南京四桥“∞”字型形地连墙设计施工技术研究.doc

南京长江第四大桥“”字型形地连墙设计施工技术创新研究娄学全1 武焕陵1 章登精1 崔冰2 钟永新3（1 南京长江重大路桥建设指挥部；2. 中交公路规划设计院；3. 中交第二航务局）摘要：本文介绍了南京长江第四大桥南锚地连墙工程设计和施工中的关键技术研究工作情况，详细阐述了各分项目的研究内容、技术创新点和实施效果。关键词：“”字型地连墙，关键技术，创新成果，实施效果地下连续墙广泛用于地下室、地铁车站、隧道竖井等基础结构物的建造。上世纪90年代地下连续墙开始应用在我国桥梁深基础工程中，并先后成功实施了润扬长江公路大桥、武汉阳逻大桥、珠江黄埔大桥等锚碇深基础施工。随着我国桥梁事业的发展，地下连续墙其结构形式由整体刚度较弱的矩形结构，逐渐转化成整体刚度较强的圆形结构（表1）。考虑桥位地质、水文和地表建筑物等综合因素，通过研究分析，南京长江第四大桥主桥南锚基础工程采用了“”字型地连墙新型结构。表1 国内外大跨径悬索桥地连墙一览表序号桥名国别建成年代地连墙形状墙厚开挖深度1明石海峡桥日本1998圆形，直径85m2.2m64.5m2润扬长江公路大桥中国2005矩形，69m50m1.2m50m3阳逻大桥中国2006圆形，直径70m1.5m46m4珠江黄埔大桥中国2008圆形，直径73m1.2m30m5南京长江第四大桥中国在建“”形1.5m45m1、工程项目简介南京长江第四大桥主桥为主跨1418m的三跨连续钢箱梁悬索桥，桥跨布置575+1418+483m；为跨度“世界第六”的大跨径桥梁，也是跨度“中国第一”的三跨悬索桥（见表2）。南锚碇基础采用地连墙结构形式，平面形状为“”形，长82m，宽59m，由两个外径59m的圆和一道隔墙组成，壁厚为1.5m；墙顶高程为5m，底高程为-35m-45m，嵌入中风化砂岩约3m，总深度40m50m。基坑开挖至基岩面-38.12m-29.23m处，总开挖深度44.62m35.73m。表2 国内外大跨径桥梁一览表序号桥名国别建成年代跨度组成（m）加劲梁结构特点1明石海峡桥日本1998960+1991+960钢桁梁三跨悬索桥2舟山西侯门大桥中国20091650+578钢箱梁两跨悬索桥3大贝尔特海峡大桥丹麦1998535+1624+535钢箱梁三跨悬索桥4e-sunshin Bridge韩国在建357.5+1545+357.5钢箱梁三跨悬索桥5润扬长江公路大桥中国20051490钢箱梁单跨悬索桥6南京长江第四大桥中国在建575+1418+483钢箱梁三跨悬索桥 南锚“”字型地连墙首次应用于桥梁深基础结构。基础处覆盖层为第四系土层，主要有淤泥质亚粘土，松散中密状粉、细、中砂，砂层北侧厚、南侧基本缺失，分布不稳定。下伏基岩地层为白垩系葛村组砂岩、砂砾岩，局部夹泥岩，由北向南基岩面起伏-38.120m-29.230m，自上而下岩石强度逐渐增加。地下水可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水：孔隙水主要为承压水；含水层由粉砂组成，北侧厚，南侧基本缺失；基岩孔隙不发育，裂隙仅少量发育，且裂隙连通性较差，故赋水性和透水性均较差。地连墙施工槽段分期、期两种槽段。地连墙期槽段共32个，采用三铣成槽；地连墙期槽段共33个。地连墙隔墙处顶部15m范围设计为两道支撑，支撑高度2m，宽3.5m；并设置了帽梁及内衬，帽梁总宽度3m，高2m。内衬层高3m，自上而下厚度依次是1.0m、1.5m、2.0m。