坚硬花岗岩中地下连续墙成槽施工浅谈
李国保，陈占江，周雷
1 工程概况
深圳地铁7号线福民站位于福民路与金田路交叉口的东侧，与既有4号线福民车站呈T形换乘连通，为地下三层三跨双柱岛式结构，车站全长204.58m（里程：CK18+296.873～CK18+501.453m），宽21.8～25.5m，深24.64～27.84m，平均覆土3.6m，采用盖挖逆筑法施工，基坑围护结构采用地下连续墙。
地下连续墙设计墙厚1.0m，墙底伸入基坑底面以下7.5m，平均墙深29.92m，墙底平均入岩深度10.88m。墙体材料采用钢筋混凝土，混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P100。
地连墙施工采用“上抓下打”法成槽；即上部覆盖层用液压抓斗直接抓取成槽，下部基岩用冲击钻机钻劈法成槽。造孔过程中用膨润土泥浆护壁。钻劈法成槽时采用泥浆正循环法出渣。成槽施工设备布置在地连墙内侧，冲击钻机一般骑墙布置。
2 地质条件
地连墙施工地层地质构造简单，上覆第四系人工素填土、冲洪积淤泥、黏土、砾砂，下伏基岩为燕山期全风化-微风化粗粒花岗岩，基岩中发育有构造节理，构造稳定性较好。
覆盖层中有两层含淤泥质黏土层，厚度分别为1.13m和1.67m；中砂层厚0～2.60m、粗砂层厚1.10～6.30m、圆砾层厚0～4.20m。覆盖层的密实度较差，容易塌孔。
全风化岩标贯50.8击，强风化岩标贯70.6击；中风化岩平均抗压强度30MPa，微风化岩平均抗压强度70MPa，最小25.8MPa，最大132MPa，存在差异风化现象。
各地层施工深度情况见表1。
表1 福民站地下连续墙各施工地层及工程量表
注 强、中、微风化3层叠加的最大入岩深度为15.57m。
3 基岩成槽工艺
3.1 护壁泥浆
3.1.1 泥浆制备
泥浆原材料选用湖南澧县生产的优质纳基膨润土，通过试验确定配合比。在泥浆集中制浆站配置一台XL-1500型泥浆搅拌机拌制泥浆，搅拌时间为3～5min，配料误差不大于5%。新制膨润土泥浆需在储浆池中存放24h，经充分水化溶胀后使用。
通过试验，本工程中新制泥浆配合比见表2。
表2 新制泥浆配合比（1m3浆液） 单位：kg
由于施工阶段的不同，采用不同的控制指标和检测手段对泥浆性能进行检测，各阶段泥浆性能指标控制标准见表3。
表3 泥浆性能指标控制标准
3.1.2 泥浆的输送和使用
泥浆通过3PN型泥浆泵和φ150mm供浆管路输送到各施工槽孔使用。地连墙造孔施工时，控制泥浆液面在导墙顶面以下20cm以内，以确保槽壁稳定。正循环出渣从孔内返出的泥浆经沉淀和筛分净化处理后重复使用。
3.2 施工难点及施工设备
福民站地下连续墙平均入岩（包括强风化、中风化和微风化岩）深度8.63m，基岩成槽量约占成槽总量的1/3；而微风化岩的平均抗压强度为70MPa，最大抗压强度为132MPa，是全线基岩最坚硬的车站，成槽施工难度极大。
在入岩深度和基岩硬度较大，工期较紧的情况下，可行的措施就是采用重型冲击钻机和大重量钻头造孔；为此施工初期选择的造孔设备为JKL-6型手把式冲击钻（图1）和重4t的实心十字形冲击钻头；以后又引进了CZ-6型半自动钢丝绳冲击钻机，并改进了冲击钻头。
图1 施工中的JKL-6型手把式冲击钻
3.3 孔位布置
每幅槽段的标准长度为4m（两个工字型钢接头间的距离），根据工字型钢接头下放需要将端孔外放后，一期槽段的成槽长度为5.4m。
抓斗的工作宽度（最大开度）为2.8m，施工时两抓成槽。
