復雜地質(zhì)條件下地連墻成槽塌孔原因分析及解決辦法

駱 松，楊維國，游建華，徐 凱

（中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

大型綜合體項目通常涉及深大基坑施工，地下連續(xù)墻是保證基坑安全施工的主要手段。但在復雜地質(zhì)條件下，地下連續(xù)墻成槽時容易出現(xiàn)槽壁坍塌。采取旋噴樁加固槽壁可以實現(xiàn)在流塑淤泥中順利成槽［1］，且理論上可以論證槽壁加固對減小槽壁水平變形的有效性［2］。本文基于蘇州某深基坑工程的地連墻施工實例，分析地下水位造成成槽塌孔的具體原因，并提出可以防止地下連續(xù)墻成槽塌孔的相關(guān)措施。

1 工程背景

1.1 工程概況

蘇州某商業(yè)綜合體項目整體呈“L”形，總占地面積 9.35 萬 m2，規(guī)劃建筑面積約 77 萬 m2。地上部分為 13 棟單體高層和若干聯(lián)排多層商業(yè)樓，地下部分為整體連通的 4 層地下室。基坑最大挖深為 18.3 m。基坑四周采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，成槽深度達 43.2 m，局部靠近集水井位置地下連續(xù)墻加深。由于位于蘇州老城區(qū)，上部雜填土和中部粉砂層普遍較厚，地質(zhì)條件比較復雜。施工過程中的不確定性因素較多，對槽壁的穩(wěn)定性有較大影響，給地下連續(xù)墻施工帶來很大挑戰(zhàn)。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

1）工程地質(zhì)。

本工程施工區(qū)域的土層為新生界第四系地層，屬太湖水網(wǎng)湖積地層及海陸交相互沉積地層，按照其沉積環(huán)境、成因類型及其工程地質(zhì)特性自上而下分為①層雜填土、②層黏土、③層粉質(zhì)黏土、④-1層粉質(zhì)黏土夾粉土、④-2層粉土夾粉砂、⑤層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑥-1層黏土、⑥-2層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑦層粉土夾粉砂、⑧層粉質(zhì)黏土。地下連續(xù)墻深度進入第⑧層粉質(zhì)黏土，起到充分隔斷位于第⑦層土質(zhì)中的第 I 承壓水的作用。

2）水文地質(zhì)條件。

擬建場地內(nèi)主要分布潛水、微承壓水和承壓水。淺層孔隙潛水賦存于表層填土層中，穩(wěn)定水位埋深0.80～2.90 m，主要接受大氣降水補給，以側(cè)向排泄于河湖為主要排泄途徑，水位隨季節(jié)變化明顯；微承壓水主要貯存于④層粉土系列層中，穩(wěn)定水頭埋深為3.15～3.40 m，主要接受側(cè)向徑流補給及越流補給；第 I 承壓水主要賦存于⑦層粉土夾粉砂層中，歷史最高水位埋深為 6.60 m，最低水位埋深為 6.92 m，主要接受側(cè)向徑流及越流補給，埋藏深。

2 事故案例及原因分析

2.1 事故案例

該深基坑工程地下連續(xù)墻為“疊合墻”，厚度為0.8 m。在施工初期，其中一幅地下連續(xù)墻在成槽完成后進行超聲波檢測槽壁的垂直度，檢測時發(fā)現(xiàn)，槽壁局部已經(jīng)發(fā)生坍塌，但槽壁已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此在完成清底之后下放鋼筋籠并進行混凝土灌注。混凝土灌注過程中，根據(jù)測繩測量灌注深度結(jié)果顯示槽內(nèi)發(fā)生二次塌孔。事后對測量結(jié)果進行分析，槽壁兩次坍塌均發(fā)生在④-2層粉土夾粉砂層。

2.2 原因分析

1）施工荷載擾動影響。

受工期影響，在進行地下連續(xù)墻施工時，場內(nèi)同步進行灌注樁施工。重車道上的混凝土罐車、履帶吊等頻繁行走造成下方土體的震動，以及成槽過程中抓斗上下運行造成泥漿晃動均給泥漿護壁效果帶來不利影響。