底板混凝土厚4m；填芯混凝土后半部分为实心，前半部分设置16个空隔仓（图1）。图1 地下连续墙一般构造2、项目研究内容2.1 设计方面的研究为确保结构安全和施工便捷，确保工程施工安全、质量、工期和投资等能得到有效控制，项目组依据“”字型地连墙支护体系的结构特点进行设计方案研究，取得以下成果： 首次完成了“平面形状为形，长82m，宽59m”的地连墙支护结构体系基坑设计。南锚碇在最大缆力作用下基础抗滑安全系数2.7；施工阶段前趾最小应力0.85Mpa，后趾最大应力1.20Mpa；使用阶段前趾最大应力1.60Mpa，后趾最小应力0.46Mpa。“”字形地连墙结构布置优点有：平面面积最小，截面惯性矩最大；半径小，墙体环向应力小，可实施性高。该结构很好地解决了“南锚碇场地有限，管廊、厂房等构筑物众多”等问题，有效地节约场地布置，减小征地拆迁的范围。与通常采用圆形和矩形结构对比见表3。表3 地下连续墙结构形式对比对比项圆形矩形“”形平面尺寸（m）D7570598259平面面积（m2）4417.941304056.2惯性矩（m4）1.55E61.69E61.80E6墙体总长度（m）230.9252280.7受力性能半径大，墙体应力水平高，实施风险大。矩形围护受力性能差，需要大量内撑。半径小，墙体应力水平相应较低。两个非完整圆支撑结构的隔墙采取地连墙并与外墙同时施工的方案，能保持结构稳定，有效改善墙体受力,最大限度发挥了非完整圆墙体拱形效应，结构受力合理可靠；逆作法施工横撑发挥作用时，墙体变形已经部分形成，抑制了非完整圆墙体的拱形效应，使得“Y”形槽段受力较大，存在较大风险。 2.2 施工技术研究首次采用的“”字型地连墙施工，无成熟的成套技术可循，而且结构所在位置水文地质条件较为复杂，离长江防洪大堤只有80m，防洪安全要求高，周围建有国家粮库和输油管线，工程的难度和风险极大。本项目研究形成超大字型地连墙成套施工技术，取得的关键技术和主要科研成果有：2.2.1复杂地质条件下成槽施工技术、导墙施工及施工平台布置设置“L”形导墙,保护槽口及保证槽段位置的准确性，支撑施工设备及钢筋笼，防止槽壁顶部的坍塌等；施工平台布置在导墙内外侧。导墙布置见图2。 图2 导墙结构图及照片、成槽试验方案选择北侧基岩面相对较深的弧形地连墙P9#槽侧进行地连墙施工试验， 探明液压铣对本工程地层的适应性，已达到以下目的：检验成槽质量、清孔质量、钢筋笼的下设速度和刚度等；掌握铣槽机成槽效率、铣齿的适应性和消耗率，综合比较基岩段采用纯铣法和凿铣法的工效和质量；分析地连墙总工期的保障性；优化泥浆性能指标和混凝土浇筑性能指标；改进操作规程及质量控制方法。、地连墙成槽工艺成槽施工采用1台德国宝峨BC-32液压铣槽机和8台CZ-6型冲击钻机。期槽段采用三铣成槽方式，并采用8台冲击钻机配合铣槽机成槽；槽孔基岩面以上覆盖层采用铣槽机铣削；第一、二铣点基岩先采用冲击钻破碎，然后用铣槽机修孔。第三铣点基岩直接用铣槽机铣削。期槽段采用一铣成槽方式，并采用冲击钻机配合铣槽机成槽。槽孔基岩面以上覆盖层采用铣槽机铣削；基岩先采用冲击钻破碎，然后用铣槽机修孔。槽段清孔换浆直接采用铣槽机进行。、砂岩铣削技术进行基岩施工时，优先考虑液压铣槽机进行施工。当液压铣槽机施工工效低于0.5m/h或铣齿磨损严重时，宜采用凿铣法。A宜采用骑墙轨道及平台车等措施，使钻机移动更为迅捷方便，提高冲击钻利用率，以确保整体功效。b槽孔宜采用“三点”交替钻凿方式进行凿岩施工，图3所示克服中心位置液压铣修孔效果并不理想及“两点”钻凿后液压铣的修孔容易跑偏等现象，减少液压铣修孔时间。 