復雜地質條件下超深基坑地連墻成槽施工技術研究

尉勝偉

(蘇州市軌道交通有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 工程概況

新建蘇州火車站位于蘇州市平江新城，地上兩層，地下三層，建筑面積85 717 m2。地鐵換乘車站位于火車站站房與高架候車廳正下方，要求同期建設完成。地上兩層及地下一層為站房使用，地下負二層、負三層為地鐵車站。地鐵站基坑四周的800 mm厚地下連續(xù)墻不僅作為圍護結構，還作為站房的主體基礎結構。成槽深達58.6 m，連續(xù)墻頂在自然地面以下10 m左右。施工區(qū)域地質條件復雜，且存在大量異形連續(xù)墻，施工工程中對槽壁穩(wěn)定性影響大，給地下連續(xù)墻施工帶來很大難度。

2 工程地質和水文地質條件

2.1 工程地質條件

基坑開挖深度范圍內的土層主要為人工填土、③1層硬～可塑黏土、③2層軟～可塑粉質黏土、④2層軟～流塑粉質黏土、④3層稍～中密粉砂夾粉質黏土、④5層軟～流塑粉質黏土及⑤1層黏土。圍護結構插入土層為⑥3a層粉質黏土或⑥3c層粉質黏土。

2.2 水文地質條件

微承壓水:主要為④3粉土夾粉質黏土，由于該土層水平方向差異性較大，局部夾較多粉質黏土，其透水性及賦水性一般～中等。該含水層埋深及厚度均有一定變化，埋深在6.80～12.20 m之間，厚度在1.30～6.50 m。微承壓水頭高程為1.74 m左右。

承壓水:主要為⑥2粉土夾粉質黏土，由于該土層水平向差異性較大，局部夾較多粉質黏土，其透水性及賦水性一般～中等。該含水層埋深及厚度均有一定變化，埋深在29.00～34.90 m之間，厚度在3.90～10.50 m。該含水層的補給來源主要為承壓水的越流補給及地下徑流補給。承壓水頭埋深在2.80 m左右。

3 事故案例及原因分析

3.1 事故案例

蘇州站工程地下連續(xù)墻為復合式承重連續(xù)墻，存在大量異形連續(xù)墻如L形、T字形等，在這些異形連續(xù)墻成槽施工過程中，由于該區(qū)域內地層以黏性土和粉砂為主，且地下水位較高，富含微承壓水和承壓水層，具有獨特的地質結構，受工程施工荷載和擾動的影響，在槽壁“陽角”處易發(fā)生塌孔，造成槽壁失穩(wěn)。直接影響連續(xù)墻的成槽質量、基坑開挖安全和站房的整體結構受力效果。

在初期施工的兩幅連續(xù)墻，第一幅成槽后吊放鋼筋籠入槽時，發(fā)生槽壁坍塌現象，造成鋼筋籠報廢。第二幅在清槽過程中槽壁突然發(fā)生大塊塌孔，壓埋成槽機抓斗，造成抓斗脫落，墜入槽底。事后經對發(fā)生塌孔的地下連續(xù)墻用超聲波進行檢測，發(fā)現多在－15 m的位置附近槽壁出現了明顯的塌孔，該位置上層土體也有坍塌的趨勢。

3.2 原因分析

3.2.1 水文地質影響

由于該地下連續(xù)墻深度較大，其槽孔需要穿越第④層黏土層，而該土層粉砂性較重，根據連續(xù)墻施工經驗，該土層較容易出現槽壁塌孔的情況。而且該土層存在有微承壓水，埋深10 m，水頭最高高程為1.74 m，更加劇了槽壁的不穩(wěn)定性。

3.2.2 施工荷載影響

該地下連續(xù)墻的施工工程量較大，在開挖槽孔時，抓斗頻繁上下抓土，帶動槽內泥漿對槽壁反復沖擊，產生擠壓力及吸附力，在槽壁泥漿護壁上吸附出孔隙，槽壁外圍地下水被吸入槽內，并帶入砂層內的粉砂。同時由于大型成槽機及作業(yè)機械等施工附加荷載的作用，形成局部凹陷的滑動面，造成上面土體整體坍塌。

3.2.3 泥漿選用的影響

在地下連續(xù)墻成槽施工過程中，泥漿的作用是護壁、攜渣、冷卻機具和切土潤滑，故泥漿的正確使用，是保證成槽施工質量的關鍵因素之一，又是后期對澆灌混凝土施工質量的影響因素之一，所以泥漿的質量自始至終影響著連續(xù)墻施工的質量。泥漿的費用占工程費用的一定比例，所以泥漿的選用既要考慮護壁效果，又要考慮經濟性。

