蘇州軟土超深地下連續(xù)墻成槽施工地層穩(wěn)定控制

淦述許

（中鐵十七局集團(tuán)上海軌道交通工程有限公司，上海 200135）

近年來(lái)，我國(guó)城市地下空間工程迅猛發(fā)展，特別是地鐵工程建設(shè)，常常在城市主干道進(jìn)行，城市主干道周邊的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，管線比較多，臨近建筑物施工也是經(jīng)常遇到的問(wèn)題，整個(gè)建設(shè)難度持續(xù)增加。長(zhǎng)三角軟土地區(qū)，受地質(zhì)條件影響，地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工往往采用地下連續(xù)墻比較多。地下連續(xù)墻本身具有結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，可在地下形成一道擁有防滲、擋水和擋土等作用的連續(xù)鋼筋混凝土墻壁。地連墻施工中周?chē)馏w會(huì)因?yàn)槭軘_動(dòng)后產(chǎn)生應(yīng)力釋放和補(bǔ)償產(chǎn)生一定的變形。成槽過(guò)程對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)最為明顯，如不加以控制，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致地表嚴(yán)重沉降，有些沉降量甚至可達(dá)到后期總沉降量的30%～50%。隨著地層變形不斷增加，圍護(hù)地下連續(xù)墻離建筑物越來(lái)越近，槽壁發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加。

地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中，一般會(huì)出現(xiàn)整體和局部失穩(wěn)兩種不良狀態(tài)。地表以下一定深度處發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象一般為整體失穩(wěn)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)從下而上延伸，直到地表面，進(jìn)而在地表出現(xiàn)塌陷或者裂縫等現(xiàn)象。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(huì)導(dǎo)致灌注混凝土的充盈系數(shù)變大，施工成本增加。相比而言，槽壁整體失穩(wěn)對(duì)工程影響較大，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致機(jī)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(diǎn)問(wèn)題。

Nash & Jone對(duì)地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)采用了平面分析法，提出了槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，Morgenstern對(duì)破壞模型滑動(dòng)面處阻力的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn)，并考慮了因懸浮顆粒物引起的泥漿重度的變化，得到了整體失穩(wěn)經(jīng)典二維理論分析模型。Filz考慮地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中泥膜效應(yīng)，提出泥膜形成標(biāo)準(zhǔn)，并建立泥膜作用下槽壁安全系數(shù)計(jì)算方法。Piaskowski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(xué)者對(duì)三維模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮了土拱效應(yīng)和尺寸效應(yīng)對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響。基于塑性理論的上限分析比極限平衡分析法更能反映失穩(wěn)特征，并通過(guò)最優(yōu)化分析可以得到更準(zhǔn)確地破壞模式。Han提出了整體失穩(wěn)三維機(jī)動(dòng)破壞模型，更好地反映了整體失穩(wěn)極限狀態(tài)下土體行為特征。

文章以蘇州地鐵5號(hào)線某車(chē)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(wèn)題。針對(duì)施工中出現(xiàn)的地層失穩(wěn)事故，文章采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jī)理。可為類(lèi)似地層中地下連續(xù)墻質(zhì)量控制有所借鑒。

1 工程概況

蘇州軌道交通5號(hào)線竹輝路站平面布置如圖1所示。采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻深48 m，槽寬4.5～6 m，地下連續(xù)墻厚1 000～1 200 mm。如圖2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(biāo)高為0.81～1.63 m，場(chǎng)地內(nèi)微承壓水含水層主要為④2粉土夾粉砂層，埋深11.0～18.0 m，厚度1.2～15.8 m，承壓水含水層主要為⑦2粉砂夾粉土，埋深32.7～43.7 m，厚度4.9～14.4 m。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(qiáng)度低，在成槽施工擾動(dòng)下容易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 基坑平面示意圖

圖2 工程地質(zhì)條件

表1 土層參數(shù)表

2 地墻成槽施工方案

考慮到成槽深度和地層特征，地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)中采用4.5 m和6.0 m兩種分幅長(zhǎng)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(jìn)行連接。現(xiàn)場(chǎng)采用金泰SG46液壓抓斗成槽機(jī)。成槽機(jī)重量約為95 t，抓斗開(kāi)斗寬度為2.8 m，單斗最大提升力為600 kN。施工前在成槽機(jī)下方敷設(shè)鋼板，荷載分散。單幅槽段成槽施工時(shí)間為10～14 h。

