超深地下連續墻槽壁穩定分析與工程實踐

王 彬，劉小成，姜捷濱，孫廣坤，蔡江勇

（1.湖北城市建設職業技術學院，武漢 430205；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070）

地下連續墻的施工技術在我國起步較晚，但發展十分迅速［1］。深基坑地下連續墻施工過程中廣泛采用泥漿護壁技術，利用泥漿對槽壁的水平靜止壓力以抵抗地層土壓力和水壓力之間力從而獲得槽壁的平衡、穩定，若這種平衡不能滿足時，即泥漿壓力較小，就會造成槽壁整體失穩破壞或者局部坍塌，從而影響地下連續墻的施工質量，甚至導致路面開裂、周圍地表下沉和地面管線損壞等工程事故［2－3］。目前對于槽壁穩定的分析有二維和三維的方法，三維分析能夠更準確揭示穩定機理，但較為復雜［4－5］。該文以某超深地下連續墻工程實例為背景，首先按朗肯土壓力理論方法對槽壁穩定進行了計算分析，然后在考慮三維分析拱效應的有利影響的基礎上，提出合理可行的槽壁加固的具體措施。

1 工程概況

某高層建筑基坑地下連續墻以6m 長劃分為59幅1 200mm 厚和110幅1 000mm 厚地下連續墻。首開幅地墻在其寬度的邊側附加了H 型鋼作為槽段接頭，對于1 200 mm 厚地下連續墻采用型鋼截面為H1 094×500×14×14的工字型鋼，1 000mm 厚地下連續墻采用型鋼截面為H890×500×10×10的工字型鋼。

建筑地下室底標高為－27.5m，但由于工程距長江邊較近，設計要求地下連續墻槽段需確保進入中風化細砂巖不小于1m，或中風化泥巖不小于1.5m，以實現地下連續墻完全隔水的功能作用。因此，根據地質勘察報告和現場情況，地下連續墻底最淺標高為－45.6m，最深為57.1m。此外，工程場地存在上層滯水、潛水和承壓水的情況，其中承壓水埋深3～5m，汛期承壓水水頭在地面左右。

2 二維計算分析

地下連續墻在成槽施工期間，槽內注滿泥漿，泥漿的比重較水大，當泥漿面高于地下水位時，泥漿就會在較大的壓力作用下向土體滲透，并將膨潤土及土顆粒過濾沉積形成泥皮，構成在槽孔兩側壁面的半透水或不透水的隔斷層。通過隔斷層，泥漿的壓力將起到與土壓力和地下水壓力消減或平衡的作用。此外，槽壁上的泥皮的粉飾和固壁作用有利于防止槽壁上的土顆粒坍落、減少地層變位和增加壁面強度。從槽壁內泥皮兩側的壓力平衡看，影響槽壁穩定的因素主要有地下水位、泥漿液面高度、地質條件和土拱效應。

為保證地下連續墻槽壁在施工過程中的穩定，不發生坍塌，一個主要的條件就是槽壁處土壓力與地下水壓力之和不能大于槽壁內同深度處護臂泥漿的壓力［6］。該工程地質條件如表1所示，共有9個土層，地下水位取在－0.94m 處，采用朗肯土壓力理論方法，計算各層土和地下水壓力列于圖1。作為比較，同時計算出泥漿壓力沿深度方向的分布，也列于圖1中。

表1 地質資料

郎金主動土壓力強度計算公式

式中，γt為土的重度；c、φ為分別為土的黏聚力和內摩擦角；z為計算點深度；Ka為主動土壓力系數。

槽孔中的泥漿對槽壁的壓力

式中，γj為泥漿的容重，采用11kN／m3。

從圖2的計算結果比較可以看到，從地面往下各土層中，土和地下水的壓力均大于護壁泥漿壓力，尤其是在－12.74m（第4層土）及以上段，兩者壓力相差近1倍，從第4層土再往下越深壓力相差反而越來越小。

計算中未考慮地面荷載的作用影響，實際工程中的地面荷載主要是成槽機和裝卸車的重量作用，其荷載作用大且離槽壁近。分析表明［3，7］這一作用主要影響范圍在地面下－5～－12m 之間，因此，必須采取有效措施以保證槽壁穩定。

3 基于拱效應的處理措施

郎金主動土壓力強度方法實際上是基于槽壁長度為無限長的二維模型的計算結果，但實際的槽壁沿槽孔長度方向的尺寸是有限的，按照三維空間結構模型進行分析更接近實際。工程中通過首開幅和閉合幅的分批開挖，將槽段的長度方向限制在一個較小的尺寸內，本工程為6m，這也是通常的成槽機作業的標準尺寸。諸多已有的空間分析成果表明［3，7－8］，在此有限坑槽長度的條件下，土體結構中可形成拋物線形的卸載拱，如圖2所示，該拱的形成會顯著限制對槽壁產生水平土壓力的土區范圍和大小，特別當槽孔的長度遠小于深度時，拱效應更為明顯，土層越深則拱效應的有利影響越大［7－8］。

槽壁水平主動壓力中，地下水占到很大的比重，對此有采用部分或全部降水的方法進行處理的，但本工程離長江邊較近，除上層滯水外還存在潛水和承壓水，加上地面附加荷載的不利情況，降水的方法并不能完全解決問題。

綜合考慮上述各方面影響因素，決定采用單軸水泥土攪拌樁槽壁加固的方法，對水平壓力較大的上層進行加固處理，同時對槽段連接處設置大直徑高壓旋噴樁進行隔水強化處理，詳見圖3，工程實踐表明該方法較好地解決了槽壁穩定的問題，同時也加強了地下連續墻的隔水效果。

4 結論

地下連續墻槽壁穩定受地下水的影響較大，因此對于處于長江邊的地下連續墻成孔施工需采取適當措施確保施工期間槽孔穩定。

工程實例的計算分析表明，沿深度方向土壓力和地下水的水平壓力在－4～－12m 的區段較大，幾乎是護壁泥漿水平壓力的2倍，需要進行必要的處理。考慮到三維分析所形成的拱效應的有利影響，提出了僅在主動壓力超大的上層進行單軸水泥土攪拌樁槽壁加固的處理措施，通過現場施工實踐證明是適合可行的。

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