CN103437341B - 上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，该方法具体步骤：第一步、成槽区域钻孔取芯，确定岩面性状；第二步、测量放样标定导墙位置；第三步、导墙施工，确定冲孔孔位分布；第四步、钻设导孔，安装导杆；第五步、重锤冲岩，成槽机抓取碎岩；第六步、方锤刷壁，连孔成槽；第七步、清理槽底，成槽施工完成。本发明的施工方法克服了不安全和不稳定因素及施工进度缓慢、成槽质量较差等缺点和不足，实现微风化石灰岩中的有效、低成本、高精度成槽施工；本发明施工效果好、成槽速度快、施工工序简便、工程周期大大缩减。

Description

上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法

技术领域

本发明涉及一种建筑、水利、交通、环境等地下工程领域中的施工技术，具体地，涉及一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法。

背景技术

近年来随着我国城市建设的不断深入，地下铁道的修建在各大城市展开。由于各城市所处的地理环境与地层分布的不同，需要在各种地质条件下修筑地下连续墙。地下连续墙施工工艺在我国砂土、粘性土、冲填土等软土地层中得到了全面发展与广泛应用。然而在上覆砂土微风化岩这种上软下硬地层中修建地下连续墙，仍然存在着多方面的技术困难与不足。

传统的成槽机具在上软下硬的复杂岩土层中适应性差，施工速度极为缓慢，成槽质量难以保证，施工过程呈现效率低、造价高的不利局面；且由于下伏微风化岩层的岩面起伏变化，利用传统施工方法成槽时，垂直精度无法保证。即使配备最先进的成槽机具，施工过程中成槽机也会沿岩面的倾斜方向发生滑移，影响成槽施工的顺利进行，难以保证地下连续墙的施工质量。

对现有的技术文献进行检索后发现，专利申请号为200910095733.7，发明名称：嵌岩地下连续墙冲孔槽段施工方法，以及专利申请号为201210054985.7，发明名称：用于上软下硬土层的超深T形槽壁桩及其成槽施工方法，这些文献虽然提到了类似地层结构中成槽施工的一些改进措施，如通过“钻抓结合”成槽和采用水下注浆技术保证墙体防水性等优化方法；但是均未能提出成槽机具遭遇倾斜岩面后产生滑移的有效解决方案，也无法保证较高的成槽垂直精度。这些问题的存在，给上覆砂土微风化石灰岩中的成槽施工带来了极大的麻烦，严重影响到了地下连续墙工程的施工质量与工期。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，该方法克服了上述技术背景中存在的不安全和不稳定因素及施工进度缓慢、成槽质量较差等缺点和不足，实现微风化岩中的有效低成本高精度成槽施工。

为实现以上目的，本发明提供一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，所述施工方法包含如下步骤：

第一步、成槽区域钻孔取芯，确定岩面性状；

优选地，所述钻孔取芯是根据待成槽区域大小布设测试孔位，分别钻探至成槽施工所需的深度取出岩芯，并根据成槽区域大小和规范确定钻孔的数量和间距，测试孔位沿地下连续墙中轴线的两侧交错布置。

优选地，所述岩面性状是通过钻孔取芯确定成槽施工区域的岩面深度与待挖厚度，确定岩石结构面与钻孔弯曲方向或地球磁北方向之间关系，测得钻孔弯曲参数即顶角、方位角，然后利用矿物微区测试技术，根据受应力作用岩石的组构类型或干涉色对比和产生的应力矿物特征，推测出结构面的应力性质，确定岩石结构面产状和岩石强度范围。

所述顶角是钻孔在其各测点处倾斜方向的垂直平面上偏离铅垂线的角度，其测量是利用地球重力场，以铅垂线为基准，采用液面水平、悬锤的方法测定。

所述方位角即钻孔水平投影偏离磁北方向的角度，水平面上的钻孔轴线上某点切线方向与地球磁北方向的夹角，其测量原理是利用地球磁场，以地球磁子午线为定向基准，用磁罗盘测量。

所述岩石结构面是具有一定形态而且普遍存在的地质构造迹象的岩石平面或曲面，其按力学性质不同分为挤压面、张裂面、扭裂面、压扭面、张扭面五种结构面性状。

所述矿物微区测试是在矿物微小区域内即数微米以下直接分析研究应力矿物及其物理和化学性质改变、矿物表面形态、结构特征的一类专门技术，目前普遍使用电离子探针、激光探针、扫描电子显微镜、分析电子显微镜等仪器来进行矿物微区测试。本发明采用离子探针法对取出岩芯进行微量元素和同位素测试分析岩体的矿物组成，从而得到岩层的类别、温度、应力状态和结构面产状。