針對以上原因分析，進行模擬分析驗算，采取合理的槽壁加固措施，減小槽壁水平變形和控制破壞區(qū)的有效性，達到施工質量要求。

4 地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性有限元分析

4.1 模型尺寸及邊界條件

連續(xù)墻在縱向可以認為無限長，屬于平面應變問題，因此采用平面有限元的方法計算。槽壁處于半無限體的地層中，橫剖面左右和下方的邊界均在無窮遠處，根據一般的力學原理，在邊界效應的影響可以忽略的前提下選取合適的計算區(qū)域。水平方向上取為80 m(槽壁兩側留出20 m)，深度方向取80 m。對需要重點分析的區(qū)域，單元網格予以加密，如圖1。

圖1 有限元網格

對于平面應變問題，每個節(jié)點有兩個自由度，即可以同時發(fā)生水平和豎向位移。為模擬實際情況，認為在80 m深度處邊界節(jié)點在兩個方向上不能發(fā)生位移;兩側邊界的節(jié)點在水平方向不發(fā)生位移;上部地表為自由表面。

4.2 有限元參數選取

結合地層分布情況并在參考相關土層試驗的基礎上給出計算參數，列于表1。

表1 土層計算基本參數

泥漿液面高度取地面下1 m，相對密度取1.1 kg/cm3。模擬中，泥漿壓力采用換算等效荷載代替，采用式p=γZ計算。其中，γ為泥漿重度，Z為深度。

4.3 計算結果及分析

4.3.1 微承壓水對槽壁穩(wěn)定性的影響

含有粉性和砂性的土體在承壓水作用下，很有可能引起土體的流失，進而發(fā)生塌孔的現象，因此有必要研究承壓水的作用規(guī)律。本文模擬了兩種不同的工況，第一種工況不考慮④層中的微承壓水，第二種工況為考慮④層中的微承壓水作用，其中在第二種工況中，為模擬微承壓水的影響，將④層土體的力學指標予以適當降低。計算結果如圖2所示。

由計算結果可知，④層微承壓水對于槽壁的水平變形影響很大?？紤]承壓水作用后，由于④層土的粉砂性較重，引起槽壁出現很大的水平變形，槽壁周圍土體出現破壞，主要發(fā)生在④層的頂部和底部，而④層以上和以下土體的力學性質較好，沒有出現明顯的破壞區(qū)。因此，④層土體的粉砂性以及微承壓水是引起槽壁塌孔的重要原因。

4.3.2 施工荷載對槽壁穩(wěn)定性的影響

一般在施工過程中都有成槽機在槽孔側部地面上施工，因此需要模擬該附加荷載的作用。附加荷載計算長度取為15 m，荷載值考慮到實際施工機具的重量，取 20 kN/m2。

圖2 承壓水的影響

計算結果如圖3所示，由于施工附加荷載的作用，使得土體中的附加應力增大，出現最大水平變形的位置上移，符合一般規(guī)律。土體的塑性區(qū)主要集中在④層的頂部和底部。因此，擬在成槽機、吊車等機械施工區(qū)域采用鋼筋混凝土進行場地硬化，成槽機作業(yè)區(qū)鋪設鋼板，使其荷載均勻分布，減少對槽壁的影響。

圖3 施工荷載的影響

4.3.3 抓斗吸力對于槽壁穩(wěn)定性的影響分析

由于該槽的深度較大，因此槽機的抓斗頻繁抓土，容易在抓斗下方局部范圍內引起負壓力，對槽壁穩(wěn)定造成不利影響。以下對此過程進行分析。由于負壓影響，故需對抓斗下方2 m范圍內泥漿對槽壁的壓力進行適當折減。當抓斗位于開槽面10 m范圍以上時，將泥漿壓力減為0。當抓斗位于開槽面10 m范圍以下時，將泥漿壓力在原壓力基礎上減小100 kN/m2。

取兩個典型斷面進行分析。產生負壓范圍分別位于開槽面下8～10 m范圍、30～32 m范圍，建立有限元模型。由計算結果(圖4)可知，當負壓產生于開槽面下8～10 m時，負壓所在區(qū)域產生位移較大，對該處槽壁的穩(wěn)定產生不利影響。當負壓產生于開槽面下30～32 m時，負壓所在區(qū)域位移雖有所增加，但位移最大值位于第④層土下方位置。因此，在抓斗頻繁抓土過程中，會對10～20 m范圍內土體產生不利影響。由于本工程連續(xù)墻開挖較深，抓斗取土次數頻繁，在抓取底部土方時，由于長時間的影響，10～20 m范圍內土體極易發(fā)生塌陷。因此，液壓抓斗在進出液面時，減緩其速度，控制對液面的沖擊和吸附力。

