蘇州軟土超深地下連續(xù)墻成槽施工地層穩(wěn)定控制

侯冠斐

（中鐵十七局集團有限公司，江蘇 蘇州 215000）

近年來，我國城市地下建設(shè)不斷發(fā)展，建設(shè)中周邊環(huán)境日趨復雜，建設(shè)難度也不斷增大。長三角軟土地區(qū)，地下連續(xù)墻是深基坑工程常用的圍護方法之一[1]。地下連續(xù)墻施工可大致包括：成槽、吊放鋼筋籠和灌注水下混凝土三個主要階段，如此循環(huán)往復施工，可在地下形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，擁有防滲、擋水和擋土等作用。在地下連續(xù)墻施工過程中，周圍土體在擾動下經(jīng)歷了復雜的應(yīng)力釋放與補償過程，繼而產(chǎn)生一定的地層變形[2-3]。地下連續(xù)墻成槽過程中如控制不當，周邊地表沉降明顯，嚴重時可達到后期總沉降量的30%-50%[4]。隨著地層變形不斷增加，圍護地下連續(xù)墻離建筑物越來越近，槽壁發(fā)生失穩(wěn)的風險逐漸增加。

地下連續(xù)墻成槽過程中，地層失穩(wěn)主要分為：整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。整體失穩(wěn)一般發(fā)生在地表以下一定深度處，并向上延伸至地表，從地表觀察到土體塌落或產(chǎn)生較大裂縫；局部失穩(wěn)通常表現(xiàn)為軟弱夾層土體剝落，不能夠直接觀察到，會導致灌注混凝土的充盈系數(shù)變大，施工成本增加[5]。相比而言，槽壁整體失穩(wěn)對工程影響較大，嚴重時可導致機械傾覆或周邊建筑破裂坍塌，具有較大的安全隱患，是地下連續(xù)墻工程中關(guān)注的熱點問題[1]。

Nash & Jone (1963)[6]采用平面分析法對粘性/無粘性土中地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定性進行研究了，提出了槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式。在此基礎(chǔ)上，Morgenstern（1965）[7]對破壞模型滑動面處阻力的計算進行了改進，并考慮了因懸浮顆粒物引起的泥漿重度的變化，得到了得到了整體失穩(wěn)經(jīng)典二維理論分析模型。Filz（2004）[8]考慮地下連續(xù)墻成槽過程中泥膜效應(yīng)，提出泥膜形成標準，并建立泥膜作用下槽壁安全系數(shù)計算方法。Piaskowski（1965）[9]考慮空間效應(yīng)，率先提出了基于極限平衡分析法的整體失穩(wěn)三維模型。在此基礎(chǔ)上，不少學者對三維模型進行改進，考慮了土拱效應(yīng)和尺寸效應(yīng)對槽壁穩(wěn)定性的影響[10-12]?；谒苄岳碚摰纳舷薹治霰葮O限平衡分析法更能反映失穩(wěn)特征，并通過最優(yōu)化分析可以得到更準確的破壞模式[13]。Han (2013)[14]提出了整體失穩(wěn)三維機動破壞模型，更好的反映了整體失穩(wěn)極限狀態(tài)下土體行為特征。

圖1 槽壁失穩(wěn)Fig. 1 Sketch of trench instability

本文以蘇州地鐵5 號線某車站地下連續(xù)墻工程為背景，研究了蘇州地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽施工中地層穩(wěn)定問題。針對施工中出現(xiàn)的地層失穩(wěn)事故，本文采用現(xiàn)場測量和理論研究相結(jié)合的方法，分析了槽壁失穩(wěn)特征及誘因，并探討了失穩(wěn)機理。本文為蘇州地區(qū)類似地層中地下連續(xù)墻成槽施工地層穩(wěn)定控制提供有益參考。

