超深地連墻施工對軟弱地層擾動現(xiàn)場試驗研究

李惠麗，唐寅偉，劉 維，史培新

1)蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州 215137；2)無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無錫 214021

地下連續(xù)墻因具有剛度大、噪聲小、整體性強(qiáng)、防滲性和耐久性好等優(yōu)點，被廣泛用于城市軟土深基坑的開挖支護(hù)[1]．在過去的20年中，中國長江三角洲地區(qū)建造了約760座地鐵車站，其中約650座采用了地下連續(xù)墻為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)．在地連墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑施工過程中，地層變形主要發(fā)生在地連墻施工階段、基坑開挖階段以及基坑開挖完成后的土體固結(jié)和次固結(jié)階段[2-4]．研究表明，如果控制不當(dāng)，地連墻施工引起的地表沉降可達(dá)到總沉降量的30%～50%[5-7]，對周邊建筑物和地下管線的正常運營造成隱患．因此，對地連墻施工引起的地層擾動進(jìn)行研究顯得尤為重要．

國內(nèi)外許多專家都對地連墻施工進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測研究[3,5-13]. CLOUGH等[14-15]對許多工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)地連墻成槽施工引起的地面沉降平均約為槽深的0.08%，最大約為0.15%，沉降在平行槽段方向呈正態(tài)分布，而在垂直槽段方向隨距離線性衰弱．MOHAMED[13]在CLOUGH等[14]的研究基礎(chǔ)上對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步補充和分析，發(fā)現(xiàn)單幅槽段施工引起的土體側(cè)向位移最大可達(dá)20 mm，地表沉降平均約為成槽深度的0.09%．然而，已有的現(xiàn)場監(jiān)測分析對地連墻施工過程中的地層變形的規(guī)律關(guān)注較少．

本研究以中國江蘇省蘇州地鐵5號線某車站基坑工程為背景，通過測量土體側(cè)向位移、地表沉降、土體深層沉降、建筑物沉降和土壓力變化，研究了地連墻施工中地層擾動機(jī)理及地層變形規(guī)律．本研究可為類似軟土地層中地連墻施工提供參考．

1 工程概況及監(jiān)測方案

1.1 工程概況

如圖1，蘇州地鐵5號線某車站基坑呈東西向．為便于施工，將車站基坑分為A、B、C 3個子基坑分段開挖，并采用地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)．A基坑大致呈梯形布置，基坑?xùn)|西長約86.0 m，南北寬約26.0 m．基坑北側(cè)鄰近建筑物，建筑物為框架結(jié)構(gòu)，采用柱下獨立擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-3.5 m．基坑北側(cè)離建筑物最近距離為4.3 m．現(xiàn)場場地自上而下依次分布有 ① 雜填土、② 粉質(zhì)黏土、③ 粉土夾粉砂、④ 粉質(zhì)黏土、⑤ 粉土夾粉砂和⑥ 粉質(zhì)黏土．各土層的厚度H、 重度γ、 彈性模量E、 有效黏聚力c′和有效內(nèi)摩擦角φ′見表1．現(xiàn)場實測潛水初見水位標(biāo)高為0.64～1.20 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為0.81～1.63 m，微承壓水賦存于粉土夾粉砂土中，賦水性中等，該微承壓水穩(wěn)定水頭標(biāo)高為0.77 m．

A基坑北側(cè)地連墻槽段采用4.5 m和6.0 m兩種分幅長度，槽段深度均為48.0 m．地連墻穿越的土層抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大、靈敏性高，易受現(xiàn)場施工擾動．現(xiàn)場研究以幅長均為6.0 m的相鄰3幅地連墻NQ-22、NQ-23和NQ-24施工為對象展開全程監(jiān)測．

圖1 基坑平面示意圖(單位：m)Fig.1 Plane view of the site(unit：m)

土層H/mγ/(kN·m-3)E/MPac′/kPaφ′/(°)①3.518.58.44.012.0②14.019.011.311.014.2③5.019.118.710.027.4④13.519.121.227.523.1⑤10.018.625.44.024.8⑥—18.531.022.627.0

