姚燕明 景 浩 杜云龍 夏 銘 狄宏規(guī)

（1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，315012，寧波；2. 宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，315048，寧波；3. 同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，正高級(jí)工程師）

城市地下空間開(kāi)發(fā)與利用已成為提高城市容量、緩解城市交通、改善城市環(huán)境的重要手段。隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快，發(fā)展超深地下空間將成為未來(lái)城市建設(shè)的趨勢(shì)。城市軌道交通密集的線路與車站建設(shè)不可避免地對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。作為軟土地區(qū)成熟的基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻因其安全性和穩(wěn)定性被廣泛使用。但隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷加大，含有軟弱黏土和砂粉土的復(fù)雜地層中超深地下連續(xù)墻施工則面臨著成槽時(shí)間長(zhǎng)、施工難度大、槽壁穩(wěn)定差等難題。

為明確超深地下連續(xù)墻施工所引起的地層擾動(dòng)，確保成槽精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從施工技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模擬優(yōu)化等方面對(duì)超深地下連續(xù)墻的成槽過(guò)程展開(kāi)了研究。對(duì)其施工技術(shù)的研究主要包括成槽施工方法、泥漿控制、鋼筋籠吊裝和水下混凝土灌注等［1-3］。也有部分學(xué)者在上海、天津、寧波等典型軟土地區(qū)進(jìn)行超深地下連續(xù)墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［4-6］，以評(píng)價(jià)軟土地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定性，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。此外，文獻(xiàn)［7］通過(guò)建立有限元模型還原槽段施工全過(guò)程，并研究槽段寬度、泥漿重度等參數(shù)對(duì)變形控制的影響。文獻(xiàn)［8］通過(guò)數(shù)值模擬，從地層條件、施工參數(shù)等方面研究了微承壓水地層中超深基坑地下連續(xù)墻的成槽穩(wěn)定性問(wèn)題。文獻(xiàn)［9］基于庫(kù)侖理論提出了槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式。雖然目前對(duì)于超深地下連續(xù)墻成槽施工的研究已經(jīng)比較成熟，但對(duì)施工過(guò)程的模擬還較少。

為研究超深地下連續(xù)墻銑槽工藝對(duì)地層的擾動(dòng)，本文依托寧波城市軌道交通3 號(hào)線兒童公園站工程，開(kāi)展110 m 超深地下連續(xù)墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并通過(guò)通用有限元軟件模擬銑槽機(jī)成槽施工。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了超深地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中引起的槽壁變形和地層擾動(dòng)，可為軟土地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

寧波市軌道交通3 號(hào)線兒童公園站為地下3 層島式站臺(tái)車站，位于興寧路與中興路路口東北側(cè)，西側(cè)為中興路，采用明挖順作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻共計(jì)193 幅，其中19 幅深為50.41 m，171 幅深為76 ～77 m，3 幅深為110 m（即為試驗(yàn)槽段）。110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)槽段位置如圖1 所示。建設(shè)場(chǎng)地揭示其土層類別可分為黏土、黏土-粉砂互層土、粉細(xì)砂和全-中分化泥質(zhì)砂巖共4 大類。各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

擬建場(chǎng)地地下水類型主要為第四系孔隙潛水、孔隙承壓水。其中孔隙潛水主要賦存于淺部的填土、黏性土層中。表部填土結(jié)構(gòu)松散、空隙大、富水性差、透水性較好；淺部黏性土層的富水性、透水性均較差，地下水埋深的季節(jié)性變化幅度為1.0 m 左右，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.3 m ～2.7 m。對(duì)本車站基坑有顯著影響的主要是I-2 層孔隙承壓水，其賦存于8-1 層粉細(xì)砂中，滲透系數(shù)約為10-2cm/s，透水性屬中等，水量大，單井開(kāi)采量為200 ～1 000 m3/d，系市區(qū)地下水主要開(kāi)采層之一。

兒童公園站作為換乘車站，基坑埋深較深，不可避免地涉及到I-2 層承壓水的處理?？紤]到該層承壓水深、厚，且涌水量大等特點(diǎn)，為減少基坑降水對(duì)周邊的影響，本車站采用超深地下連續(xù)墻來(lái)完全隔斷I-2 層承壓水。