所述岩石强度范围是石灰岩的抗压强度范围，由于石灰岩为脆性材料，其强度检测以抗压强度为主，抗剪强度由抗压强度除以sin45°换算得到。

第二步、测量放样标定导墙位置：平整场地，清除地面障碍物，然后在待施工导墙两端位置布设平面与高程控制点，根据施工设计图纸、场地加密控制点间距及导墙外放情况，计算确定导墙中线坐标；再利用全站仪的坐标外放功能现场打标志桩拉通，标定导墙中线和开挖边线实际位置，在开挖边线处撒白石灰成线，导墙测量放样完成。

优选地，所述标志桩为桩身长1m的楔形尖木桩，采用普通桩锤在指定位置人工锤击至入土深度为400mm左右。

第三步、导墙施工，确定冲孔孔位分布：施工导墙，导墙验收合格后，测定地下连续墙平行于导墙的中轴线，按地下连续墙厚度确定冲孔直径d，划分主冲孔孔位，圆心沿地下连续墙的中轴线分布，相邻主孔位的圆心距设为1.5d；然后以相邻主孔位中心连线的中点为圆心，划分副冲孔孔位。

优选地，所述导墙施工，具体包括：开挖导墙沟槽，钢筋笼绑扎并下放，然后树立模板，待钢筋笼与模板验收合格后浇捣混凝土；所述导墙施工分段进行，分段长度根据模板长度和规范确定控制在30～50m范围内。

第四步、钻设导孔，安装导杆：采用旋挖钻机在主冲孔孔心处施工竖向导孔，钻入钢导杆，作为主引导杆；随后在副冲孔孔心处施工安装副引导杆，施工方法与主引导杆相同。

优选地，所述导孔的初始钻孔深度即为初始设计孔深，随后随着冲岩进度，钻孔深度逐步下移；导孔的直径大于引导杆直径，直径增量大小以保证引导杆能够顺利插入且不致滑脱；所述初始设计孔深即为上覆土层厚度加上导杆入岩深度的总和。

优选地，所述引导杆为分节式钢导杆，单根导杆间用螺纹连接，引导杆直径由稳定性验算确定；地下连续墙表面以上的引导杆长度大于重锤提升高度；引导杆的底端埋入待冲击岩面以下，并随着冲岩进度逐步下移，保持引导杆入岩深度在安全范围以内。

更优选地，所述稳定性验算，按如下公式计算引导杆最小直径d_min：

$P_{\mathrm{cr}}=\frac{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{{\left(\mathrm{\μl}\right)}^2},$ $I=\frac{\mathrm{\π}{d_{\min }}^4}{64}$

式中P_cr为引导杆失稳临界压力，这里取为重锤与引导杆间摩阻力，即P_cr=υmg，υ为铸铁重锤与钢导杆间动摩擦系数，υ=0.08，m为重锤质量，g为重力加速度；E为钢导杆弹性模量，200GPa；μ为长度系数，取μ=2；l为引导杆有效长度，为重锤提升高度。

更优选地，所述引导杆入岩深度由结构计算确定，依据第一步中所测得岩石强度，并结合引导杆及重锤质量，确保可固定引导杆不致歪斜或滑脱。

第五步、重锤冲岩，成槽机抓取碎岩：提升重锤，依据所确定的冲孔孔位，将重锤轴心孔对准引导杆穿入，随后沿引导杆方向用重锤锤击岩面，每一锤击进尺施工完成后立即用成槽机挖出碎岩；本步骤的施工顺序为由两侧向中间、先主冲孔后副冲孔。

优选地，所述重锤的质量m通过对岩层强度做冲切验算确定，所述重锤的锤底直径即为冲孔孔径；所述重锤的轴心处中空构造，轴心孔孔径大于引导杆直径，用来插入引导杆以保证其垂直度；所述重锤的锤身为十字圆台体；所述重锤的锤底设置合金齿，所述合金齿按十字雪花状分布。

第六步、方锤刷壁，连孔成槽：在主副冲孔中心连线的中点处，用方锤清扫主副冲孔交界处的槽壁残余突出岩梗，连孔成槽。

第七步、清理槽底，成槽施工完成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过布设引导杆确保成槽的垂直精度，以冲抓结合的方式施工；使用中空十字雪花锤沿引导杆冲击岩面，锤击效果良好，成槽质量较高；本发明相比于其他成槽施工方法，施工效果好、成槽速度快、施工工序简便、工程周期大大缩减。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中中空矽钢合金齿十字雪花锤构造示意图；

图2为本发明一实施例的中空矽钢合金齿十字雪花锤构造示意图；

图3为本发明一实施例微风化岩中重锤沿引导杆冲岩施工示意图；

图4为本发明一实施例上覆砂土微风化岩中成槽施工步骤示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例所述一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，用于某场地拟建一地铁站，车站外包总长度为260m，区域内土层类型为上覆砂土的微风化石灰岩层，拟采用中空矽钢合金齿重锤沿导杆冲岩的方式进行地下连续墙的成槽施工，成槽深度为20m，施工步骤如图3所示。

