沈良杰
(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300450)
1.1 工程简介
广州鱼珠隧道南起海珠区新港东路，向北下穿珠江和黄埔大道，与现状珠吉路相接。江中沉管段长935 m，沉管浮运沉放前开挖基槽需拆除围堰和珠江两岸现状堤防结构，基槽开挖后临空面最大高度为19.55 m，在既有护岸后方设置加强护岸起临时支挡作用。加强护岸主要采用带锚索和灌注桩的遮帘式地连墙[1-2]，但主线与护岸斜交的锐角区域施工锚索将侵入基坑，因此靠近主线区域采用格构式地连墙。
该结构由前墙、后墙和中隔墙组成1个工字形格构单元，共5个单元，连续墙顶部设置宽度为9 m、厚度为1 m的卸荷承台。前墙与后墙为T形地连墙(其中E单元与主线斜交，前墙与后墙均为V字形地连墙)，幅宽为5.0 m+1.5 m，一字形中隔墙幅宽4 m，前后墙的肋墙与中隔墙之间采用双十字穿孔钢板刚性接头连接，相邻工字单元之间接头形式为工字钢柔性接头，墙间土体采用水泥搅拌桩满堂加固。地连墙厚度为1 m、深度为33 m，结构见图1。
图1 格构式地连墙平面结构(单位：mm)
1.2 地质条件
加强护岸承台顶面高程+8.00 m，墙顶高程+7.00 m，墙底高程-26.00 m。格构式地连墙穿越地层自上而下如图2所示，中风化带主要成分为粉砂岩、粗砂岩，饱和单轴极限抗压强度平均24.6 MPa。场地地下水混合稳定水位埋深一般为0.80～2.20 m。
图2 地质断面
格构式地连墙为自立式复合支挡结构，依靠自身刚性抵抗水土压力，其受力机理为后墙和中隔墙对前墙起牵拉作用，使结构整体保持稳定[3-4]。双十字穿孔钢板与中隔墙、前后墙混凝土咬合嵌固，使格构单元形成整体，除有效传递拉力外，还有承受直缝剪力和止水的作用。由此可见，刚性接头连接质量是施工关键环节。
目前同类工程中，十字钢板接头施工方法比较单一，即逐幅施工地连墙，在接头随钢筋笼入槽后吊放接头箱，先期槽段浇筑完成后拔出接头箱，后期槽段成槽后采用刷壁器对十字钢板进行刷壁，清除附着物[5-8]，然后重复先期槽段步骤循环施工。
采用传统的接头箱和刷壁工艺面临以下问题：①深度超过30 m的接头箱安装精度难以保证[9]，穿孔钢板变形时下放困难，顶拔时机不易把握，顶拔耗时长，所需顶力较大，可能破坏导墙，引起事故。②本工程接头形式为双十字穿孔钢板，间距较小，若采用底部回填砂袋、碎石的方法降低接头箱深度，则回填物无法清理或清理效率低、效果差。③钢板孔内的绕流物清理困难，需采用特制的刷壁器，刷壁过程可能导致钢板变形加剧甚至焊缝断裂，轻则影响相邻幅钢筋笼沉放，重则降低格构单元的工作性能。④本工程刚性接头数量少(两岸一共20个)，市场上无此类型接头箱和刷壁器，定制利用率低，不经济。
改进工艺为格构单元整体施工，即1个格构单元3幅地连墙同时成槽，1次浇筑完成。此工艺优点是实现刚性接头无缝施工，避免使用接头箱和刷壁，单元浇筑后形成一个整体，更有利于墙间拉力传递，施工速度快，成本低，可解决传统工艺的所有问题。缺点是同时成槽幅宽较大，浇筑时车辆荷载较大，不利于槽壁稳定。
3.1 深层搅拌桩辅助成槽技术
单元整体开挖时，中隔墙所在的轴线成槽幅宽达到9 m，超过了设计建议幅宽。基岩上部地层抗剪强度低且穿越粉细砂、中砂层，格构单元之间已满堂加固，但前后墙外侧特别是拐角处仍有塌孔风险[10]，因此参照满堂加固体系，在墙外侧设置单排辅助成槽水泥搅拌桩，桩底与基岩相接，平均桩长14 m，桩径600 mm，间距500 mm，水泥掺量18%。搅拌桩采用4搅4喷工艺，水灰比0.5∶1，出口压力0.4～0.6 MPa，预期效果28 d龄期桩身强度达到0.8 MPa，实际14 d龄期强度已超过1 MPa，加固效果良好。
搅拌桩成桩过程中有16根桩在4.2～5.7 m深度范围无法钻进，经调查分析，障碍物为既有护岸抛石护脚时扩散的孤石。采用旋挖钻干作业取出孤石，回填密实后在每处旋挖区域补充2根搅拌桩。
3.2 成槽质量控制技术
3.2.1 施工顺序
总体施工顺序为B单元→D单元→A单元→C单元→E单元，其中B、D单元为首开幅，其余为闭合幅。对于1个格构单元，将单元分为3个直槽段，首先同步开挖前后墙直槽段，保留中隔墙轴线核心土，最后开挖中隔墙轴线槽段。
