SMW素樁加固后的槽壁剖面如圖1所示。采用該方案后,解決了②層土強度完全依賴自重應力的問題,改善了土的力學性能,增加了粘聚力,在后來成槽的情況中,可說明這一方案的引用是成功的。由于地連墻與橋墩間增設了SMW素樁,有效地控制了橋墩向基坑內的變形和沉降,橋墩的最終傾斜僅為0.8H2/1000(H2為橋墩的高度),沉降為0.89cm,完全在一級基坑對周邊建筑變形的規范要求范圍內。但攪拌樁加固工藝同時也帶來一些缺點,如導墻下的土體加固攪拌機的垂直控制精度(1/100)遠低于地下墻3/1000的要求,部分槽段因攪拌樁垂直度不夠,成槽機切削攪拌的時間耗費較長,間接影響了槽壁的穩定。3解決硬土層中成槽的問題,克服硬土層的巨大阻力順利掘進 施工前考慮的硬土層主要是⑦-1、⑦-2層草黃色粉砂。兩層的標貫擊數分別為29.9和58.7擊, 比貫入阻力分別為12.21和17.62MPa,是非常硬的砂層。解決方法有先鉆孔再用重斗強抓等。由于鉆孔需要專用機械,移動機械、鉆孔的時間又長,所以“兩鉆一抓”的工藝僅作為備用方案。試成槽時,在開挖過程中卻發現,砂層中的阻力不及⑥層暗綠～草黃色粉質粘土。雖然名稱均定為粉質粘土,但⑥層顯示出很大的粘性,在成槽機穿越4m厚的該層土時比穿越5～6m厚的⑦-1層粉砂時間還要長。經分析,⑥層土的粘聚力高達40kPa,天然重度19 5kN/m3,孔隙比0.7,在成槽范圍的各土層中最重、最密實且透水性極差。抓斗的沉放、提升甚至開合的阻力都很大。硬砂層對成槽的阻力主要是對抓斗齒的端部阻力,而粘重的粘土層不僅是端部的阻力,更主要的是所有摩擦面上的摩擦阻力。基于“兩鉆一抓”不適合粘重土的挖掘,同時又為避免機械來回起動和鉆機出場的麻煩,我們改用重斗強抓成槽。所選機械為利勃海爾成槽機,機斗重60t,配有垂直度傳感儀和液壓強力糾偏裝置,在成槽中,特別適宜本工程土質組成情況,施工質量穩定。4結語 通過南浦大橋站地連墻施工的成功實踐,有以下2點體會: (1)在淺層土粘聚力很小的條件下,用物理方法處理原土是很有必要的。水泥土層攪拌的方法是一種成熟可靠的方法。加固體的強度不宜過高,必須在機械可以挖掘的范圍內,一般不應提出無側限抗壓的指標,以標貫擊數或比貫入阻力的指標來要求比較合適。 (2)對深層的硬土層的挖掘,并不一定用“兩鉆一抓”或其他先破碎硬土的方法,如果擁有強有力的挖掘投備不妨優先考慮強挖的方法。有時造成阻力大不一定因為標貫擊數或比貫入阻力大,土對抓斗活動的粘滯摩擦阻力也很可觀。
本工程地質條件復雜,對成槽施工非常不利,主要表現在以下幾點: (1)③、④層淤泥質粘土缺失,①層為2m厚的雜填土,16m以淺為②-1、②-2層粉質粘土,由于②層土粘聚力微小,其抗剪強度幾乎完全依賴自重應力,且帶有顯著的砂性,在動水壓力下容易潰散,同樣在地墻護壁泥漿的浮力作用下,自重應力被取消,主體抗剪強度將會完全喪失。而且該層又處于地槽淺層,護壁泥漿側向壓力相對又較小,顯然②層土是成槽成功與否的關鍵所在。 (2)在第⑥層及以下是阻力很大的硬土層,其中⑦-1和⑦-2層通常作為樁基礎的持力層,這對成槽機的切削能力和糾偏功能及成槽工藝的選擇是嚴峻的挑戰。 (3)該工程環境保護等級高,在12～21軸靠西端頭井范圍為一級基坑標準,該區域南側是南浦大橋的引橋橋墩,最近的距地墻結構外邊線僅3.5m,因橋墩基礎長41m,僅深于該處地墻1.5m,抵抗側向推力的能力較差,橋墩保護問題突出,而且在基坑未開挖時,橋墩已發生水平位移。2解決軟弱表層在成槽過程中的穩定性問題,控制槽壁變形以及對大橋橋墩的影響 勘察報告顯示,②層土的內摩擦角并不小,有26°,但粘聚力較小(11kPa),實際開挖后發現這層土幾乎沒有粘土的特征,在干燥狀態下可以穩定地保持一定坡度,一旦淋雨就立即潰散。