1 工程概況

蘇州地鐵5 號線竹輝路車站平面布置如圖2 所示。采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻深48m，槽寬4.5~6m，地下連續(xù)墻厚1000~1200mm。如圖3 所示，地下連續(xù)墻成槽貫穿①1 雜填土層、①3 素填土層、③1 黏土、③2 粉質(zhì)黏土、④1 粉質(zhì)黏土、④2 粉土夾粉砂、⑤1 粉質(zhì)黏土、⑤1A粉土夾粉質(zhì)黏土、⑥2 粉質(zhì)黏土、⑦2 粉砂夾粉土、底部位于⑦3 粉質(zhì)黏土層，土層參數(shù)如表1 所示。地下水位穩(wěn)定標高為0.81～1.63m，場地內(nèi)微承壓水含水層主要為④2 粉土夾粉砂層，埋深11.0～18.0m，厚度1.2～15.8m，承壓水含水層主要為⑦2 粉砂夾粉土，埋深32.7～43.7m，厚度4.9～14.4m。淺層土中①1 雜填土層、①3 素填土層、③1 黏土，壓縮性大，靈敏度高，抗剪強度低，在成槽施工擾動下容易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)風險。

2 地墻成槽施工方案

圖2 基坑平面示意圖Fig. 2 Plan view of the excavation

圖3 工程地質(zhì)條件Fig.3 geological conditions

表1 土層參數(shù)表Table. 1 Soil properties

考慮到成槽深度和地層特征，地下連續(xù)墻設(shè)計中采用4.5m 和6.0m 兩種分幅長度；為了地下連續(xù)墻整體剛度和防滲性能，地下連續(xù)墻采用工字鋼接頭進行連接。現(xiàn)場采用金泰SG46 液壓抓斗成槽機，如圖4 所示。成槽機重量約為95t，抓斗開斗寬度為2.8m，單斗最大提升力為600kN。施工前在成槽機下方敷設(shè)鋼板，荷載分散。單幅槽段成槽施工時間約為10h-14h.

圖4 金泰SG46 液壓抓斗成槽機Fig. 4 SG46 hydraulic diaphragm wall grabs

成槽開挖前，采用導墻增加導墻的施工精度直接關(guān)系著地下連續(xù)墻的精度，增加地層穩(wěn)定性，導墻采用“”型整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（如圖5 所示），內(nèi)墻面之間凈寬比連續(xù)墻設(shè)計厚度大5cm，墻厚20cm，墻頂寬100cm，導墻深度為160cm~200cm。墻體采用較高強度的C30 鋼筋混凝土澆筑。

圖5 導墻結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure diagram of guide wall

成槽施工泥漿以膨潤土泥漿為主。膨潤土泥漿可以懸浮部分開挖土顆粒，減少槽底浮泥，從而可以增加泥漿的容重[12]，有利于提高開挖的穩(wěn)定性。當泥漿向孔周圍土體入滲，土顆粒間的孔隙被粘土顆粒封堵后，很快就可以在槽壁上形成一層類似于不透水薄膜的泥皮，以保證泥漿的靜液壓力作用在開挖槽壁上，抵抗槽壁周圍地基土體的土壓力和水壓力?，F(xiàn)場施工中以膨潤土泥漿為主，并添加重質(zhì)純堿和中度CMC，泥漿參數(shù)如表2 所示。此外，通過控制泥漿含砂率來提高粘度（25s-30s），以防止③粉土夾粉砂層出現(xiàn)坍塌失穩(wěn)。

圖6 泥膜形成示意圖Fig. 6 Formation of filter cake

表2 泥漿參數(shù)Table. 2 Parameters of bentonite slurry

3 地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析

3.1 地下連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)機理

大量工程事故表明[15]，失穩(wěn)破壞深度在地表以下5m-15m 處，失穩(wěn)破壞面在地表沿著整個槽段展布，呈橢圓性區(qū)域。在各種影響因素中，導墻或護筒對整體穩(wěn)定性的影響非常小，泥漿液面與地下水位的高差對開挖穩(wěn)定性的影響最敏感。失穩(wěn)通常發(fā)生在當泥漿高度降到地下水位以下約1m 位置。Tsai (2000)[16]現(xiàn)場試驗表明，砂性地層中，泥漿液面下降是槽壁失穩(wěn)主因，失穩(wěn)破壞發(fā)生在深度/槽深=0.2 位置處，并逐漸發(fā)展至地表，造成地表大范圍沉降。