圖4 抓斗吸力的影響

5 控制地下連續(xù)墻槽壁坍塌的措施

5.1 制作標準導墻及型鋼圍擋處理空槽

導墻是地下連續(xù)墻施工必不可少的臨時構造物，對于連續(xù)墻的定位，防止連續(xù)墻槽壁坍塌起著至關重要的作用。在施工期間，導墻經常承受鋼筋籠、澆注混凝土用的導管、挖槽機動荷載的作用。在表層土軟弱的地帶采用場澆L形鋼筋混凝土導墻，標準導墻深度1.5 m，深導墻深度2.0～2.5 m，導墻厚不小于0.25 m。詳見圖5所示。

5.2 減小成槽機等設備的影響

成槽機施工區(qū)域及鋼筋加工場地采用混凝土進行硬化，成槽機成槽施工時，在該停機位置下應鋪設4 cm厚的鋼板。在成槽過程中遵循“慢提慢放、嚴禁滿抓，平穩(wěn)入槽，平穩(wěn)出槽”的原則，減少動荷載對槽壁的影響。挖槽時成槽機抓斗中心線與導墻中心線重合，抓斗一端緊靠劃線位置，并保證成槽機平穩(wěn)，導板面調整到能自然入槽。待挖深超過導墻底一斗后再往導墻內輸送泥漿，隨挖隨注入泥漿，使泥漿面與導墻頂保持0.3～0.5 m的距離。在2.5 m的挖掘范圍內，不準移動機位、更換司機，隨時進行糾偏，以保證垂直度。

圖5 導墻斷面(單位:mm)

5.3 合理控制地下水位高程

在豎向節(jié)理發(fā)育的軟弱土層或流砂層成槽，應采取慢速掏進，適當加大泥漿密度，控制槽段內液面高于地下水位0.5 m以上。槽段成孔后，緊接著放鋼筋籠并澆筑混凝土，縮短挖槽時間和澆注混凝土時間間隔，降低地下水位，減少沖擊和高壓水流沖刷。

5.4 采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁加固

對連續(xù)墻槽壁兩側采取加固處理，可有效避免基槽坍塌問題的發(fā)生。槽壁加固采用 φ800 mm@600 mm的高壓旋噴樁技術，即當注漿管鉆進到土層的預定深度后，以高壓泥漿泵等高壓發(fā)生裝置噴射出20 MPa左右壓力的漿液，從內噴嘴中高速噴出，并用0.7 MPa壓力把壓縮空氣從外噴嘴中噴出。噴嘴一面噴射一面旋轉和提升，最后在土中形成圓柱狀固結體。有限元模擬中開槽兩側土體各采用800 mm樁徑的旋噴樁加固，加固深度24 m(加固至第4層土下2 m范圍)。計算得出槽壁側水平變形，詳見圖6所示。由計算結果可知，加固后槽壁的最大水平變形僅2.05 cm，發(fā)生在加固底部1 m范圍內，能有效滿足施工要求。因此，槽壁兩側土體加固可有效避免槽壁坍塌問題。

5.5 嚴格控制護壁泥漿原料和制作工藝

泥漿材料有膨潤土、CMC和純堿(Na2CO3)，泥漿中各種材料的用量由試驗確定，一般可按下列重量配合比試配:水∶膨潤土∶CMC∶純堿 =100∶(8～10)∶(0.1～0.3)∶(0.3～0.4)。在特殊的地質和工程條件下，泥漿的相對密度需加大，如只增加膨潤土的用量達不到要求時，可在泥漿中摻入一些重晶石，達到增大泥漿相對密度的目的。

圖6 加固后槽壁水平變形

制備泥漿用攪拌機攪拌過程:攪拌機加水旋轉后緩慢均勻地加入膨潤土，再分別加入 CMC、純堿和一定量的水，充分攪拌后倒入膨潤土的水溶液中再攪拌均勻。攪拌后流入儲漿池待溶漲24 h后使用。

6 結語

根據實際施工情況來看，通過控制水位高程、大型機械設備下加墊鋼板、泥漿配置、槽壁加固等減小對槽壁土體的擾動等一系列措施，確保了槽壁的施工穩(wěn)定。在地面以下15 m左右開挖出的土體與前期未加固的土體相比，固化明顯，通過超聲波檢測，槽壁沒有發(fā)生塌方現象。加快了連續(xù)墻的施工進度。

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