冲击钻施工时，各槽段一般划分成3个主孔、2个副孔进行成槽施工，先施工主孔，后施工副孔。一期槽段主孔直径1m，中心距为2.2m，副孔在轴线处的宽度为1.2m；二期槽段副孔在轴线处的宽度一般为0.8m（图2）。每幅槽段的孔位划分根据实际成槽幅宽调整副孔宽度，原则上按0.8～1.3m控制。在地连墙的拐角处设置“┐”型槽段，为保证钢筋笼顺利下设到位，选择一个方向向外侧扩出半个孔位（图3）。
3.4 主孔施工
基岩主孔施工采用钻凿法。钻机就位时按照划分好的孔位采用吊锤法进行；先沿钻机天轮槽外侧下放一个吊锤，调整钻机位置使吊锤对准孔位后再安装钻头。基岩主孔钻进一般采用重4t左右的平底十字钻头，钻头底刃镶焊硬质合金齿。
图2 标准槽段孔位划分示意图
钻机上的卷扬提升钻头到一定的高度后，自由落体冲击破碎孔底岩层；破碎后的石渣悬浮在泥浆中，并随泥浆正循环携出孔外。
开孔质量是主孔成败的关键，必须采用间断冲击轻打慢放，孔形和钻头稳定后再适当加大冲程和冲击频率。施工中应经常检查孔斜，每钻进0.5m测斜一次。如偏孔较大，必须修正后再向下钻进。
3.5 副孔施工
图3 拐角槽段单边外扩示意图
副孔一般在相邻主孔终孔并检验合格后施工，由于两边已经凿空，基岩较硬，在钻头摆动的情况下容易向两侧主孔溜滑。应对办法是开始劈孔时对准孔位中心间断手动冲击，轻打慢放；劈孔过程中应始终对准副孔的最高处劈打，并适当控制冲击频率，必要时采用手动间断冲击，打出平台后再连续冲击。劈孔时随时注意观察钢丝绳偏斜情况，发现打溜时立即提起钻头重新移机对位。
3.6 方钻头修孔
当槽段的主、副孔全部钻孔完毕后，换特制的长方形重锤逐段修整孔壁；从各主副孔之间的中心点下钻，自上而下将主副孔之间的“小墙”和孔壁上残留岩石凿除，直至槽宽检测全部满足设计要求、上下活动钻头无阻时为止，以确保钢筋笼顺利下设到位。用方形重锤扫孔时要注意控制提升高度不大于1.5m，并防止发生卡锤事故。
4 基岩成槽改进措施
4.1 引进半自动化钻机
JKL-6型手把式冲击钻机的机械化程度较低，用该机成槽施工时每次冲击均要手动操作，工人的劳动强度较大，容易疲劳；而且只能手动控制冲程和冲击频次，时大时小，人为因素较大，钻进过程很不稳定。JKL-6型手把式钻机的冲击频率为11～14次/min，在冲击频率较低的情况下，为提高钻进效率，操作手往往会提高冲程至2～3m，这加剧了对周围环境的影响和孔斜控制的难度。
CZ-6型半自动化冲击钻机（见图4）的冲程和冲击频率既可由机械自动控制，也可人工手动控制；由机械自动控制时冲程和冲击频率可在一定范围内调整。本工程引进CZ-6型冲击钻机后，冲程固定在0.8m左右，冲击频率为35～38次/min，操作灵活方便，加快了施工进度，减轻了工人的劳动强度。采用该钻机可大幅度降低冲程，从而降低了对四周的振动影响；但冲程减小也对泥浆性能提出了更高的要求，在施工中必须经常注意根据出渣情况调整泥浆的浓度。JKL-6型手把钻机与CZ-6型冲击钻机的性能对比见表4。
图4 CZ-6型半自动化冲击钻机
表4 手把冲击钻机与半自动冲击钻机性能对比表
4.2 钻具改良
基岩中冲击钻进时一般采用齿牙式钻头，钻头周圈的受力点主要在齿牙部位；前期施工的情况表明，用这种钻头钻进坚硬花岗岩时容易掉齿、磨损，且容易发生卡钻和偏孔事故。
施工中通过经验总结和摸索，逐步对钻具进行了以下改良（图5）。
（1）增加钻头周圈弧形底刃的长度和外围硬质合金齿的数量，从而加强圆孔形成能力和钻进过程的稳定性。
