超深地下連續墻槽壁穩定性探討

危 偉

（中鐵二十四局集團有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

地下連續墻技術的應用較為廣泛，但在實際應用過程中槽壁的穩定性問題沒有得到較好地解決。由于地下連續墻槽壁的穩定性影響因素較多，且相關技術人員缺乏足夠的認識，缺乏科學的預見性，導致無法有效地控制地下連續墻槽壁失穩現象。超深地下連續墻槽壁穩定性與工程整體的施工質量、施工效率有很大的關系，而泥漿質量與槽壁穩定性有著直接聯系。本文借助有限差分技術，引入強度折減等相關概念，通過分析與計算，得出地下連續墻槽壁穩定性的對應安全系數。

1 超深地下連續墻槽壁失穩機理

1.1 整體穩定性

在超深地下連續墻開挖工程中，通過對槽壁失穩現象進行調查與分析可知，槽孔開挖深度一般在20m以上，槽壁失穩現象通常發生在10m~20m的土層中，導墻的正下方會出現土體鼓出的情況，并且在地表面沿著槽長布展，大多為橢圓形。通常情況下，當泥漿降至地下水位大概1m位置處會出現槽壁失穩現象，在槽壁失穩狀態中，地基變形速率為0.1mm/h。根據泥漿護壁開挖槽段穩定的三維顯示，越靠近地表，土體的穩定性越差，通過離心試驗可知，當地面有超載現象時，更容易出現槽壁失穩情況。通過對三維數值的分析可知，當施工條件正常時，導墻對槽壁的穩定性沒有較大的影響；泥漿液面和地下水位之間的高度差相對穩定時，地下水位越低，整體穩定性則變得越差。

1.2 局部穩定性

在地基土體中，如果出現軟夾層，則會對局部穩定性產生較大的影響，甚至造成超挖情況，從而使得混凝土灌注充盈系統變大，大大增加施工的成本，并且施工難度也會隨之增加。除了土體剪切強度之外，槽壁周邊地基的滲透也會影響局部的穩定性。泥皮形成之前，泥漿的滲透會出現滲透力，以確保槽壁局部的穩定，一旦滲透力與槽壁的土壓力無法保持平衡的時候，則會導致槽壁局部出現失穩現象。

1.3 土拱與時間效應

利用有限元法對槽段開挖周邊地基土體的主應力分布進行分析，可知土拱效應對應力重分布有較大的影響，并且部分槽段的中部土壓力會發生轉移，從而降低失穩的壓力，由此可見，土拱效應對開挖穩定性有一定的積極作用。同時，在時間的作用下，開挖卸荷引發的地基土體空隙應力會逐漸消散，從而使槽壁周邊的土體發生位移，導致穩定性大大降低，與黏性土相比，高滲透的砂性土的發生時間會更短。所以，在具體施工中應加快施工速度，以確保穩定性。

2 超深地下連續墻槽壁穩定性的影響因素

2.1 地下水位

根據力學理論可知，當泥漿壓力比地下水壓力大的時候，并且可以與部分土壓力處于平衡狀態時，才能夠充分發揮護壁作用。所以，泥漿液面和地下水位保持合理的高差是槽壁穩定性的有效控制條件。通常情況下，泥漿液面應比地下水位至少高出1m或者1.5m。離心模型、室內模型等都是根據增加地下水位、降低泥漿液面的高度等方法建立的，部分失穩現象的出現可能是由于斷層、裂隙等情況導致跑漿，使得泥漿液面低于地下水位，從而造成失穩；也可能是洪水的出現使地下水位上升，并高出泥漿液面，從而造成失穩。地下水位和泥漿密度之間的關系如圖1所示。地下水位越高，失穩的可能性就越大，平衡所需的泥漿密度則越大。

圖1 地下水位和泥漿密度的關系

2.2 泥漿性質

通常情況下，護壁泥漿使用的是膨潤土，主要由蒙脫石黏土組成，遇水會發生水化反應，沒有添加劑的時候，在咸水中會發生絮凝現象。在開挖護壁中，弱膠結性質主要有兩方面的作用，一方面，有助于使部分土顆粒懸浮，減少浮泥出現；另一方面，當泥漿向孔隙的周邊滲透時，孔隙被黏土顆粒堵塞之后，便會快速在槽壁上形成泥皮，確保泥漿靜態壓力作用在槽壁上，對抗槽壁周邊土體的水土壓力[1]。