成槽開(kāi)挖前，采用導(dǎo)墻增加導(dǎo)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(dǎo)墻采用“”型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性比較好，內(nèi)墻面之間凈寬根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求比連續(xù)墻設(shè)計(jì)厚度大50 mm，墻的厚度為200 mm，墻頂?shù)膶挾葹? 000 mm，導(dǎo)墻深度控制在1 600～2 000 mm。墻體采用較高強(qiáng)度的C30鋼筋混凝土澆筑。

成槽施工泥漿采用膨潤(rùn)土泥漿比較多。因?yàn)榕驖?rùn)土泥漿可最大限度懸浮部分土顆粒，進(jìn)而可達(dá)到減少槽底浮泥、增加泥漿的容重的目的，從而有利于提高開(kāi)挖的穩(wěn)定性。泥漿滲透到孔周?chē)馏w時(shí)，粘土顆粒會(huì)封堵土顆粒間的孔隙，一層不透水薄膜的泥皮會(huì)在槽壁上形成，以靜液壓力作用在開(kāi)挖槽壁上，保證土壓和水壓的平衡。現(xiàn)場(chǎng)施工中泥漿經(jīng)常添加重質(zhì)純堿和中度CMC，泥漿參數(shù)如表2所示。此外，通過(guò)控制泥漿含砂率來(lái)提高粘度（25～30 s），以防止③粉土夾粉砂層出現(xiàn)坍塌失穩(wěn)。

表2 泥漿參數(shù)

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(jī)理

大量工程事故表明，失穩(wěn)破壞深度在地表以下5～15 m處，失穩(wěn)破壞面在地表沿著整個(gè)槽段展布，呈橢圓形區(qū)域。在各種影響因素中，導(dǎo)墻或護(hù)筒對(duì)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(duì)開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響最敏感。失穩(wěn)通常發(fā)生在當(dāng)泥漿高度降到地下水位以下約1 m位置。Tsai現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jī)制，并構(gòu)建了槽壁失穩(wěn)破壞三維機(jī)動(dòng)模型，在此基礎(chǔ)上利用上限分析定理推導(dǎo)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，f21，f21和f21分別為無(wú)量綱系數(shù)。

分析中通過(guò)對(duì)上限解進(jìn)行最優(yōu)化，可以得出槽壁失穩(wěn)最小破壞深度及對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，有效的揭示了失穩(wěn)特征及機(jī)制。

3.2 槽壁失穩(wěn)事故分析

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，大部分地下連續(xù)墻在施作過(guò)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)生正在SQ-14幅段成槽過(guò)程中。SQ-14幅段長(zhǎng)度為4.5 m，寬度為1 m，深度為48 m。SQ-14成槽開(kāi)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(dǎo)墻下方，位于地表以下約2.5 m處；此時(shí)，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，如圖3所示為沉降和裂縫圖。超聲波探測(cè)結(jié)果顯示，導(dǎo)墻以下約3 m位置處土體出現(xiàn)坍塌破壞，如圖4所示。事故出現(xiàn)后，現(xiàn)場(chǎng)立即采取應(yīng)急措施，首先暫停施工，并對(duì)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行隔離。采用技術(shù)人員對(duì)槽內(nèi)進(jìn)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(bǔ)充高密度泥漿，并維持泥漿液面略低于導(dǎo)墻頂面，在此基礎(chǔ)上再次進(jìn)行成槽施工。

圖3 槽段周邊沉降及裂縫

圖4 超聲波成孔檢測(cè)

采用理論方法對(duì)失穩(wěn)事故進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥漿液面維持在地表時(shí)（hsr=0 m），槽壁安全系數(shù)均大于1，通過(guò)適當(dāng)增加泥漿重度可以增加槽壁安全系數(shù)；當(dāng)泥漿液面下降至地表下-2 m時(shí)（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3.23 m降低至3.05 m，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(huì)相應(yīng)增大。需要注意的是，相比泥漿重度，泥漿液面變化對(duì)槽壁穩(wěn)定性影響更為顯著。成槽施工中，要重點(diǎn)關(guān)注泥漿液面變化，同時(shí)，輔以增加泥漿重度來(lái)提升槽壁穩(wěn)定性。

表3 槽壁穩(wěn)定計(jì)算

4 結(jié)論

文章對(duì)蘇州地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽施工地層穩(wěn)定展開(kāi)研究。通過(guò)對(duì)蘇州地鐵5號(hào)線竹輝路車(chē)站地下連續(xù)墻工程中出現(xiàn)的成槽失穩(wěn)案例進(jìn)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?yàn)槟酀{的滲漏，泥漿液面迅速下降引起槽壁支護(hù)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(dǎo)墻以下約3 m處。采用理論分析法對(duì)失穩(wěn)事故進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)槽壁穩(wěn)定影響顯著。