護壁泥漿一方面在水平方向對成槽壁施加壓力,抵消主動土壓力而起作用;而另一方面,泥漿在砂性比較明顯的②層土所形成的泥皮不夠堅韌,泥漿在鉛垂方向上對土顆粒施加浮力抵消了土的自重作用,從而削弱了土的抗剪強度,所以即使有可觀的內摩擦角,表層的深厚粉質粘土抗剪強度仍不足。為了驗證,采用Meyehof公式對槽壁不同深度進行了穩定和變形驗算。(1)穩定驗算利用穩定系數法公式: 驗證結果表明,不進行槽壁處理,成槽時槽壁的穩定和變形都不能滿足要求。 原打算采用提高泥漿的密度和粘度等性能來滿足護壁要求,但由于泥漿密度和粘度較大時對混凝土和鋼筋的咬合不利,也增加澆筑水下混凝土的難度,并易引起鋼筋籠沉放困難、混凝土鋼筋籠上浮等諸多弊病,故棄而不用。 重新考慮采用改善土的力學指標,通過攪拌樁加固予以實現。加固后土體的強度遠大于原狀土,從經濟角度以及今后成槽機糾偏時切削加固土體等出發,水泥摻量不宜過大,一般取7%。南浦大橋橋墩處,為了控制初期變形的累加,在地連墻與橋墩間增加了水泥摻量為20%的SMW素樁加固,在基坑內的被動區抽條加固部分,采取局部水泥摻量提高到12%。攪拌樁和SMW素樁加固后的槽壁剖面如圖1所示。采用該方案后,解決了②層土強度完全依賴自重應力的問題,改善了土的力學性能,增加了粘聚力,在后來成槽的情況中,可說明這一方案的引用是成功的。由于地連墻與橋墩間增設了SMW素樁,有效地控制了橋墩向基坑內的變形和沉降,橋墩的最終傾斜僅為0.8H2/1000(H2為橋墩的高度),沉降為0.89cm,完全在一級基坑對周邊建筑變形的規范要求范圍內。但攪拌樁加固工藝同時也帶來一些缺點,如導墻下的土體加固攪拌機的垂直控制精度(1/100)遠低于地下墻3/1000的要求,部分槽段因攪拌樁垂直度不夠,成槽機切削攪拌的時間耗費較長,間接影響了槽壁的穩定。3解決硬土層中成槽的問題,克服硬土層的巨大阻力順利掘進 施工前考慮的硬土層主要是⑦-1、⑦-2層草黃色粉砂。兩層的標貫擊數分別為29.9和58.7擊, 比貫入阻力分別為12.21和17.62MPa,是非常硬的砂層。解決方法有先鉆孔再用重斗強抓等。由于鉆孔需要專用機械,移動機械、鉆孔的時間又長,所以“兩鉆一抓”的工藝僅作為備用方案。試成槽時,在開挖過程中卻發現,砂層中的阻力不及⑥層暗綠～草黃色粉質粘土。雖然名稱均定為粉質粘土,但⑥層顯示出很大的粘性,在成槽機穿越4m厚的該層土時比穿越5～6m厚的⑦-1層粉砂時間還要長。經分析,⑥層土的粘聚力高達40kPa,天然重度19 5kN/m3,孔隙比0.7,在成槽范圍的各土層中最重、最密實且透水性極差。抓斗的沉放、提升甚至開合的阻力都很大。硬砂層對成槽的阻力主要是對抓斗齒的端部阻力,而粘重的粘土層不僅是端部的阻力,更主要的是所有摩擦面上的摩擦阻力。基于“兩鉆一抓”不適合粘重土的挖掘,同時又為避免機械來回起動和鉆機出場的麻煩,我們改用重斗強抓成槽。所選機械為利勃海爾成槽機,機斗重60t,配有垂直度傳感儀和液壓強力糾偏裝置,在成槽中,特別適宜本工程土質組成情況,施工質量穩定。4結語 通過南浦大橋站地連墻施工的成功實踐,有以下2點體會: (1)在淺層土粘聚力很小的條件下,用物理方法處理原土是很有必要的。水泥土層攪拌的方法是一種成熟可靠的方法。加固體的強度不宜過高,必須在機械可以挖掘的范圍內,一般不應提出無側限抗壓的指標,以標貫擊數或比貫入阻力的指標來要求比較合適。 (2)對深層的硬土層的挖掘,并不一定用“兩鉆一抓”或其他先破碎硬土的方法,如果擁有強有力的挖掘投備不妨優先考慮強挖的方法。有時造成阻力大不一定因為標貫擊數或比貫入阻力大,土對抓斗活動的粘滯摩擦阻力也很可觀。