（2）增加钻头底刃硬质合金齿的强度和尺寸，并使之能同时接触孔底，以加大钻头的破岩能力，减少钻齿的破损。
（3）调整各钻角摩擦面的角度，以减小钻头与孔壁的摩擦，提高其钻进功效。
为保证钻头的及时供应，在钻头补焊方面主要采用了以下措施。
（1）为每两台钻机配备至少3个钻头，以便于轮换补焊使用。
（2）挑选技术好、有经验的焊工成立钻头补焊班，制定补焊程序，保证补焊质量。
（3）补焊钻头采用适当规格的高强度合金块和优质焊接材料。
4.3 完善泥浆循环方式提高除渣效果
冲击钻进过程中，槽内泥浆循环方式和钻渣排出的效果对于提高钻进效率和成墙质量都十分重要；本工程成槽施工过程中采取的主要除渣措施如下。
图5 冲击钻具改良实况图
（1）在有条件的位置建立固定的除渣系统，包括振动筛、送浆回浆管路、沉淀池、弃渣坑等，钻进过程中采用双泵法进行泥浆正循环除渣。
（2）钻前先循环孔内泥浆0.5h左右，搅动槽内泥浆，悬浮起槽底沉渣；钻进过程中每3h左右进行一次槽内泥浆冲孔循环。
（3）每个槽段每天夜班时间采用气举反循环法清理孔底沉渣一次。回流泥浆经净化处理后返回槽孔重复使用。
（4）采用CZ-6型冲击钻机施工时，可采用抽桶法辅助出渣；但这种出渣方法会造成很多的废浆，处理成本较大，建议慎用。
（5）钻进时将风管与进浆管同时下到接近孔底处，利用压缩空气提高孔内泥浆正循环的上返速度和携渣能力（图6）。这种方法的悬渣效果好，但对上部覆盖层槽壁的影响较大，存在塌孔风险，覆盖层厚度较大时不适宜使用。
图6 钻孔出渣风管设置图
4.4 泥浆质量和性能控制措施
泥浆的质量不仅关系到槽壁的安全，其悬浮钻渣的能力对成槽进度也有很大的影响。本工程基岩钻进过程中主要采用泥浆正循环方式出渣；在孔径较大的情况下，泥浆正循环的上返速度较小，携渣能力有限，直径稍大的钻渣就不能排出孔外；为此必须提高泥浆的密度和黏度，以提高泥浆的携渣能力。泥浆质量和性能控制主要措施如下。
（1）钻进时控制孔内泥浆的比重在1.2～1.5之间，其中淤泥质层为1.25～1.35，强风化层为1.2左右，中风化层为1.3～1.4，微风化层为1.4～1.5。
（2）由现场值班技术人员每班测试施工槽孔内的泥浆性能，不满足要求时立即采取措施处理。
（3）钻进含泥量高的黏土层或淤泥层时，随时根据槽内泥浆情况加入清水适当降低泥浆浓度。
4.5 效果分析
采取上述改进措施后，在坚硬花岗岩中成槽施工的效率逐月提高，2013年7—11月，微风化岩钻进工效由1.05m/d提高到1.63m/d，入岩综合工效由1.95m/d提高到4.87m/d，取得了明显的效果；同时，钻头的使用时间明显加长，孔形质量明显提高，卡钻事故明显减少；从而保证了基岩中成槽施工的顺利进行。
5 结语
深圳地铁7号线福民站地下连续墙平均墙深29.92m，墙底嵌入花岗岩平均深度8.63m，最大入岩深度15.57m（不含全风化）；基岩的平均抗压强度30～70MPa，最大132MPa。在如此坚硬的基岩中进行大深度成槽施工，且须满足下设钢筋笼的要求，施工难度罕见；必须选择可行的施工方法并采取适当的技术措施。
在坚硬基岩中进行地连墙成槽施工，可行的方案之一就是采用重型冲击钻机和大重量钻头造孔。本工程施工初期选择JKL-6型手动冲击钻机和重4t的实心十字形钻头作为基岩造孔设备；以后又引进了CZ-6型半自动冲击钻机，并改进了冲击钻头，完善了出渣方式，加强了泥浆性能管理。实践证明，一系列技术和管理措施实施后，既减少了施工故障、加快了施工进度，又提高了成槽质量，保证了地连墙工程的顺利完成。