冲击钻凿岩方式示意 十字型钻头 改进后的铣齿图3 砂岩铣削技术c.宜选用带刃角的“十字”钻头解决砂岩钻进功效低及溜钻跑偏现象,以提高施工功效，d.宜采用原铣齿外侧焊接脚齿液压铣槽机修孔作业，解决砂岩对铣齿磨损严重，铣槽功效低，铣齿磨损严重后若不及时更换将磨损铣头，严重危害设备等现象。2.2.2 “Y”型特殊槽段施工技术“Y”型特殊槽段施工技术包括地基处理技术、Y型槽铣槽技术、泥浆护壁技术、钢筋笼制作及存放技术和混凝土浇注技术等。总体施工工艺为：采用五铣成槽方式，并采用多台冲击钻机配合铣槽机成槽；槽孔基岩面以上覆盖层采用铣槽机铣削；基岩先采用冲击钻破碎，然后用铣槽机修孔。、地基处理技术槽孔内外侧采用两圈深层搅拌桩进行加固，以加强成槽期间上部淤泥质粘土层槽孔的稳定性及减小设备荷载对成槽的影响。为确保“Y”型槽槽孔的稳定，槽段内侧拐角处土体采用2根直径80cm的塑性混凝土桩进行加固处理，塑性桩与地连墙净间距为20cm，塑性混凝土强度控制在23MPa（图4）。 深层搅拌桩平面及结构图 塑性混凝土桩布置图4 “Y”型槽地基处理技术、Y型槽铣槽技术“Y”型槽采用五铣成槽方式，按照下图5中编号顺序进行施工。槽段施工分为图5 Y型槽平面布置图三步。第一步，施工第一铣至基岩，布置1台冲击钻机凿除基岩部分，然后用铣槽机将第一铣修孔至设计标高。第二步，施工第二铣、第三铣至基岩，二、三铣点各布置1台冲击钻机同时凿除基岩部分。第三步，铣槽机将第二、三铣修孔至设计标高，然后将第四铣、第五铣至设计标高。、泥浆护壁技术“Y”型槽施工全过程均采用优质膨润土浆进行护壁，造孔泥浆比重不小于1.3g/cm3，粘度不小于35s；清孔泥浆比重小于1.2 g/ cm3，粘度不小于33s。成槽过程加强对泥浆指标的检测，加强对地下水位的监控，确保槽内泥浆面高于地下水位2m。、钢筋笼制作及存放技术“Y”型槽钢筋笼重量大，结构形式特殊，根据配备吊机的起吊能力，在特制的同一胎架上分三节制作。钢筋笼沉放采用两台起重吊机进行，即一台150t履带吊和一台50t履带吊，如下图6所示。 “Y”型槽钢筋笼图片 钢筋笼重心及吊点布置图图6 钢筋笼制作及存放技术、混凝土浇注技术“Y”型槽混凝土浇注布置三根导管，浇筑过程中将严格控制好三套导管以1：1.3：1的速度灌输混凝土时，能有效确保混凝土面同步上升,详见下图7。图7 “Y”型槽混凝土浇注2.2.3护壁泥浆及清孔换浆技术选用优质钙基膨润土制备泥浆，分散剂选用工业碳酸钠，并适当添加入增粘剂（CMC），。泥浆中粉细砂含量高，泥浆净化器难以净化，采用铣槽机直接进行清孔，且将槽孔内所有泥浆更换为新制泥浆，确保泥浆指标符合要求，混凝土浇注前沉渣厚度不大于5cm。 2.2.4铣接头质量控制技术通过分析铣接头质量影响因素，从期槽段钢筋笼两段保护层厚度设计控制，钢筋笼制作及安装误差控制，铣槽机施工平台稳定性能控制，槽孔定位精度控制，槽段孔斜率控制，相邻期槽槽段混凝土强度差控制，泥皮厚度控制，混凝土浇注质量控制等方面入手，全方面确保铣接头质量。2.3 超大字型地连墙深基础开挖技术研究南锚基坑最大开挖深度达46m，开挖总方量达15万m3。内衬采用逆作法施工，内衬高3.0m，厚度自上而下依次为1.0m、1.5m、2.0m。单层基坑开挖面积为21818m2，单次开挖深度为3m，单次土方开挖量为25454 m3。本项目研究形成了超大字型地连墙深基础开挖成套技术研究，并取得以下关键技术和主要新技术研究成果：2.3.1基坑开挖施工技术基坑周围布置3台100t履带吊，作为主要的吊土外运设备。