1.2 監(jiān)測方案

監(jiān)測方案布置如圖2，測斜管CX-1布置在槽段北側(cè)距離槽段2.0 m，深度為50.0 m；分層沉降管同樣布置在槽段北側(cè)距離槽段2.0 m，深度為45.0 m，分層沉降管中磁感應(yīng)環(huán)安裝深度分別為：-5.0 m(② 粉質(zhì)黏土)，-12.0 m(② 粉質(zhì)黏土)，-20.0 m(③ 粉土夾粉砂)和-29.0 m(④ 粉質(zhì)黏土)．土壓盒布置深度分別為-4.0 m(② 粉質(zhì)黏土)，-11.0 m(② 粉質(zhì)黏土)和-20.0 m(③ 粉土夾粉砂)．地表沉降觀測點主要布置在槽段南側(cè)，沿著垂直于槽段方向不等距布置，最遠(yuǎn)距槽段達(dá)到10.0 m．沿著沉降觀測斷面，在建筑物南北兩側(cè)各布置一沉降觀測點B-1和B-2．

圖2 監(jiān)測布置圖(單位：m)Fig.2 Instrumentation plane(unit：m)

地連墻工程采用“跳打法”進(jìn)行施工．NQ-23從2017年4月21日10∶00開始成槽，持續(xù)12 h；從22∶00開始混凝土澆筑，持續(xù)8 h；22日06∶00施工結(jié)束．NQ-22從4月25日11∶00開始成槽，持續(xù)12 h；23∶00開始混凝土澆筑施工，連續(xù)施工12 h；26日11∶00施工結(jié)束．NQ-24從5月2日06∶00開始成槽施工，持續(xù)12 h；當(dāng)天18∶00開始澆筑混凝土，持續(xù)8 h；施工至5月3日02∶00．地連墻施工過程中，現(xiàn)場監(jiān)測頻率為4 h/次．

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 側(cè)向位移

圖3為3幅相鄰地連墻施工引起的土體水平位移變化．其中，圖3(a)顯示NQ-23施工各階段的土體側(cè)向位移隨深度變化包括成槽、混凝土澆筑和混凝土硬化．成槽階段側(cè)向位移明顯，位移最大值發(fā)生在地表，約為20.0 mm；土體側(cè)向位移隨著深度增加逐漸減小，地表以下10.0 m范圍內(nèi)位移明顯，10.0 m以下土體位移小于1.0 mm．混凝土澆筑階段，由于混凝土對槽壁的擠壓作用，土體側(cè)向位移反向減小，地表側(cè)向位移從20.0 mm減至7.5 mm，規(guī)律與成槽階段相似．混凝土硬化階段，側(cè)向位移出現(xiàn)小幅增加，地表位移從7.5 mm增至12.5 mm，分布規(guī)律與前兩施工階段類似．

圖3(b)為NQ-22施工時土體側(cè)移規(guī)律，與NQ-23類似．成槽階段最大位移從12.5 mm增至14.0 mm，位移主要發(fā)生在地表以下10.0 m范圍內(nèi)并且隨深度增加而減小，10.0 m以下深度土體側(cè)向位移較小．混凝土澆筑階段，土體側(cè)向位移反向減小，地表側(cè)向位移從14.0 mm減至12.5 mm．混凝土硬化階段，側(cè)向位移出現(xiàn)小幅增加，從12.5 mm增至13.5 mm．

圖3(c)為NQ-24施工時土體側(cè)移分布規(guī)律，與NQ-23和NQ-22類似．地表側(cè)移在成槽階段從13.5 mm增至16.5 mm，土體側(cè)向位移主要發(fā)生在地表以下10.0 m范圍內(nèi)且隨著深度增加而減小，10.0 m以下深度位移較小．混凝土澆筑階段，土體側(cè)向位移發(fā)生反向減小，地表土體水平位移從16.5 mm減至12.5 mm．混凝土硬化階段，側(cè)向位移出現(xiàn)小幅增加，從12.5 mm漸增至15 mm．