2）泥漿指標影響。

在地下連續(xù)墻成槽施工過程中，泥漿能起到護壁、攜渣和潤滑的作用。泥漿從槽壁表面向土層內(nèi)滲透到一定范圍就粘附在土顆粒上，在槽壁上形成的泥皮（不透水膜），使得泥漿的靜水壓力有效地作用在槽壁上，防止槽壁的剝落和坍塌。因此，泥漿的性能是防止成槽塌孔的關(guān)鍵因素之一。

3）地質(zhì)條件影響。

根據(jù)勘察報告可知，蘇州地質(zhì)中存在④-2層粉土夾粉砂層，且厚度在 6～10 m。該層土質(zhì)干強度低，韌性低，搖振反應迅速。本工程地下連續(xù)墻深度較深，需要穿越④-2層粉砂性較重的土層。根據(jù)施工經(jīng)驗，地下連續(xù)墻成槽遇到粉砂性土層時較容易出現(xiàn)槽壁塌孔的情況。

4）地下水位影響。

在遇到軟弱土層或流砂層成槽時，應采取慢速成槽，適當加大泥漿密度，控制槽段內(nèi)液面高于地下水位0.5 m 以上，從而保證泥漿靜水水頭大于地下水位水頭。但由于受拆遷遺留地下障礙的影響，在進場施工前進行大范圍降土以方便障礙清理，地下連續(xù)墻的導墻標高隨之降低，使得成槽期間泥漿液面高度無法滿足高于地下水位至少 0.5 m 的要求。

在施工期間，重車道的施工荷載不可避免，泥漿性能指標經(jīng)實測亦滿足要求，因此，不良地質(zhì)條件及地下水位過高才是該地下連續(xù)墻塌孔的主要原因。

3 處理方案比選

場內(nèi)大范圍降土之后，導墻頂面標高降低，槽內(nèi)泥漿液面隨之降低，降低之后的泥漿液面高度不足以抵消④-2層微承壓水的水頭，造成微承壓水持續(xù)向槽內(nèi)滲透、無法形成泥皮保護，隨著時間的延長砂層逐漸垮塌，甚至波及上部土層。因此，處理方案從控制④-2微承壓水與槽內(nèi)泥漿液面水頭差入手，實現(xiàn)泥漿液面水頭高于④-2微承壓水頭，具體措施可以從提升導墻標高、降低微承壓水水位和槽壁加固三個方面著手。

3.1 提升導墻標高

通過提升導墻標高，可以提高槽內(nèi)泥漿液面標高，使得泥漿液面水頭高于微承壓水頭至少 0.5 m。通過現(xiàn)場試驗，選取其中一幅地下連續(xù)墻將其對應導墻用混凝土加高，然后按照正常施工順序成功完成地下連續(xù)墻的澆筑。考慮到現(xiàn)場已經(jīng)全部降土，全部采取現(xiàn)澆混凝土方式提升導墻標高成本較高，故建議采取可周轉(zhuǎn)使用的型鋼預拼裝導墻。

3.2 降低地下水位

按照地下連續(xù)墻最大幅寬 6 m 考慮，每幅地連墻施工需在外側(cè)設置兩口降水井，沿地墻外側(cè)間隔4 000 mm 等距連續(xù)布置，如圖 1 所示。提前進行降水 1 d、地墻施工過程持續(xù)降水 1 d，單幅地墻的降水管井總計運行 2 d 后關(guān)閉，隨著地連墻成槽轉(zhuǎn)移到下一幅，在新的幅段開啟新的降水管井。

圖1 降水井布置（單位：mm）

由于在圍護結(jié)構(gòu)外實施降水，理論上會在一定程度上波及場外環(huán)境。為降低影響，降水施工需按就近降水的原則，按照圖 2 方式進行地下連續(xù)墻施工。