基坑南北侧各布置2台斗容量为1 m3与1台斗容量0.2 m3的反铲，1 m3的反铲主要负责开挖、倒运与装土，0.2 m3的反铲主要负责内衬底部土体开挖。采用反铲挖掘机配其它设备按中心岛法进行分层开挖，见图8。各层土方采用放坡开挖，先开挖周边4m区域内土方，用反铲掘松，履带吊配料斗出坑，周边土方开挖后立即施工内衬体系，内衬施工时开挖中间土方。履带吊采用定点取土方式，通过反铲将基坑中部土方倒运到料斗取土点由吊履带吊运出坑。 图8 深基坑开挖施工2.3.2环状内衬大体积混凝土施工控制技术内衬采用逆作法施工，即开挖一层土体施工一层内衬，当同一层内衬混凝土强度达到80%后开挖下一层土体。采用防离析导管技术，解决内衬大落差混凝土布料工艺（见图9）。 图9 环状内衬大体积混凝土施工2.4 超大字型地连墙深基础信息化施工监控技术研究岩土工程的复杂性导致基坑受力的不确定因素较多，支护结构变形离散性大（从几厘米到十几厘米），因此必须有可靠的监控措施及信息化施工分析手段；南京四桥“”形深基坑风险点较多，施工风险较大，本项目研究取得以下关键技术和主要新技术研究成果：2.4.1正、反演施工控制分析技术a、南北对称同步开挖施工过程弹塑性数值模拟计算分析表明，支护体系整体变形水平较低，结构刚度很好；对称同步开挖条件下是安全的。 b 、围护体系平面形状敏感性分析 圆拱形结构支护体系的受力对平面形状和结构缺陷较敏感，中隔墙的存在长轴方向尺寸加大或短轴方向尺寸减小对结构受力不利。对地连墙长短轴尺寸分别进行+5%和-5%变异，进行模拟计算。c、挖土方式影响比较分析 南北两侧不同步开挖，任一侧超挖一层都不会引起结构破坏。考虑到基坑坑底岩面起伏较大，北区超挖一层（3m）是安全可行的。岛式开挖对控制地连墙变形，特别是深层地连墙的变形效果不明显，可以采用平挖方式。见表5表5 北侧多挖3m支护体系最大主应力施工步开挖方式最大长轴变形最大短轴变形最大主应力最小主应力第四次开挖平挖1.733mm2.229mm0.3932MPa-1.6300MPa岛式开挖1.400mm1.860mm0.3270MPa-1.2970MPa第十次开挖平挖4.249mm5.388mm0.8816MPa-4.1550MPa岛式开挖4.158mm5.317mm0.9216MPa-4.1520MPad、温度变化对支护结构的影响分析考虑到本工程夏季施工，冬季开挖，假定极端环境条件下（见图10），分析温度对基坑的影响。 图10 结构温度场示意e、参考建筑行业基坑工程设计规范，对支护体系进行受力和变形计算表明：随着挖深的增加，地连墙的变形和内力逐步加大，最大水平位移点和最大内力截面逐步下移；最大内力和最大水平位移点均发生在地表以下约33m附近；最大水平位移为15mm。参考以往类似基坑工程的经验，地连墙水平位移（测斜）累计报警值为2030mm。2.4.2反演分析与安全性评估采用物理反演的方法进行荷载识别，进而与正演计算结合，评价基坑的安全性。荷载识别方法与步骤为：监测地连墙在当前工况下有限控制点的水平位移；通过数学拟合方法确定地连墙在当前工况下的变形挠曲线；将地连墙分解为水平和竖向两个正交方向上的子结构，按照弹性理论，根据荷载与变形的对应关系，分别确定地连墙在当前工况下的水平变形荷载分量和竖向变形荷载分量；根据叠加原理，将水平变形荷载分量和竖向变形荷载分量叠加叠加即可得到地连墙上的水平法向荷载。