3.2.2 施工步骤
减少槽壁暴露时间对于防止槽壁坍塌有重要意义，根据地质情况和现场机械配置，采用组合方式成槽，缩短成槽时间。以B单元前墙直槽段为例，第1步：旋挖钻机引主孔至设计标高。考虑前墙间工字钢柔性接头处加宽，引孔数量为7个，4个主孔、3个副孔间隔设置。第2步：成槽机抓土至基岩面并抓出主孔钻渣。第3步：2台冲击钻机同时引副孔至设计标高。第4步：成槽机抓出钻渣后用冲击钻机换方锤修槽。第5步：成槽机间隔1 m细抓槽底沉渣。
后墙施工步骤与前墙相同，旋挖钻机引完前墙主孔后即转入后墙引主孔。
中隔墙轴线幅宽7 m，引孔数量为8个，不再区分主副孔，采用旋挖钻机由靠近前墙一端开始顺序引孔。为避免机械互相干扰，中隔墙引第1个孔在前墙修槽完成后进行，引第6个孔在后墙修槽完成后进行。引孔工况见图3。
图3 中隔墙轴线旋挖钻机引孔
此成槽步骤相比“两钻一抓”工艺，好处是对地质条件有更强的针对性，充分发挥旋挖钻机良好的垂直导向作用；
冲击钻机引副孔时基岩两侧凌空，受力面积减小[11]，采用高频大冲程引孔效率极高；
两个槽段同时引孔，也提高了旋挖钻机利用率和格构单元整体施工速度。
3.2.3 控制成槽质量的技术措施
为保证成槽质量和稳定槽壁，采取如下技术措施：①导墙强度达到设计要求后在机械行走区域铺设20 mm厚钢板(导墙附近采用40 mm厚钢板)。②通过岩样与标高判定地层性质，根据地质特性调整泥浆参数。循环泥浆比重在标准范围内接近上限值，采用1.20～1.25 g/mL，二次清孔后比重控制在1.10～1.15 g/mL。保持泥浆液面高度在导墙下0.2 m，高于地下水位0.5 m。穿越砂层时，适量提高增粘剂用量，保持粘度在22～28 s。用筛分机持续除砂，控制含砂率小于3%。③旋挖钻在砂层中作业时用低转速钻进，在黏土层持续加压，保持高转速、低负荷钻进。成槽机闭斗缓慢入槽后再张开，避免激起泥浆波浪，抓土后缓慢提升，防止抓斗下方形成负压区。④每20 m采用超声波检测槽壁垂直度，有偏槽及时修正。⑤在中隔墙轴线导墙设观测点，定时用全站仪观测位移和沉降，位移或位移速率达到预警值时及时预警。
地连墙成槽终孔时采用超声波进行垂直度检测，T形地连墙每幅检测6个点，一字形中隔墙每幅检测4个点，5个格构单元共计检测80个点，垂直度偏差均在100 mm以内，满足规范小于1/300深度的要求。
3.3 双十字穿孔钢板变形控制技术
1个刚性接头由3块隔板和2块穿孔钢板焊接组成。穿孔钢板为Q345材质、厚度12 mm，隔板为Q235材质，厚度10 mm。每块钢板长33 m，分6段加工，其中5段长度为6 m，1段长度为3 m。接头布置见图4。
图4 刚性接头平面布置(单位：mm)
3.3.1 焊接变形控制
焊接变形主要表现为钢板局部受热后呈现平面卷曲状态，究其原因：一是焊缝位置线能量输入过大[12]，二是钢板刚度不足。现场采取如下应对措施：①采用CO2气体保护焊，焊接前在相同环境下进行试焊，掌握最佳电压、电流和焊接速度，尽量减小线能量输入。②分段焊接，减少热量积累，每段纵焊缝焊接完成后再焊横焊缝，最后与钢筋笼主筋焊接，每段纵焊缝由双人对称焊接，从中间向两端退焊。③焊接纵焊缝时采用无缝钢管对穿孔钢板进行刚性固定，约束卷曲变形，焊缝自然冷却后再松开。
3.3.2 吊装变形控制
刚性接头随T型钢筋笼起吊时(见图5)穿孔钢板与起吊平面垂直，作为肋板受力，不容易卷曲。另外在钢筋笼主筋和穿孔钢板间增加3排U形补强筋，间距1 m梅花形布置，U形筋两侧分别与穿孔钢板和主筋满焊[13]。
图5 双十字穿孔钢板随T形钢筋笼吊装入槽
双十字钢板焊接完成后用钢尺测量卷曲变形，方法为测量穿孔钢板相对于隔板中轴线距离，与设计距离差值作为变形值，每2 m测1个点，每套接头共计32个测点，变形值均在100 mm以内。
3.4 异形幅钢筋笼吊装技术
E单元与主线共用地连墙，前墙与后墙均为V字形。钢筋笼采用双吊机抬吊，主吊机为320 t履带吊，副吊机为150 t履带吊，共设8个吊点，其中横向吊点2排，纵向吊点4排。整体吊装过程为双机水平起吊离开地面50 cm，观察无异常后主吊机提升，副吊机向主吊机靠近完成空中竖直，此时解开副吊机吊绳，由主吊机水平搬运至孔口下放。