2.3 土質條件

地基土質抗剪強度指標對槽壁的穩定性有著較大的影響，土體的內摩擦角越小，槽壁便越容易出現坍塌現象，土體的密實度對槽壁穩定性也會有一定的影響。內摩擦角對安全系數的影響如圖2所示，在4°~8°范圍內，一般情況下內摩擦角越大，槽壁的穩定性越強。在泥漿護壁下，黏性土具有較高的密實度，很容易形成泥皮，當黏聚力越大的時候，泥漿容重則越小。對于非黏性土，其空隙比較大，在滲透土層一定距離之后，在膠凝作用下則會停止滲透，并在槽壁形成泥皮，由此可見，土質的條件、顆粒大小等，對槽壁穩定性有著較大的影響。當土質較差的時候，則沒有中間顆粒，孔隙便會比較大，無法形成泥皮，而泥漿的滲透距離過長，造成一定的流失，大大降低了槽壁的穩定性。

圖2 內摩擦角對安全系數的影響

2.4 施工因素

地下連續墻槽壁的穩定性和施工有著密切關系。首先，開挖機械重量、振動等對開挖穩定性有不利影響，在開挖之前，通常會埋設1m~2m的導墻，以把控開挖垂直度，確保臨空面土體的穩定。如果開挖時間過長，或者槽孔靜置過久，那么泥漿則會沉淀或者絮凝，容重相對變小，導致穩定性大大降低[2]。最后，形成超載情況，超載的重量及分布等都會影響穩定性。在施工過程中，地面的荷載、機械振動等所產生的動荷載，對槽壁穩定性非常不利。

3 超深地下連續墻槽壁穩定性的數值計算

3.1 強度折減法

超深地下連續墻槽壁的穩定性通常使用安全系數進行評價，其主要是在極限平衡狀態分析方法基礎上的一種評價指標，而數值計算則是與其并行的一種方法，比較側重于破壞機理。超深地下連續墻槽壁穩定性的安全系數，指的是槽壁到達破壞的臨界值時，實際的抗剪強度與臨界破壞折減后的剪切強度兩者之間的比值。該方法是通過對土體強度指標進行不斷調整，直到臨界破壞時得出折減系數，屬于安全系數。FLAC3D是一種專業的巖土工程分析軟件，計算功能非常強大，通過借助該軟件求解安全系數的時候，先設定一個較大的黏聚力數值，改變土體應力，并找出力平衡的時步，然后對設定的安全系數執行時步。如果不平衡力、典型內力比率小于10-3，那么體系便達到了力平衡；如果比率大于10-3，則需要再次執行時步，一直到小于10-3時，開始新一輪的折減計算[3]。

3.2 數值計算模型

超深地下連續墻的寬度方向，構建對稱平面計算模型，寬5m、高80m，總共為1560個單元。左邊界屬于對稱邊界條件，開挖寬度是0.5m，深度是67m；右邊增加X向水平約束，前側與后側增加Y向的水平約束，在底部增加X、Y、Z固定約束。同時，第一層承壓水頭增加-4m~-17m的單元上面，第二層承壓水頭增加-17m~-33m的單元上。在具體施工過程中，地下連續墻從開挖至混凝土灌注，耗時較短，因此，槽壁穩定性只需要考慮靜力平衡條件。

3.3 承壓水與穩定性

承壓水頭對超深地下連續墻槽壁穩定性有著較大的影響，在-17m~-33m的地下連續墻槽壁中，受到承壓水頭的作用影響，出現坑內位移，且具有一定的流砂趨勢，地下連續墻槽壁的穩定性較低。數值計算的結果與安全系數存在出入，主要是因為在計算安全系數的時候，從槽壁的整體壓力與泥漿壓力平衡方面著手考慮，在計算數值的時候，則從承壓水作用下槽壁的局部穩定方面考慮，所以，FLAC3D的計算結果具有較高的可靠性。在無承壓水的地層開挖時，槽壁會在泥漿壓力作用下，逐漸向外擠壓，泥漿和周圍土體的壓力則處于平衡狀態。所以，當地層有承壓水的時候，應調整泥漿容重、液面高度，以提升槽壁的穩定性[4]。

3.4 泥漿參數

通過對泥漿液面高度、容重的提升，加大泥漿的黏度，減小含砂率，有效提升泥漿護壁的效果。由于數值計算具有一定的相似性，對泥漿容重、液面高度等參數選擇展開探究。地下連續墻槽壁穩定性的安全系數與泥漿液面高度、容重等呈近似正比關系。如果泥漿容重是12.5kN/m3，泥漿液面與地面持平的時候，安全系數為1.04；如果泥漿容重是14.5kN/m3，泥漿液面比地面高出2m的時候，安全系數為2.3。由于泥漿容重難以超過13kN/m3，通過調整泥漿液面的高度，泥漿容重配置為12.5kN/m3，并將泥漿液面高度增加1m左右，安全系數則會達到1.4，從而確保地下連續墻槽壁的穩定。