基坑的安全性按以下两种方式评估：通过荷载水平评价基坑的安全性 ；采用“结构荷载模型”，通过反演计算当前工况体系的内力，或正反演相结合，将反演计算识别的水土压力作为支护体系的外部作用，计算当前工况体系的内力，进而判别基坑的安全性。根据监测得到的位移和变形反算结构的内力,反演计算结果表明：地连墙Y型结点弯矩较大，应力集中明显；其它各处弯矩很小，内力以轴力为主，说明地连墙整体受压，环向内力分布比较均匀。2.4.3“”字型地连墙深基础监控设计及测点埋设技术通过建立基坑的空间有限元模型，充分掌握基坑的受力特点和分布情况，确定施工监测项目及元件布置数量和点位。在地连墙施工时布置地连墙深层位移监测元件、地连墙钢筋应力监测元件、坑外土压力监测元件。内衬施工时布置内衬钢筋应力监测埋件。以建立一个立体的监测预警系统为目的，按照经济合理的原则安排监测进程。在基坑开挖阶段, 各监测项目每天监测一次。2.4.4信息化施工组织及控制流程监测成果以日报和周报（层报）的形式及时提交给相关部门，每月召开一次基坑信息化施工专题会议。现场监测工程师分析当天监测数据及累计数据的变化规律，与报警值比较，并当日发送领导小组和专家顾问组。表4 监测结果报警参考值监测项目警戒值备注日变量累计变化值墙体位移3mm30mm墙顶位移、沉降3mm25mm墙体应力5MPa设计强度的60%温度/根据季节情况而定土压力、孔隙水压力5kPa-20kPa设计控制值的60%80%水位0.5m3m周边地表竖向位移-3mm-20mm3、主要技术创新点首次成功实践“”字型深基坑地连墙支护结构，并成功应用于悬索桥锚碇结构，为深基坑支护结构提供了一种新型式。通过对结构及受力特性研究，掌握了“”字型地连墙深基础的力学性能，施工监控实测数据证实了“”字型地连墙深基础设计、施工的合理性。首次研发了“Y”型特殊槽段成套施工技术。通过施工过程的数值模拟、荷载识别技术、支护体系受力敏感性分析、合理布置监测点和基坑开挖安全预警预报等技术研究，形成了全过程自适应的施工控制技术。在大型深基坑开挖施工领域，采用了物理反演与正演计算相结合的方法，评价基坑的安全性，与实际吻合较好。“”字型深基首次成功应用于悬索桥锚碇结构，为深基坑支护结构提供了一种新型式。“Y”型特殊槽施工技术提升了异形槽段整体施工水平。系列成套技术填补了国内空白。基坑开挖过程中，墙体径向最大变形12mm，槽段间及地连墙底无渗漏，实现了基坑干开挖，确保深基坑工程的安全、优质和高效施工目标，成为桥梁深基础施工典范，是地连墙基础工程建设水平的新跨越。4、实施效果1)前期基岩直接采用铣槽机铣削，其施工效率较低，平均三天成一个期槽段，工期明显滞后，采用冲击钻机配合液压铣槽机成槽方法后，平均1.5天完成一个期槽段。2) 地连墙65个槽段均通过超声波无损检测，结果均为类槽。3) 地连墙施工完后，南锚基坑进行了抽水试验，试验结果表明：基坑日渗水量150m3，小于以前类似桥梁地连墙基坑日渗水量。4) 南锚地连墙共65个槽段，于2009年3月21日开工，2009年7月16日完工。比预定工期提前4天完成。地连墙施工过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态。见图24， 5) 2009年11月10日南锚完成基坑开挖，从外露地连墙表面表明：地连墙平面位置、垂直度、铣接头质量及混凝土质量良好，基坑几乎无渗水，基坑封水效果良好（图11）。地连墙墙体表面平整 墙体接缝渗水率小 墙底混凝土密实，无沉渣夹层 基底干燥无渗水 接缝混凝土接触紧密 接缝洗刷干净图11 地连墙施工效果图片6)基坑开