成槽穩(wěn)定性分析中，二維平面應(yīng)變分析表明，深層土體穩(wěn)定性差，三維分析則表明，地表以下淺層土體穩(wěn)定性差。Han (2013) [14] 根據(jù)成槽受力特征，建立了基于功率平衡條件（PV=Pe） 的槽壁失穩(wěn)機制，并構(gòu)建了槽壁失穩(wěn)破壞三維機動模型，在此基礎(chǔ)上利用上限分析定理推導了槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)上限解，

其中，hsr為泥漿液面至地表距離，c′為土體有效粘聚力，φ′為土體有效摩擦角，γ 為土體容重，γsr為泥漿重度；f21，f22，f23和f24分別為無量綱系數(shù)。

分析中通過對上限解進行最優(yōu)化，可以槽壁失穩(wěn)最小破壞深度及對應(yīng)的安全系數(shù)，有效地揭示了失穩(wěn)特征及機制。

3.2 槽壁失穩(wěn)事故分析

項目實施過程中，大部分地下連續(xù)墻在施作過程中，地層穩(wěn)定保持較好，地層變形在控制范圍內(nèi)。槽壁失穩(wěn)事故發(fā)正在SQ-14 幅段成槽過程中。SQ-14 幅段長度為4.5m，寬度為1m，深度為48m。SQ-14 成槽開挖不久，發(fā)現(xiàn)槽內(nèi)泥漿出現(xiàn)泄漏，泥漿液面迅速下降到導墻下方，位于地表以下約2.5m 處；此時，槽段周邊地表出現(xiàn)一些明顯的裂縫，裂縫區(qū)域內(nèi)的土體沉降顯著。超聲波探測結(jié)果顯示，導墻以下約3m 位置處土體出現(xiàn)坍塌破壞，如圖9 所示。事故出現(xiàn)后，現(xiàn)場立即采取應(yīng)急措施，首先暫停施工，并對失穩(wěn)風險區(qū)域進行隔離。采用技術(shù)人員對槽內(nèi)進行探查，發(fā)現(xiàn)漏漿位置并采取堵漏措施。堵漏完成后，向槽內(nèi)補充高密度泥漿，并維持泥漿液面略低于導墻頂面，在此基礎(chǔ)上再次進行成槽施工。

圖7 槽壁失穩(wěn)機動模型Fig. 7 Calculation model

圖8 槽段周邊沉降及裂縫Fig8 Significant settlement surrounded by cracks

圖9 超聲波成孔檢測Fig.9 Ultrasonic testing

采用理論方法對失穩(wěn)失穩(wěn)事故進行驗證，結(jié)果如表3 所示，可以發(fā)現(xiàn)，當泥漿液面維持在地表時（hsr=0 m），槽壁安全系數(shù)均大于1，通過適當增加泥漿重度可以增加槽壁安全系數(shù)；當泥漿液面下降至地表下-2m 時（hsr=2 m），槽壁安全系數(shù)迅速減小并小于1，隨著泥漿重度的增加，破壞深度由3.23m 降低至3.05m，而安全系數(shù)則由0.69 增加至0.95，破壞深度減小意味著潛在失穩(wěn)范圍縮小，而安全系數(shù)則會相應(yīng)增大。需要注意的是，相比泥漿重度，泥漿液面變化對槽壁穩(wěn)定性影響更為顯著。成槽施工中，要重點關(guān)注泥漿液面變化，同時，輔以增加泥漿重度來提升槽壁穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文對蘇州地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽施工地層穩(wěn)定展開研究。通過對蘇州地鐵5 號線竹輝路車站地下連續(xù)墻工程中出現(xiàn)的成槽失穩(wěn)案例進行分析，研究了蘇州典型地層下成槽失穩(wěn)特征及誘因。研究發(fā)現(xiàn)，因為泥漿的滲漏，泥漿液面迅速下降引起槽壁支護壓力不足是誘發(fā)槽壁失穩(wěn)主要原因，槽壁失穩(wěn)深度位于導墻以下約3m 處。采用理論分析法對失穩(wěn)事故進行驗證，計算結(jié)果和現(xiàn)場測量較吻合。理論分析表明，槽壁失穩(wěn)初期主要位于淺層土中，泥漿重度變化可以提升槽壁穩(wěn)定，而泥漿液面變化對槽壁穩(wěn)定影響顯著。

表3 槽壁穩(wěn)定計算