總體而言，隨著NQ-23、NQ-22和NQ-24的連續(xù)施工，土體側(cè)移累積增大[16]，地連墻施工引起的淺層土體側(cè)移也較明顯，且位移隨深度增加而減?。乇?0.0 m以下土體側(cè)移變化較小，這是因為淺層土體剛度較小，容易受到擾動，而深層土體剛度較大，不易受到擾動．

2.2 地表沉降

地連墻施工期間的地表沉降變化如圖4．北側(cè)沉降點距離槽段由近到遠(yuǎn)依次為N-1和N-2，南側(cè)沉降點距離槽段由近到遠(yuǎn)依次為S-1、 S-2、 S-3和S-4．NQ-23施工地表沉降變化相對明顯，如圖4(a)．地表沉降最大值約為17 mm，發(fā)生在S-1處，且隨離槽段距離的增加而減小．在成槽階段地表沉降變化明顯，約占NQ-23施工沉降的90%左右．在混凝土澆筑階段，地表沉降繼續(xù)累積但發(fā)展緩慢．混凝土硬化階段，地表沉降則趨于穩(wěn)定，變化微小．

圖3 土體水平位移Fig.3 (Color online) Variation of lateral displacement

圖4 地表沉降圖Fig.4 (Color online) Development of ground surface settlement

NQ-22施工時地表沉降發(fā)展規(guī)律如圖4(b)所示，最大地表沉降發(fā)生在S-1，隨著離槽段距離的增加而減?。诔刹垭A段，地表沉降迅速增大．混凝土澆筑階段，地表沉降繼續(xù)發(fā)展但增幅較?。炷劣不A段， 地表沉降變化微小且趨于穩(wěn)定． NQ-24施工時地表沉降規(guī)律與NQ-23和NQ-22類似．

2.3 土體分層沉降

槽段NQ-24、NQ-23和NQ-22施工過程中，土體分層沉降發(fā)展規(guī)律類似，如圖5所示．分層沉降點從淺到深依次為M1、M2、M3和M4．成槽階段，分層沉降快速增大；混凝土澆筑階段，分層沉降累計發(fā)展但增幅較小；混凝土硬化階段，分層沉降變化很小，基本趨于穩(wěn)定．相鄰兩幅地連墻施工引起的分層沉降變化相對較小，這表明分層沉降主要受到正對地連墻施工影響．在整個施工過程中，分層沉降明顯小于地表沉降，且深度越深，分層沉降越小，說明地連墻施工對淺層土體擾動較大，使得地表沉降和淺層土體沉降較大，地連墻施工對深層土體擾動較小，深層土體沉降變化也較?。?/p>

圖5 分層沉降圖Fig.5 (Color online) Variation of subsurface settlement

2.4 建筑沉降

以建筑物兩側(cè)建筑沉降監(jiān)測點為例，B-1距離槽段22.2 m，B-2距離槽段5.0 m．地連墻施工過程中的建筑沉降變化如圖6．NQ-23施工時B-2處建筑沉降變化比B-1大．成槽階段，B-2處建筑沉降由0發(fā)展至3.8 mm，B-1處建筑沉降由0發(fā)展至0.8 mm．混凝土澆筑階段，建筑沉降繼續(xù)發(fā)展但變幅較小，B-2處建筑沉降從3.8 mm發(fā)展至3.9 mm．混凝土硬化階段，建筑沉降變化微?。?/p>

圖6 建筑沉降Fig.6 Building settlement

NQ-22施工時建筑沉降規(guī)律與NQ-23類似，建筑沉降變化微?。诔刹垭A段，B-1處建筑沉降由1.0 mm發(fā)展為1.4 mm，B-2處由4.7 mm增長為6.2 mm．混凝土澆筑階段，建筑沉降繼續(xù)累積但變化較小．在混凝土硬化階段，建筑沉降變化則很?。?/p>

NQ-24施工時建筑沉降規(guī)律與NQ-23和NQ-22類似．在成槽階段，B-2處建筑沉降從7.2 mm增至8.8 mm．在混凝土澆筑與硬化階段，建筑沉降增幅很?。?/p>