圖1 110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)槽段位置示意圖

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 110 m 超深地下連續(xù)墻成槽試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)布置

為探索銑槽機(jī)施工工藝在超深地下連續(xù)墻施工中的極限，驗(yàn)證百米級(jí)的超深地下連續(xù)墻在軟土、砂粉土等復(fù)雜地層中施工的可行性，掌握超深地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定及對(duì)周圍環(huán)境影響的控制方法，依托于寧波軌道交通3 號(hào)線兒童公園站基坑工程，共選取3 幅槽段進(jìn)行了110 m 超深地下連續(xù)墻成槽試驗(yàn)，槽段設(shè)計(jì)厚度1 m，具體分幅示意圖如圖2 所示。其中，一期槽段和二期槽段均通過(guò)兩次銑槽完成，對(duì)應(yīng)的槽段開(kāi)挖寬度為4.6 m，第1 銑寬度為2.8 m，第2 銑在一邊實(shí)一邊空的情況下施工剩余1.8 m寬的槽段；待槽段銑槽結(jié)束后，下放鋼筋籠，澆筑混凝土。三期槽段在前兩期槽段施工結(jié)束后進(jìn)行，槽段開(kāi)挖寬度為2.8 m，利用銑槽機(jī)直接切削已成槽段的混凝土，形成帶有細(xì)微鋸齒狀的粗糙混凝土接觸面，切割的混凝土（陰影部分）寬度為每側(cè)30 cm，最終銑槽完成后下放鋼筋籠并澆筑混凝土。試驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了成槽精度和土體沉降。

圖2 槽段劃分示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

三期槽段和前兩期槽段之間通過(guò)銑槽形成的粗糙混凝土接觸面提高了接縫的咬合程度，形成止水良好且致密的地下連續(xù)墻接頭。但110 m 超深地下連續(xù)墻接縫防水保證的前提是確保地下連續(xù)墻施工精度符合要求。通過(guò)超聲波檢測(cè)成槽質(zhì)量，整個(gè)施工過(guò)程將槽壁變形控制在9 cm 內(nèi)，即可滿足110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)的成槽精度為1/1 000（即11 cm）的要求?？紤]到實(shí)際施工過(guò)程中，地下連續(xù)墻沿著槽壁的橫向開(kāi)挖，端頭變形隨著開(kāi)挖的進(jìn)行被不斷抵消，因此施工中主要關(guān)注槽壁的側(cè)向變形。側(cè)向變形是指110 m 超深地下連續(xù)墻槽壁相對(duì)于設(shè)計(jì)厚度1 m（如圖2 所示）的附加變形。

對(duì)于成槽過(guò)程中引起的地表累積沉降，實(shí)測(cè)主要影響范圍在距110 m 超深地下連續(xù)墻5 m 左右，但總體來(lái)看引起的沉降較小。這主要是因?yàn)樵诔刹矍安捎盟嗤翑嚢铇秾?duì)地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行了加固。而在成槽過(guò)程中，最大地表沉降速率發(fā)生在成槽期間，隨著成槽完成，地表沉降速率開(kāi)始減緩，澆筑混凝土期間，流態(tài)混凝土作用在槽壁上的力大于泥漿壓力，地表會(huì)出現(xiàn)少許上抬。一期槽段外累計(jì)最大地表沉降點(diǎn)在施工期間變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 110 m 超深地下連續(xù)墻一期槽段成槽引起的地表沉降

為進(jìn)一步了解110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)對(duì)各層土體的具體擾動(dòng)，于三期槽段中部外1 m、5 m、10 m 處設(shè)置3 處測(cè)孔，布置沉降磁環(huán)，以監(jiān)測(cè)土層分層沉降。因受施工條件限制，測(cè)孔深度僅設(shè)置到地表以下50 m 范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)所得各土層的豎向位移結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，各土層沉降主要發(fā)生在槽壁附近（即1 m 處的測(cè)孔），而稍遠(yuǎn)處沉降較小，10 m處基本沒(méi)有沉降。此外，相較于其他土層，2-2 淤泥質(zhì)黏土層和6-2 粉質(zhì)黏土層沉降更大，這主要是由于其土質(zhì)較差，如表1 所示，其變形模量均較小。另外，6-2 層作為第I2 承壓水層的上覆土層，因地下連續(xù)墻成槽導(dǎo)致承壓水泄壓，不可避免地會(huì)引起上覆土層的沉降。但總體而言，各土層的沉降量級(jí)較小，110 m 超深地下連續(xù)墻銑槽法施工對(duì)周邊土層豎向變形影響較小。

