论文部分内容阅读
摘要： 硬土层超深地下连续墙成槽技术。研究硬土层地下连续墙成槽技术和槽孔垂直度控制技术，提高成槽效率和槽孔质量。针对超深地下连续墙配制新型护壁泥浆，并分析槽壁的稳定性。
关键词：硬土层、地下连续墙、成槽、铣槽、槽段稳定
1引言
香港昂船洲污水处理厂主泵房及接收井地下连续墙工程，地处风化、半风化的硬岩区，连续墙厚1.5m，深达64m。连续墙施工成槽困难，成槽精度难以控制，且连续墙太深，槽壁不稳定易坍塌工程岩石层一般于60米深，局部存在于40m深左右。观察附近山边的外露的石坡，石质为花岗岩并且风化程度不高，十分坚硬，部分岩层的强度达到了200mpa。
2硬土层成槽难点
（1）成槽效率低
槽壁厚度1.5m，深度最深64m，穿越厚度20m厚的填海层，均为大石块等垃圾，处理非常困难。成槽还要穿越高～微风化岩石，岩石最高强度超过100mpa，成槽难度极大。
（2）垂直度控制困难
地下岩层分布不均，铣槽一旦遇到受力不均的情况纠偏非常困难。成槽容易偏斜。
（3）土层和岩层交界面处铣槽机两侧受力不均匀，容易发生偏斜。一旦发生偏斜，容易造成卡斗事故
3导墙
硬土层岩石硬度大，成槽困难且精度难以控制。为了保证成槽的精度，在成槽之前，应先施工导墙。导墙可以确定地下连续墙的位置，给成槽提供导向。吊放钢筋笼时，还可以作为钢筋笼的支撑基础。
4硬土铣槽技术
液压铣槽机可以在各种不同的地质中进行成槽，例如粘土、砂土、砾石、全风化～微风化岩石、含大块孤石的填土层等，在成槽中，除了利用铣槽机自身性能外，还需要根据不同土层，采用什么样的铣轮、铣轮上配备什么样的牙齿，同时也可以采用其他辅助设备和工具配合液压铣槽机成槽，目的就是用最有效、最快、最经济的配备和成槽工艺，完成不同地质中的成槽。
4. 1铣槽机成槽铣轮选择
根据土层不同，铣槽机分别配备有标准铣轮、锥轮和滚轮，其中标准轮可以满足50mpa以内地层成槽，在杂填土、风化岩、粘土和砂性土层中都可以成槽，锥轮可满足强度100mpa以內地层中成槽，滚轮可满足超过100mpa地层中成槽。
锥轮无法在粘土或含粘性土的风化岩和砂土层中成槽，因为锥轮上不设挂泥板，用锥轮在上述土层中铣槽时，粘性土很容易包裹铣轮，造成铣轮牙齿无法切土，即增加牙耗，又降低成槽效率，同时铣轮被粘土包裹热量无法散发会导致齿轮箱过热发生损坏。
在重锤配合下，锥轮可以在强度150mpa地层以下岩层中成槽，当岩石过硬时用重锤锤击，岩石破碎后再用铣槽机铣削，然后反复锤击铣削直至终孔。
铣槽机铣削表层松软土层时需选用标准轮，在硬岩中成槽时可选用锥轮并搭配重锤，锥轮无法铣削时配合重锤锤击；当岩石过硬时可使用滚轮，滚轮可以铣削高硬度岩石，但是牙耗较高。根据本工程地质情况，选用标准轮和锥轮。
4. 2铣轮牙齿选择
（1）标准轮
综合考虑，本工程标准轮配备SB38ZM中齿和相应的边齿。
4.3成槽效率分析
供、吸浆泵、泥浆分离系统开启后，铣槽机正式开始运转铣槽，即使抓斗清除海泥和填海层时开挖深度已经达到了25m深，但是由于铣槽机平面成槽形状和抓斗成槽形状还是有区别，而且抓斗在处理抛石障碍物成槽过程中纠偏是非常困难的，所以在这25m深范围铣槽机还是从头慢慢向铣，慢慢修复抓斗挖偏的部分，此部分的铣槽速度一般控制在3m/h～8m/h，在纠偏的同时将残余未被清除的抛石一起铣掉。
全风化～高中风化花岗岩铣槽，正式开始铣槽时，在50mpa以内的全风化～中风化花岗岩中成槽速度还是非常快的，通常8～10小时就可以完成铣槽。但铣槽机连续在槽内工作5个小时以上是非常危险的，因此即使铣槽顺利，达到5个小时，铣斗也要拎出地面进行检查并更换磨损牙齿。强度低于50mpa强～高中风化岩石中成槽效率例举P25，P17两个槽段，该两个槽段均为“一期槽”幅成槽宽度6.18m，三铣成槽。