4 超深地下連續墻槽壁穩定性控制措施

4.1 制作導墻與型鋼處理空槽

在軟土層地帶，應用現澆L形的鋼筋混凝土導墻，標準的導墻深度為1.5m，深導墻的深度為2.0m~2.5m，其厚度大于0.25m。通過對地下連續墻的上方10m空槽進行有效處理，確保在臨近連續墻施工的時候可以順利成槽。一般情況下，使用混凝土在空槽位置進行澆筑，然后在開挖之后清除上方的混凝土。但是這樣的方法不僅浪費資源，還浪費人力。當首開幅完成混凝土澆筑的時候，在型鋼中間填充素土，然后在閉合幅施工完成之后，將空槽中的部分型鋼進行回收[5]。

4.2 避免成槽機等設備的影響

在成槽機施工處與鋼筋加工處，使用混凝土硬化。在成槽施工過程中，在停機處鋪設4cm的鋼板。在成槽過程中，應堅持慢放、平穩入槽與出槽等原則，盡量避免動荷載對槽壁造成較大的影響。在挖槽過程中，成槽機抓斗、導墻的中心線重合，抓斗一側靠近畫線處，確保設計的穩定，將導板面調整至能夠順利入槽。當挖深超出導墻的底部之后，開始注入泥漿，確保泥漿面和導墻的上部之間保留0.3m~0.5m的空間，當處于2.5m的開挖范圍之內的時候，盡量不要移動機具，并隨機糾偏，確保垂直度。

4.3 合理控制地下水位的高度

遇到軟土層或者流沙層的時候，成槽過程應慢速推進，并適當增加泥漿的密度，保證槽段內部的液面比地下水位至少高出0.5m，當槽段成孔之后，放入鋼筋，澆筑混凝土，縮減挖槽與混凝土澆筑之間的時間，使地下水位下降，以降低水流沖擊。

4.4 嚴格把控泥漿質量與處理工藝

對于護壁泥漿的配比，水∶膨潤土∶CMC∶純堿=100∶（8~10）∶（0.1~0.3）∶（0.3~0.4）。當在復雜地質條件下，可以適當加大泥漿占比。若增加膨潤土無法滿足相應的需求時，還可以添加重晶石，從而提升泥漿的比重。在配置泥漿的時候，在攪拌機加水旋轉之后，均勻加入膨潤土，然后依次加入CMC、純堿、定量水，在攪拌之后，添加膨潤土水溶液再次攪拌，并在儲漿池內放置24h后投入使用。

5 案例分析

以某地鐵工程為例，某站總長為206m，標準段寬為19m，車站的埋深為18 m，地下連續墻的最大深度為40m，寬度為6m，厚度為1m，施工難度比較大，且地質中含有淤泥質土、黏土、液化砂層等。該位置初見水位的埋深是1.8m~4.1m，初見水位的標高是2.1m~5.1m，穩定位的埋深是0.3m~3.6m，穩定水位的標高是3.1m~6.5m。

在地下連續墻的施工過程中，在泥漿護壁情況下，使用挖槽機械開挖溝槽，當開挖到設定好的深度，并將沉淀物清除干凈之后，將鋼筋骨架調入溝槽里面，然后灌注混凝土到標高處，成為一個單元槽段，每一個單元槽之間使用接頭連接，形成混凝土墻。

結合工程地質水文實際情況，合理控制槽段豎向分層、泥漿的配比。在成槽期間，由專門的工作人員使用量具測量槽深，依據豎向分層的情況，及時向槽內填充泥漿，增加相應的監測次數，并適當調整泥漿的指標，以保證在泥漿性能指標內。超深地下連續墻的成槽時間比較長，通常需要18h~24h之間，并且成槽機械較重，在成槽機等設備工作區域鋪墊鋼板，以此分散壓力，防止地面超載造成土體側壓過大，使得槽壁出現坍塌現象。在深槽內開挖的時候，抓斗通常借助液壓設備等進行抓土，如果土質過硬，挖土效率會大大降低。在地下水位比較高的砂土中，槽內泥漿液面較低或者性能指標差、槽壁受到震動等，會導致槽壁出現坍塌現象。因此，在抓斗入槽與出槽的時候，應保證勻速進行，控制好垂直度。在抓斗施工過程中，將速度控制在1m/s之內；在黏土或者砂土等土層開挖時，將下切速度控制在1m/h之內；在其他地層中，可以適當增加下切速度。針對特殊槽段，可以在其周邊預先注漿進行加固；針對施工作業，通過合理把控施工進度，防止在成槽期間停工時間較久而出現坍塌現象。

6 結束語

復雜地質條件下超深地下連續墻槽壁的穩定性受到地下水位、泥漿性質、土質條件、施工技術等多種因素影響。通過利用強度折減法對槽壁穩定性的數值進行計算，并采取合理的應對措施，制作導墻與型鋼處理空槽，控制泥漿質量與處理工藝，合理控制地下水位的高度等，防止槽壁失穩現象的發生，確保槽壁的安全。