具体施工步骤简述如下：

步骤一、每隔50m布设钻探孔位，钻至20m深，然后取出岩芯，依据钻孔弯曲参数，确定待施工区域内岩面与地下连续墙表面的距离为7～11m，成槽入岩深度为9～13m，岩面倾斜方向复杂，倾斜角为15°～30°，石灰岩层的抗压强度在50～100MPa之间。

步骤二、依据城市坐标系统，在现场布设两个平面控制点与两个高程控制点，控制点间距为50m；地下连续墙设计宽度800mm，导墙厚200mm，导墙外放100mm；设计图纸中导墙的中线坐标加上导墙外放距离，即为导墙中线的实际坐标；用全站仪现场坐标外放并打好标志桩，标定导墙中线和开挖边线实际位置，撒好灰线；待验收合格后，导墙测量放样完成。

步骤三、依据步骤二所确定位置施工导墙。

本实施例中导墙深度为1.5m，采用混凝土现浇方式分段施工，每段长度为50m；导墙验收合格后，按直径d＝800mm的圆划分主冲孔孔位，圆心沿地下连续墙的中轴线分布，相邻主孔位的圆心距为1200mm；然后以相邻主孔位中心连线的中点为圆心，划分直径d＝800mm的副冲孔孔位；本实施例按每6m分段施工，每段布设冲孔数为9个。

步骤四、采用旋挖钻机钻孔，施工主引导杆与副引导杆。

本实施例中初始钻孔深比岩面深0.5m，由实际岩面深度确定，钻孔直径120mm。

本实施例中引导杆为分节式钢导杆，导杆直径100mm，每节导杆长度为1m，单根导杆间用螺纹连接；地下连续墙表面以上的导杆长度比重锤提升高度大0.5m；导杆底端埋入待冲击岩面以下，并随着冲岩进度逐步下移，保持导杆的入岩深度在0.5～1m之间。

步骤五、依据所确定的冲孔孔位，将重锤中心对准导杆穿入，随后沿导杆方向用重锤锤击岩面，如图3所示为重锤沿引导杆冲岩施工示意图。

本实施例采用的重锤质量m为3t，轴心处中空构造，轴心孔1孔径120mm；重锤的锤身为十字圆台体，锤身中部用钢筋2捆扎；重锤的底面4上设置矽钢合金齿3，矽钢合金齿3按十字雪花状分布，相邻矽钢合金齿3通过钢筋2连接；重锤距离待冲岩面的提升高度为3m，锤击进尺为400mm；每一进尺施工完成后，立即用成槽机挖出碎岩；本步骤的施工顺序为由两侧向中间，先主冲孔后副冲孔。如图1所示为使用的中空矽钢合金齿十字雪花锤纵面示意图；如图2所示为使用的中空矽钢合金齿十字雪花锤底面示意图。

步骤六、待冲孔施工完成后，用方锤清扫槽壁残余突出岩梗，连孔成槽。

本实施例中方锤的锤面长l＝1600mm，宽b＝800mm，锤面四周加焊60mm厚、400mm高的矽钢合金齿。

步骤七、待槽壁清扫完成后，用液压抓斗清除槽底碎岩，然后用泵吸反循环系统清除抓斗无法抓除的细小石渣和泥浆；槽底清理结束后，整个地下连续墙的成槽施工结束。

本实施例的效果：采用引导杆配合中空重锤进行冲岩施工，成槽的垂直精度达到1/400以上，且避免了重锤沿岩面发生滑移的危险，有效提高了工程质量，并且加快施工进程，显著提高了工程的经济效益。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，所述施工方法包含如下步骤：

第一步，成槽区域钻孔取芯，确定岩面性状；

所述钻孔取芯是根据待成槽区域大小布设测试孔位，分别钻探至成槽施工所需的深度取出岩芯，并根据成槽区域大小和规范确定钻孔的数量和间距，测试孔位沿地下连续墙中轴线的两侧交错布置；

所述岩面性状是通过钻孔取芯确定成槽施工区域的岩面深度与待挖厚度，确定岩石结构面与钻孔弯曲方向或地球磁北方向之间关系，测得钻孔弯曲参数即顶角、方位角，然后利用矿物微区测试技术，根据受应力作用岩石的组构类型或干涉色对比和产生的应力矿物特征，推测出结构面的应力性质，确定岩石结构面产状和岩石强度范围；

第二步、测量放样标定导墙位置：平整场地，清除地面障碍物，然后在待施工导墙两端位置布设平面与高程控制点，根据施工设计图纸、场地加密控制点间距及导墙外放情况，计算确定导墙中线坐标；再利用全站仪的坐标外放功能现场打标志桩拉通，标定导墙中线和开挖边线实际位置，在开挖边线处撒白石灰成线，导墙测量放样完成；