成槽效率和地质关系：在N>200全风化岩～高风化岩中成槽效率3～10m/h；50mpa以内中风化岩～微风化岩成槽速率在2～6m/h。
4.4成槽垂直控制
（1）铣槽机纠偏
铣槽机和液压抓斗成槽机都带有纠偏装置，可以随挖随进行纠偏，确保成槽垂直度要求，在铣槽时保持钢丝绳受力状态，便于控制精度。
（2）超声波检查
用超声波测壁仪器在槽段内左中右三个位置上分别扫描槽壁壁面，检查槽壁壁面的垂直精度。
5护壁泥浆
5.1常规泥浆的缺点
传统地下连续墙施槽壁泥浆主要采用细分散淡水泥浆。这种泥浆配制简易，多用于粘结力很强的粘性土。但这类泥浆也有如下缺点：
（1）泥浆性能不稳定，易受外界离子（特别是高价阳离子）的影响，对外界的Ca2+、Mg2+等离子非常敏感。
（2）泥浆中粘土颗粒分散细，固相含量高，塑变性能差，因此成槽效率低。
（3）分散性泥浆，护壁固壁能力较差，而且不仅泥浆粘度和切力较高，泥浆难以净化，而且槽壁不易维护，特别是“水敏性”（含水量丰富的砂性）地层，易造成坍塌事故。
在超深地下墙施工中，该常规泥浆还有以下不足
（1）超深地下墙各道工序施工较慢，如果泥浆稳定性和携渣能力不够足的话，会造成地下墙沉渣堆积，由于地下墙施工的特殊性，当地下墙钢筋笼放好后，又很难采取有效措施清除槽内沉渣，厚的沉渣会造成地下墙后期产生沉降和增加地下墙接缝夹泥的风险。
（2）超深地下墙施工中，由于槽孔暴露时间长，泥浆受有害离子侵蚀的时间也长，尤其是长时间混凝土浇灌过程中，混凝土中有害离子对泥浆的侵蚀往往是致命性的，泥浆化学性质容易发生恶化，一旦施工过程处理不当，就会造成泥浆护壁性能、携渣能力下降，降低施工质量。 （3）铣槽机在进行二期槽切割地下墙过程中，切碎的混凝土碎粒会污染泥浆，导致泥浆PH和粘度超标，甚至增加泵送困难。
5.2新型护壁泥浆
（1）新型泥浆基本性能
为解决常规泥浆在地下墙施工中，尤其是在超深地下墙施工中其护壁性能、携渣能力、稳定性、回收处理等种种方面的不足，我们选用新型的复合钠基膨润土泥浆。
新型泥浆名称为“GTC-4复合钠基膨润土”，是一种高造浆率、添加特制聚合物的200目钠基膨润土，适合于各种土层，尤其是超深地下墙的护壁要求。
复合钠基膨润土泥浆由钠基膨润土和高分子量聚合物、添加剂组成。复合钠基膨润土泥浆作用的机理为，聚合物分子黏着于槽壁表面，膨润土颗粒连同聚合物分子对槽壁起胶结作用
（2）新型泥浆特性
1）较低的固相含量。配制泥浆膨润土加量少，只有3%～4%。
2）具有一定的选择性絮凝作用。
3）泥浆化学稳定性强，携砂能力强
4）低密、低切力
5）配制简单，快速。
（3）新型泥浆配制
加入新型钠基膨润土泥浆到喷射混合器中，喷射循环一个以上的体积循环周期，混合比率以使用淡水为基础，配浆用水的纯净度将影响膨润土的性能，在配浆前，加入适当的纯碱，将酸性水或硬性水的PH值调整到8～9，可达到最佳效果。
5.3成槽穩定性计算
铣接法地下连续墙成槽后，需用泥浆固壁护壁。如果泥浆护壁的效果不好，则会导致槽孔坍塌，所以需对铣接法成槽的稳定性进行分析。保证地下连续墙成槽施工后槽孔稳定不坍塌的条件就是护壁泥浆的压力大于土压力与地下水压力之和。根据此槽孔稳定性条件对铣接法成槽的稳定性进行分析。
通常地下连续墙的槽孔稳定性安全系数采用较松软的土壤获取的临界结果，认为适合膜壁挖掘的安全系数为1.2。
（1）侧向土压力的计算方法
6小结
（1）液压铣槽机可以在各种不同的地质中进行成槽，根据硬土层的岩层分布情况，为铣槽机的铣轮和牙齿选型，选用最经济最有效的铣槽设备及工艺成槽。
（2）由于常规护壁泥浆的缺陷，本章研究配制了新型的成槽护壁泥浆GTC-4复合钠基膨润土，该泥浆稳定性好，护壁能力强。