圖2 就近降水順序圖

3.3 槽壁加固

微承壓水主要存在于④-2層粉土夾粉砂層，該層土體的滲透系數(shù)偏大。按照常見的槽壁加固方式，通過高壓旋噴或三軸攪拌將一定寬度范圍內(nèi)的④-2層沙土層固結(jié)，使得該層土體滲透性大幅降低，切斷槽內(nèi)外的水力聯(lián)系，避免微承壓水徑向滲透破壞槽壁泥皮。

3.4 方案比選

1）工期及費用分析。

①僅考慮基坑西側(cè) 156.8 m 范圍，基坑周邊就近降水，僅需準備鉆機即可投入施工，且不占用基坑圍護內(nèi)的場地，連續(xù)施工 4 d 后即可投入使用；②加高導墻則需要植筋、支設模板和混凝土澆筑等工序，并要求達到設計強度后方能進行成槽施工，預估 15 d 全部完成；③三軸旋噴樁槽壁加固則需重新組織大型設備進場，旋噴加固完成后需強度滿足設計強度才能進行成槽施工，受場地限制預估 25 d 完成。另外，三種方案的測算成本相差不大，加高導墻方案成本最低，槽壁加固方案成本最高，基坑周邊就近降水成本居中。

2）方案優(yōu)缺點分析。

基坑周邊就近降水方法簡便，能節(jié)省工期，但會涉及到后期短時間內(nèi)的運營和圍護。同時，即便針對潛水層和微承壓水層進行短期降水，也會對周邊環(huán)境造成可恢復性影響，在施工前需進行論證和分析。導墻加高方案雖然成本較低，但方法比較繁瑣，涉及混凝土施工的全部工序，且加高后與已有重車道形成高低差，對成槽施工和地下連續(xù)墻混凝土施工均帶來不便。三軸槽壁加固方法成熟，且施工完成后可以提高地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量，但由于大型設備的重新進場、破除已施工混凝土導墻等前期準備工作比較多，同時大量占用場內(nèi)施工道路，因此工期較長且不利于場內(nèi)交叉施工。

結(jié)合實際情況、成本及工期等對比分析總結(jié)如表 1 所示。

表1 方案比選表

4 防止地下連續(xù)墻槽壁坍塌的控制措施

通過現(xiàn)場進行導墻標高提升、降低微承壓水水位和槽壁加固三種試驗方案的實施，均表明地下水位標高的高低及成槽過程中的泥漿護壁效果好壞對能否順利成槽影響較大。因此，在實際施工時宜采取以下控制措施防止槽壁坍塌。

1）地下水頭控制。

根據(jù)相關(guān)的技術(shù)要求，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，成槽時的槽段內(nèi)泥漿液面應高出地下水位 0.5 m 左右才能有效控制地下水頭。如導墻局部高差不足時，可采取增大泥漿比重的措施，或者采取降水的措施。

2）泥漿控制。

采用優(yōu)質(zhì)膨潤土制備泥漿，使泥漿具有良好物理、化學穩(wěn)定性。一般泥漿可以循環(huán)使用三次，循環(huán)過程中需使用泥漿分離設備。如果在成槽施工工程中泥漿含砂率比較大即含砂率＞8 % 時或槽內(nèi)泥漿回收時，需要用泥漿分離設備分離砂粒。

3）施工荷載控制。

在槽段成槽過程中，盡量控制大型機械在槽段邊的擾動，以及嚴格控制槽段邊的物體堆載情況，盡量減少外部施工荷載對槽壁穩(wěn)定性的影響。

5 結(jié)語

地下連續(xù)墻在施工過程中受地質(zhì)條件和水文條件影響較大，一旦出現(xiàn)問題將造成極大成本浪費。結(jié)合現(xiàn)場實際案例，分析地下連續(xù)墻在不利地質(zhì)條件下成槽頻繁塌孔的原因，并針對性制定提升導墻標高、降低微承壓水水位和槽壁加固等措施，擇優(yōu)選取處理方案，保證槽壁的施工穩(wěn)定，順利完成圍護結(jié)構(gòu)施工，為今后類似深大基坑圍護結(jié)構(gòu)施工提供了有價值的技術(shù)指導和經(jīng)驗做法。