與地表沉降相比，在整個施工過程中建筑沉降均非常小，這主要是由于建筑物采用樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)持力層沉降較小使建筑物沉降相應(yīng)較小，另外建筑物的結(jié)構(gòu)剛度對沉降控制起到了積極作用，建筑擁有自身調(diào)節(jié)沉降的能力．

2.5 建筑傾斜

在NQ-23地連墻施工結(jié)束后，建筑傾斜發(fā)展為0.11%，隨著NQ-22的施工，建筑傾斜繼續(xù)小幅增大，建筑傾斜達(dá)0.14%，NQ-24施工完成后，建筑傾斜趨近于穩(wěn)定，建筑傾斜達(dá)到了0.16%．NQ-23施工對建筑傾斜影響最大，相鄰槽段引起建筑傾斜較?。鶕?jù)國家建筑規(guī)范[17]，該建筑的傾斜應(yīng)小于規(guī)范允許值0.4%，現(xiàn)場建筑傾斜明顯小于允許值，這表明現(xiàn)場地層變形控制較好，且建筑物自身的強(qiáng)度和剛度對建筑傾斜起到了抑制作用．

2.6 土壓力

地連墻施工過程中不同深度處土壓力變化如圖7．泥漿壓力隨深度分布規(guī)律為

δs=γszs

(1)

其中，δs為泥漿重度；zs泥漿水頭高度；γc為混凝土重度．

灌注混凝土側(cè)向壓力隨深度滿足雙線性分布規(guī)律[18]：

(2)

其中，z為地面以下深度；γb為膨潤土重度；hcrit為臨界深度，根據(jù)現(xiàn)場土層情況，臨界深度取5.0 m．

地連墻施工過程中，土壓力在泥漿壓力和混凝土壓力之間波動，土壓力在成槽開挖階段呈下降趨勢，在鋼筋混凝土施工階段下降趨勢停止并出現(xiàn)顯著上升，在混凝土凝固階段，再次出現(xiàn)輕微下降并趨于穩(wěn)定．

圖7 土壓力變化規(guī)律Fig.7 (Color online) Variation of earth pressure

NQ-22、NQ-23和NQ-24的土壓變化規(guī)律見圖7．由圖7(a)可見，NQ-23成槽開挖引起地層應(yīng)力釋放，地表以下4.0 m深度處的土壓力減小至初始應(yīng)力(δhi)的79%；混凝土澆筑過程中，混凝土側(cè)向壓力對地層應(yīng)力進(jìn)行補償，土壓力迅速上升至初始應(yīng)力的137%；混凝土硬化過程中，混凝土側(cè)向應(yīng)力逐漸消失，使得地層應(yīng)力轉(zhuǎn)而繼續(xù)釋放，土壓力變?yōu)槌刹矍俺跏紤?yīng)力的96%．地表以下11.0 m和20.0 m處的土壓力變化規(guī)律與地表以下4.0 m處相類似，-11.0 m處土壓在成槽結(jié)束后，變?yōu)槌跏贾档?1%，混凝土澆筑完成后，上升至111%，混凝土硬化之后，土壓力變?yōu)?7%．-20.0 m處土壓在開挖成槽結(jié)束后下降為97%，混凝土澆筑后，土壓達(dá)到初始應(yīng)力的103%，之后穩(wěn)定為99%．淺層土壓力變化比深層變化更明顯，表明淺層土體受到擾動較大．

如圖7(b)，NQ-22和NQ-24的土壓變化規(guī)律與NQ-23類似，但變化幅度較小，NQ-23施工時土壓力波動比NQ-22和NQ-24施工階段更為明顯，說明正對槽段施工對地層影響較大，相鄰槽段施工影響較小．現(xiàn)場土壓力變化規(guī)律較好地揭示了地層變形機(jī)理．