圖4 三期槽段測(cè)孔的分層豎向位移累積示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為進(jìn)一步分析110 m 超深地下連續(xù)墻銑槽工藝對(duì)槽壁變形及地表沉降的影響，在上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用Plaxis 3D 有限元計(jì)算軟件對(duì)成槽過(guò)程進(jìn)行施工模擬。模擬包括3 幅110 m 超深地下連續(xù)墻槽段、加固區(qū)及周圍一定范圍土體。具體的數(shù)值模擬步驟見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬步驟

土層采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型（HSS），土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。采用面荷載來(lái)模擬泥漿護(hù)壁時(shí)槽壁的壓力，即面荷載取為γb·h（其中γb為泥漿重度，h 為開(kāi)挖深度）。而對(duì)于混凝土澆筑階段流態(tài)混凝土對(duì)槽壁壓力的模擬則基于目前廣泛使用的流態(tài)混凝土壓力雙線性分布模式［9］，其示意圖如圖5 所示。

流態(tài)混凝土壓應(yīng)力分布表達(dá)式如下：

式中：

σ——泥漿護(hù)壁時(shí)槽壁的壓應(yīng)力；

γcon——流態(tài)混凝土重度；

hcrit——流態(tài)混凝土靜水壓力分布臨界深度，通常選為H/3（H 為槽段最終開(kāi)挖深度）。

圖5 泥漿護(hù)壁及混凝土澆筑階段面荷載模擬示意圖

圖6 混凝土終凝時(shí)槽壁的整體側(cè)向變形模擬示意圖

圖7 各階段槽段側(cè)向變形對(duì)比

3.2 槽壁側(cè)向變形

圖6 為開(kāi)挖結(jié)束后，混凝土終凝時(shí)槽壁的整體側(cè)向變形模擬，可以看出，槽壁上半部分在側(cè)向向外變形，而在下半部分則向槽內(nèi)方向變形。這主要是因?yàn)樵谀M混凝土澆筑階段時(shí)，在hcrit以上流態(tài)混凝土壓應(yīng)力分布的斜率取為混凝土的實(shí)際重度（γcon=23.0 kN/m3），其大小要大于槽壁后的水土壓力，從而擠壓槽壁向外變形；而hcrit以下流態(tài)混凝土的壓應(yīng)力分布的斜率則與泥漿重度（γb=11.0 kN/m3）一致，此時(shí)隨著開(kāi)挖深度的不斷加大，流態(tài)混凝土所提供的壓力不足以抵擋周圍的水土壓力，從而槽壁向內(nèi)變形。

在本試驗(yàn)槽段中，三期槽段槽壁的最大變形主要發(fā)生在80 ～100 m 深處（即9-1B 細(xì)砂層），三期槽段的最大側(cè)向變形要明顯小于前兩期槽段?？紤]到一期槽段和二期槽段成槽方式上基本一致，而三期槽在一、二期槽段澆筑完混凝土一段時(shí)間后才進(jìn)行施工，相當(dāng)于對(duì)三期槽段兩端進(jìn)行了“加固”。模擬所得一期槽段、二期槽段和三期槽段在混凝土終凝時(shí)所對(duì)應(yīng)的槽壁最大側(cè)向變形分別為9.36 cm、9.16 cm 和2.39 cm。