（3）根据槽壁稳定理论，分析铣接法成槽后用GTC-4复合钠基膨润土护壁的连续墙槽壁的稳定性，通过分析计算得出，GTC-4复合钠基护壁的槽壁稳定性良好，满足工程的要求。
关键词：硬土层、地下连续墙、成槽、铣槽、槽段稳定
1引言
香港昂船洲污水处理厂主泵房及接收井地下连续墙工程，地处风化、半风化的硬岩区，连续墙厚1.5m，深达64m。连续墙施工成槽困难，成槽精度难以控制，且连续墙太深，槽壁不稳定易坍塌工程岩石层一般于60米深，局部存在于40m深左右。观察附近山边的外露的石坡，石质为花岗岩并且风化程度不高，十分坚硬，部分岩层的强度达到了200mpa。
2硬土层成槽难点
（1）成槽效率低
槽壁厚度1.5m，深度最深64m，穿越厚度20m厚的填海层，均为大石块等垃圾，处理非常困难。成槽还要穿越高～微风化岩石，岩石最高强度超过100mpa，成槽难度极大。
（2）垂直度控制困难
地下岩层分布不均，铣槽一旦遇到受力不均的情况纠偏非常困难。成槽容易偏斜。
（3）土层和岩层交界面处铣槽机两侧受力不均匀，容易发生偏斜。一旦发生偏斜，容易造成卡斗事故
3导墙
硬土层岩石硬度大，成槽困难且精度难以控制。为了保证成槽的精度，在成槽之前，应先施工导墙。导墙可以确定地下连续墙的位置，给成槽提供导向。吊放钢筋笼时，还可以作为钢筋笼的支撑基础。
4硬土铣槽技术
液压铣槽机可以在各种不同的地质中进行成槽，例如粘土、砂土、砾石、全风化～微风化岩石、含大块孤石的填土层等，在成槽中，除了利用铣槽机自身性能外，还需要根据不同土层，采用什么样的铣轮、铣轮上配备什么样的牙齿，同时也可以采用其他辅助设备和工具配合液压铣槽机成槽，目的就是用最有效、最快、最经济的配备和成槽工艺，完成不同地质中的成槽。
4. 1铣槽机成槽铣轮选择
根据土层不同，铣槽机分别配备有标准铣轮、锥轮和滚轮，其中标准轮可以满足50mpa以内地层成槽，在杂填土、风化岩、粘土和砂性土层中都可以成槽，锥轮可满足强度100mpa以內地层中成槽，滚轮可满足超过100mpa地层中成槽。
锥轮无法在粘土或含粘性土的风化岩和砂土层中成槽，因为锥轮上不设挂泥板，用锥轮在上述土层中铣槽时，粘性土很容易包裹铣轮，造成铣轮牙齿无法切土，即增加牙耗，又降低成槽效率，同时铣轮被粘土包裹热量无法散发会导致齿轮箱过热发生损坏。
在重锤配合下，锥轮可以在强度150mpa地层以下岩层中成槽，当岩石过硬时用重锤锤击，岩石破碎后再用铣槽机铣削，然后反复锤击铣削直至终孔。
铣槽机铣削表层松软土层时需选用标准轮，在硬岩中成槽时可选用锥轮并搭配重锤，锥轮无法铣削时配合重锤锤击；当岩石过硬时可使用滚轮，滚轮可以铣削高硬度岩石，但是牙耗较高。根据本工程地质情况，选用标准轮和锥轮。
4. 2铣轮牙齿选择
（1）标准轮
综合考虑，本工程标准轮配备SB38ZM中齿和相应的边齿。
4.3成槽效率分析
供、吸浆泵、泥浆分离系统开启后，铣槽机正式开始运转铣槽，即使抓斗清除海泥和填海层时开挖深度已经达到了25m深，但是由于铣槽机平面成槽形状和抓斗成槽形状还是有区别，而且抓斗在处理抛石障碍物成槽过程中纠偏是非常困难的，所以在这25m深范围铣槽机还是从头慢慢向铣，慢慢修复抓斗挖偏的部分，此部分的铣槽速度一般控制在3m/h～8m/h，在纠偏的同时将残余未被清除的抛石一起铣掉。
全风化～高中风化花岗岩铣槽，正式开始铣槽时，在50mpa以内的全风化～中风化花岗岩中成槽速度还是非常快的，通常8～10小时就可以完成铣槽。但铣槽机连续在槽内工作5个小时以上是非常危险的，因此即使铣槽顺利，达到5个小时，铣斗也要拎出地面进行检查并更换磨损牙齿。强度低于50mpa强～高中风化岩石中成槽效率例举P25，P17两个槽段，该两个槽段均为“一期槽”幅成槽宽度6.18m，三铣成槽。
成槽效率和地质关系：在N>200全风化岩～高风化岩中成槽效率3～10m/h；50mpa以内中风化岩～微风化岩成槽速率在2～6m/h。