以E单元前墙V形钢筋笼为例计算横向吊点，如图6所示以外角点为原点建立x-y坐标轴。
假设截面均质，根据组合截面形心计算方法可求出重心坐标x=2 340 mm，y=990 mm。然后计算截面对形心主惯性轴x1-y1的惯性矩和惯性积，可求出主惯性轴y1与原坐标轴x的夹角为73°，形心主惯性轴的横轴与钢筋笼两侧中线交点为吊点位置[14]。图中a、d为笼顶吊点位置，b、c为另外3排
图6 V形钢筋笼吊点计算槽
吊点位置，其纵向间距根据弯矩平衡定理确定。4排吊点将长度为33 m的钢筋笼分为5段，经计算每段长度自上而下分别为3.15 m、8.90 m、8.90 m、8.90 m、3.15 m。
实际吊装过程中笼顶的吊点位置，需同时考虑水平和垂直起吊两种工况，应设置在地连墙顶1 m位置的第一道水平钢筋处[15]。实际钢筋笼上密下疏，同时吊装过程中重心也会向笼顶方向移动，故吊点位置应偏向笼顶调整。纵向吊点分段长度分别调整为自上而下1 m、10 m、10 m、10 m、2 m。
3.5 格构单元整体浇筑技术
格构单元平面面积为17 m2，计算方量561 m3，每辆混凝土罐车运输方量为8 m3，考虑充盈系数，总车次超过70车。采用7套导管同步浇筑，前后墙槽段各设置3套导管，中隔墙槽段设置1套导管，导管布置方式见图7。受槽段周边场地限制，孔口只能容纳5辆罐车到导管前直接卸料，另外2根导管配合2台临时租用的49 m天泵布料。直接卸料的导管采用专用起落架固定和拆除，天泵对应的2根导管用简易支架配合既有的2台履带吊固定和拆除。
图7 格构单元导管布置(单位：mm)
现场投入40辆罐车，以8辆车为1组与导管对应编码(中隔墙导管2辆，其余导管每套1辆)。根据场地条件，浇筑时1次进场3组，第1组车辆按编码就位，另外2组有序排队等待，前一组浇筑完成离场，后一组按对应编码有序就位，如此循环浇筑，分9组浇筑完成。
由于7套导管并非均匀布置，必须采用不同浇筑速度保证混凝土面同步上升，防止浇筑时导管间混凝土面高差过大，造成地连墙夹泥、刚性接头在压力差的作用下产生变形。混凝土面标高以测量为主，辅以计算复核，根据高差动态调整卸料速度，保持高差在0.5 m以下，整体上升速度在3～5 m/h。
为确保安全，浇筑前在中隔墙的导墙上设监测点，在每一组罐车离场、后一组就位之前检测导墙的位移和沉降。
南岸格构式地连墙目前已施工完成并检测合格，可从工期、成本、施工质量方面与传统工艺作对比分析。
工期方面，若采用传统工艺，1个T形地连墙成槽2 d，吊放钢筋笼和接头箱、回填接头箱后背1 d，清孔和浇筑混凝土1 d，顶拔接头箱1 d，共需5 d。1个中隔墙施工算上刷壁时间需要2 d，吊装作业和浇筑混凝土时机械干扰无法交叉作业，考虑清孔时成槽作业可同时进行，则1个格构单元需10 d施工完成。根据现场施工情况，采用改进工艺整体施工，成槽4 d，吊装前清孔和吊装1 d，第2次清孔和浇筑混凝土1 d，实际施工时间为6 d，相比传统工艺缩短了4 d。
成本方面，改进工艺节省了接头箱和刷壁器材料，节省了吊放与顶拔接头箱、处理接头箱后背的人机费用，而节约工期也相应节约了人机费用。唯一增加的费用为铺设机械行走区域钢板的费用，而钢板为现场既有周转材料，只考虑铺设费用，由此可见，改进工艺可以节约成本。
施工质量方面，格构式地连墙对刚性接头施工质量要求较高，传统工艺虽已较为成熟，但施工过程中增加了吊放顶拔接头箱、钢板刷壁等工序，对操作人员的能力、经验等要求较高，会增加质量风险。改进工艺为格构单元1次浇筑完成，刚性接头处无施工缝形成整体，且施工简便，容易保证施工质量。
格构式地连墙由于占地少，近年来频繁用于无支撑的深大基坑的支挡结构，但其施工方法较为单一，施工难度大、耗时长、成本高。鱼珠隧道首次采用3幅地连墙整体成槽浇筑的改进工艺，辅以系统性的关键技术对格构式地连墙成槽、刚性接头、钢筋笼吊装、混凝土浇筑等环节进行控制和优化，有效解决了施工难题。实践表明，格构单元整体浇筑技术相对于使用接头箱和刷壁的传统工艺，在工期、成本和施工质量方面均有较大优势。
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