第三步、导墙施工，确定冲孔孔位分布：施工导墙，导墙验收合格后，测定地下连续墙平行于导墙的中轴线，按地下连续墙厚度确定冲孔直径d，划分主冲孔孔位，圆心沿地下连续墙的中轴线分布，相邻主孔位的圆心距设为1.5d；然后以相邻主孔位中心连线的中点为圆心，划分副冲孔孔位；

第四步、钻设导孔，安装导杆：采用旋挖钻机在主冲孔孔心处施工竖向导孔，钻入钢导杆，作为主引导杆；随后在副冲孔孔心处施工安装副引导杆，施工方法与主引导杆相同；

第五步、重锤冲岩，成槽机抓取碎岩：提升重锤，依据所确定的冲孔孔位，将重锤轴心孔对准引导杆穿入，随后沿引导杆方向用重锤锤击岩面，每一锤击进尺施工完成后立即用成槽机挖出碎岩；本步骤施工顺序为由两侧向中间、先主冲孔后副冲孔；

第六步、方锤刷壁，连孔成槽：在主副冲孔中心连线的中点处，用方锤清扫主副冲孔交界处的槽壁残余突出岩梗，连孔成槽；

第七步、清理槽底，成槽施工完成。

2.根据权利要求1所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于：

所述顶角即钻孔在其各测点处倾斜方向的垂直平面上偏离铅垂线的角度，其测量是利用地球重力场，以铅垂线为基准，采用液面水平、悬锤的方法测定；

所述方位角即钻孔水平投影偏离磁北方向的角度，水平面上的钻孔轴线上某点切线方向与地球磁北方向的夹角，其测量原理是利用地球磁场，以地球磁子午线为定向基准，用磁罗盘测量；

所述矿物微区测试是采用离子探针法对取出岩芯进行微量元素和同位素测试分析岩体的矿物组成，从而得到岩层的类别、温度、应力状态和结构面产状；

所述岩石强度范围是石灰岩的抗压强度范围，石灰岩为脆性材料，其强度检测以抗压强度为主，抗剪强度由抗压强度除以sin45°换算得到。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，第二步中：所述标志桩为桩身长1m的楔形尖木桩，采用普通桩锤在指定位置人工锤击至入土深度为400mm。

4.根据权利要求1-2任一项所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，第三步中：所述导墙施工具体包括：开挖导墙沟槽，钢筋笼绑扎并下放，然后树立模板，待钢筋笼与模板验收合格后浇捣混凝土；所述导墙施工分段进行，分段长度根据模板长度和规范确定控制在30～50m范围内。

5.根据权利要求1所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，第四步中：

所述导孔的初始钻孔深度即为初始设计孔深，随后随着冲岩进度，钻孔深度逐步下移；导孔的直径大于引导杆直径，直径增量大小以保证引导杆能够顺利插入且不致滑脱；所述初始设计孔深即为上覆土层厚度加上导杆入岩深度的总和。

6.根据权利要求1或5所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，第四步中：

所述引导杆为分节式钢导杆，单根导杆间用螺纹连接，引导杆直径由稳定性验算确定；地下连续墙表面以上的引导杆长度大于重锤提升高度；引导杆的底端埋入待冲击岩面以下，并随着冲岩进度逐步下移，保持引导杆入岩深度在安全范围以内。

7.根据权利要求6所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，所述稳定性验算，按如下公式计算引导杆最小直径d_min：

$P_{\mathrm{cr}}=\frac{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{{\left(\mathrm{\μl}\right)}^2},$ $I=\frac{\mathrm{\π}{d_{\min }}^4}{64}$

式中P_cr即为引导杆失稳临界压力，为重锤与引导杆间摩阻力，即P_cr＝υmg，υ为铸铁重锤与钢导杆间动摩擦系数，υ＝0.08，m为重锤质量，g为重力加速度；E为钢导杆弹性模量，200GPa；μ为长度系数，取μ＝2；l为引导杆有效长度，为重锤提升高度。

8.根据权利要求6所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，所述引导杆入岩深度由结构计算确定，依据第一步中所测得岩石强度，并结合引导杆及重锤质量，确保可固定引导杆不致歪斜或滑脱。

9.根据权利要求1所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，第五步中：所述重锤的质量m通过对岩层强度做冲切验算确定；所述重锤的锤底直径即为冲孔孔径；所述重锤的轴心处中空构造，轴心孔孔径大于引导杆直径，用来插入引导杆以保证其垂直度。

10.根据权利要求1或9所述的一种上覆砂土微风化石灰岩中地下连续墙的有效成槽施工方法，其特征在于，所述重锤的锤身为十字圆台体，所述重锤的锤底设置合金齿，所述合金齿按十字雪花状分布。