4.4成槽垂直控制
（1）铣槽机纠偏
铣槽机和液压抓斗成槽机都带有纠偏装置，可以随挖随进行纠偏，确保成槽垂直度要求，在铣槽时保持钢丝绳受力状态，便于控制精度。
（2）超声波检查
用超声波测壁仪器在槽段内左中右三个位置上分别扫描槽壁壁面，检查槽壁壁面的垂直精度。
5护壁泥浆
5.1常规泥浆的缺点
传统地下连续墙施槽壁泥浆主要采用细分散淡水泥浆。这种泥浆配制简易，多用于粘结力很强的粘性土。但这类泥浆也有如下缺点：
（1）泥浆性能不稳定，易受外界离子（特别是高价阳离子）的影响，对外界的Ca2+、Mg2+等离子非常敏感。
（2）泥浆中粘土颗粒分散细，固相含量高，塑变性能差，因此成槽效率低。
（3）分散性泥浆，护壁固壁能力较差，而且不仅泥浆粘度和切力较高，泥浆难以净化，而且槽壁不易维护，特别是“水敏性”（含水量丰富的砂性）地层，易造成坍塌事故。
在超深地下墙施工中，该常规泥浆还有以下不足
（1）超深地下墙各道工序施工较慢，如果泥浆稳定性和携渣能力不够足的话，会造成地下墙沉渣堆积，由于地下墙施工的特殊性，当地下墙钢筋笼放好后，又很难采取有效措施清除槽内沉渣，厚的沉渣会造成地下墙后期产生沉降和增加地下墙接缝夹泥的风险。
（2）超深地下墙施工中，由于槽孔暴露时间长，泥浆受有害离子侵蚀的时间也长，尤其是长时间混凝土浇灌过程中，混凝土中有害离子对泥浆的侵蚀往往是致命性的，泥浆化学性质容易发生恶化，一旦施工过程处理不当，就会造成泥浆护壁性能、携渣能力下降，降低施工质量。 （3）铣槽机在进行二期槽切割地下墙过程中，切碎的混凝土碎粒会污染泥浆，导致泥浆PH和粘度超标，甚至增加泵送困难。
5.2新型护壁泥浆
（1）新型泥浆基本性能
为解决常规泥浆在地下墙施工中，尤其是在超深地下墙施工中其护壁性能、携渣能力、稳定性、回收处理等种种方面的不足，我们选用新型的复合钠基膨润土泥浆。
新型泥浆名称为“GTC-4复合钠基膨润土”，是一种高造浆率、添加特制聚合物的200目钠基膨润土，适合于各种土层，尤其是超深地下墙的护壁要求。
复合钠基膨润土泥浆由钠基膨润土和高分子量聚合物、添加剂组成。复合钠基膨润土泥浆作用的机理为，聚合物分子黏着于槽壁表面，膨润土颗粒连同聚合物分子对槽壁起胶结作用
（2）新型泥浆特性
1）较低的固相含量。配制泥浆膨润土加量少，只有3%～4%。
2）具有一定的选择性絮凝作用。
3）泥浆化学稳定性强，携砂能力强
4）低密、低切力
5）配制简单，快速。
（3）新型泥浆配制
加入新型钠基膨润土泥浆到喷射混合器中，喷射循环一个以上的体积循环周期，混合比率以使用淡水为基础，配浆用水的纯净度将影响膨润土的性能，在配浆前，加入适当的纯碱，将酸性水或硬性水的PH值调整到8～9，可达到最佳效果。
5.3成槽穩定性计算
铣接法地下连续墙成槽后，需用泥浆固壁护壁。如果泥浆护壁的效果不好，则会导致槽孔坍塌，所以需对铣接法成槽的稳定性进行分析。保证地下连续墙成槽施工后槽孔稳定不坍塌的条件就是护壁泥浆的压力大于土压力与地下水压力之和。根据此槽孔稳定性条件对铣接法成槽的稳定性进行分析。
通常地下连续墙的槽孔稳定性安全系数采用较松软的土壤获取的临界结果，认为适合膜壁挖掘的安全系数为1.2。
（1）侧向土压力的计算方法
6小结
（1）液压铣槽机可以在各种不同的地质中进行成槽，根据硬土层的岩层分布情况，为铣槽机的铣轮和牙齿选型，选用最经济最有效的铣槽设备及工艺成槽。
（2）由于常规护壁泥浆的缺陷，本章研究配制了新型的成槽护壁泥浆GTC-4复合钠基膨润土，该泥浆稳定性好，护壁能力强。
（3）根据槽壁稳定理论，分析铣接法成槽后用GTC-4复合钠基膨润土护壁的连续墙槽壁的稳定性，通过分析计算得出，GTC-4复合钠基护壁的槽壁稳定性良好，满足工程的要求。