進(jìn)一步對(duì)成槽過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)比泥漿護(hù)壁、混凝土澆筑和混凝土終凝3 個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的槽壁側(cè)向變形，如圖7 所示?？紤]到泥漿所能提供的壓力大部分與土體中的水壓力相抵消，對(duì)于各期槽段，在泥漿護(hù)壁階段，槽段總體向內(nèi)變形；而在混凝土澆筑后，在流態(tài)混凝土的作用下，槽段相較于泥漿護(hù)壁階段向槽壁外側(cè)變形；最后在混凝土終凝時(shí)，由于流態(tài)混凝土因凝固而不斷喪失其靜水壓力，在水土壓力作用下混凝土被擠壓，槽壁又向內(nèi)側(cè)稍微變形，但由于混凝土強(qiáng)度迅速提高，故變形很小。因此，在成槽過(guò)程中，每階段的變形控制都影響著最終混凝土終凝時(shí)的成槽精度。尤其在泥漿護(hù)壁階段，對(duì)于超深地下連續(xù)墻，由于其開(kāi)挖深度大，當(dāng)開(kāi)挖達(dá)到一定深度后，泥漿的壓力可能無(wú)法抵抗水土壓力而導(dǎo)致槽壁坍塌，其多見(jiàn)于砂土層。因此在實(shí)際施工中，通常隨深度增加而增大泥漿密度以確保槽壁穩(wěn)定。在本次110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)中，施工至60 m 以下時(shí)，即加大泥漿密度，并減緩下銑速率來(lái)確保成槽精度。

3.3 地表沉降

作為泥漿護(hù)壁成槽過(guò)程中槽壁整體失穩(wěn)的主要形式，施工過(guò)程中更應(yīng)關(guān)注淺層失穩(wěn)。在110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)過(guò)程中采用φ850 mm@600 mm 水泥土攪拌樁在地下連續(xù)墻兩側(cè)加固槽壁，加固深度為15 m。成槽過(guò)程中引起的地表累積沉降如圖8 所示。地表沉降測(cè)點(diǎn)分別位于一期槽段外2 m、5 m、10 m處，模擬所得結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，累計(jì)沉降曲線呈漏斗狀，靠近槽段下沉量較大，往兩側(cè)蔓延影響逐漸減小。通過(guò)對(duì)槽壁兩側(cè)有無(wú)加固進(jìn)行對(duì)比可以明顯地看出，在對(duì)地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行加固后，地表累積沉降量可減小35%左右，一定程度上說(shuō)明了槽段加固的必要性。除此以外，在實(shí)際施工過(guò)程中，考慮到淺地層均為極軟弱的淤泥土（約在地面下4 ～15 m 范圍），并且此工藝成槽時(shí)間較長(zhǎng)（一般一期槽、二期槽為2.5 ～4.0 d，三期槽為1.5 ～3.0 d），在施工機(jī)械及地表局部超載等因素的作用下，成槽過(guò)程中這部分土易塌方，因此在成槽前對(duì)槽段兩邊作加固很有必要。

圖8 110 m 超深地下連續(xù)墻施工結(jié)束引起的地表累積沉降

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托寧波軌道交通3 號(hào)線兒童公園站基坑工程，結(jié)合110 m 超深地下連續(xù)墻成槽試驗(yàn)，分析了土體沉降等實(shí)測(cè)結(jié)果，并通過(guò)數(shù)值模擬研究了超深地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中所引起的地層擾動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：

1）銑槽工藝可以很好地控制成槽過(guò)程引起的地層擾動(dòng)，成槽精度可達(dá)到1/1 000；槽施工引起的地表累計(jì)沉降曲線呈現(xiàn)漏斗形狀，靠近槽段下沉量較大，往兩側(cè)蔓延影響逐漸減小，各土層分層沉降穩(wěn)定，總體沉降量較小。

2）在泥漿護(hù)壁階段，槽段向槽壁內(nèi)側(cè)變形，而在混凝土澆筑階段，槽壁的上部變形向槽外，最終凝固后向槽內(nèi)方向產(chǎn)生少許變形。在所使用的銑槽工藝下，三期槽的槽壁側(cè)向變形明顯小于前兩期槽，槽壁側(cè)向變形的控制效果主要取決于對(duì)前兩期槽的控制；槽段深度越大，槽壁側(cè)向變形控制效果越差。

3）110 m 超深地下連續(xù)墻的最大變形主要發(fā)生在細(xì)砂層，實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中需嚴(yán)格控制泥漿密度，防止砂土層塌孔。考慮到110 m 超深地下連續(xù)墻成槽深度大、時(shí)間久的特點(diǎn)，在成槽前需對(duì)槽段兩側(cè)地表軟弱土層進(jìn)行加固，還應(yīng)在施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿的密度、黏度、含砂率、pH 值等關(guān)鍵指標(biāo)，必要時(shí)及時(shí)補(bǔ)充新泥漿，以確保成槽的穩(wěn)定性。