3 監(jiān)測結(jié)果對比

MOHAMED[13]對以往土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將土體水平位移變化分為3個區(qū)域．其中區(qū)域Ⅰ的土層以黏土為主，地層變形較??；區(qū)域Ⅱ以砂性黏土與粉質(zhì)黏土居多，產(chǎn)生一定的土體水平位移；區(qū)域Ⅲ主要為砂性土，位移較大．通過兩條擬合曲線把區(qū)域分開，區(qū)域Ⅰ位于下邊界以內(nèi)，區(qū)域Ⅱ處于上下邊界之間，區(qū)域Ⅲ位于上邊界以外，下邊界為

(3)

上邊界為

(4)

其中，H為深度；Hmax為槽深．本研究土體側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)主要位于下邊界以內(nèi)，土層變形控制較好，在H/Hmax<0.1范圍內(nèi)，位移處于上下邊界之間，說明淺層土體擾動較大，這與現(xiàn)場土層條件相吻合．本研究依托地連墻工程的土體水平位移研究與MOHAMED[13]所得結(jié)果的對比可通過掃描論文末頁右下角二維碼查看．NQ-23成槽開挖過程中土體水平位移變化最為明顯，H/Hmax<0.2范圍內(nèi)淺層土體產(chǎn)生了明顯側(cè)向位移，且隨深度增加，位移漸減，最大位移發(fā)生在地表；H/Hmax>0.2范圍內(nèi)的土體側(cè)向位移較?。跐仓炷岭A段，由于混凝土對槽壁的擠壓作用，土體水平位移減?。诨炷劣不A段，土體水平位移發(fā)生小幅增長并趨于穩(wěn)定．該工程地連墻成槽施工中深層土體剛度較大[5-6]，受到擾動較小，淺層土體受一定程度擾動且引起地層變形，變形程度在控制范圍內(nèi)，這說明成槽過程中采用的地層控制措施產(chǎn)生了一定的積極作用．

基于CLOUGH等[14]的研究，分析地表沉降分布規(guī)律，對比以往監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，在CLOUGH等[14]建議曲線之外，沉降較大，土層主要為砂性土；在CLOUGH等[14]建議曲線之內(nèi)，土層條件主要為黏土與粉質(zhì)黏土，沉降相對較?。疚膶σ劳械剡B墻工程的地表沉降研究與CLOUGH等[14]研究的數(shù)據(jù)對比可通過掃描論文末頁右下角二維碼查看．NQ-23成槽開挖過程中，地表沉降變化最為明顯，將地表某處距地連墻槽段的水平距離定義為L， 在L/Hmax<0.4的范圍內(nèi)，隨著水平距離的增加，地表沉降迅速減小，當(dāng)L/Hmax>0.4時，地表沉降趨近為0，這表明地連墻成槽施工對地表沉降的影響范圍是有限的．在混凝土澆筑與硬化階段，沉降變化較小并趨于穩(wěn)定．與以往研究對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場地表累積沉降均在CLOUGH等[14]建議之內(nèi)．這表明地連墻成槽開挖過程中，土體受擾動所產(chǎn)生的地層變形在控制范圍內(nèi)，現(xiàn)場采取的地層控制措施在一定程度上有效抑制了土體位移和地層變形，這與本研究現(xiàn)場地層條件相吻合．

結(jié) 語

本研究以蘇州地鐵5號線某車站地連墻施工為工程依托展開監(jiān)測，研究了相鄰地連墻連續(xù)施工對周邊地層變形的影響．地連墻施工對地層擾動的影響可大致分為3個階段：成槽階段、鋼筋混凝土施工階段和混凝土凝固階段．成槽階段地層應(yīng)力釋放，地層變形較大；混凝土施工階段，混凝土澆筑對地層應(yīng)力有補償作用，使土體變形減小；混凝土凝固階段，地層應(yīng)力繼續(xù)釋放并趨于穩(wěn)定，地層變形很?。芯堪l(fā)現(xiàn)，地表以下H/Hmax<0.2范圍內(nèi)的淺層土體受到施工擾動較大，土體變形較明顯；隨著深度的增加，土體變形迅速減?。簧顚油馏w受到的地層擾動較小，土體變形也較?。芯勘砻?，3幅相鄰地連墻施工過程中，正對槽段地層變形明顯，約占總變形的70%左右，相鄰槽段施工對地層變形累積增加，但變化幅度較小．