復(fù)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(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

大型綜合體項(xiàng)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(fù)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(shí)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(shí)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(xiàng)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?；幼畲笸谏顬?18.3 m?；铀闹懿捎玫叵逻B續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，成槽深度達(dá) 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(fù)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)給及越流補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)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(jìn)行混凝土灌注?；炷凉嘧⑦^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(jìn)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(jìn)行地下連續(xù)墻施工時，場內(nèi)同步進(jìn)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(yùn)行造成泥漿晃動均給泥漿護(hù)壁效果帶來不利影響。

2）泥漿指標(biāo)影響。

在地下連續(xù)墻成槽施工過程中，泥漿能起到護(hù)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(qiáng)度低，韌性低，搖振反應(yīng)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(yàn)，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(yīng)采取慢速成槽，適當(dāng)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(jìn)場施工前進(jìn)行大范圍降土以方便障礙清理，地下連續(xù)墻的導(dǎo)墻標(biāo)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(biāo)經(jīng)實(shí)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(dǎo)墻頂面標(biāo)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(hù)，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(shí)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(dǎo)墻標(biāo)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(dǎo)墻標(biāo)高

通過提升導(dǎo)墻標(biāo)高，可以提高槽內(nèi)泥漿液面標(biāo)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(yàn)，選取其中一幅地下連續(xù)墻將其對應(yīng)導(dǎo)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?？紤]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(dǎo)墻標(biāo)高成本較高，故建議采取可周轉(zhuǎn)使用的型鋼預(yù)拼裝導(dǎo)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(shè)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(jìn)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(jì)運(yùn)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(hù)結(jié)構(gòu)外實(shí)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(jìn)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(fèi)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(zhǔn)備鉆機(jī)即可投入施工，且不占用基坑圍護(hù)內(nèi)的場地，連續(xù)施工 4 d 后即可投入使用；②加高導(dǎo)墻則需要植筋、支設(shè)模板和混凝土澆筑等工序，并要求達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方能進(jìn)行成槽施工，預(yù)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(shè)備進(jìn)場，旋噴加固完成后需強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度才能進(jìn)行成槽施工，受場地限制預(yù)估 25 d 完成。另外，三種方案的測算成本相差不大，加高導(dǎo)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(diǎn)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(yùn)營和圍護(hù)。同時，即便針對潛水層和微承壓水層進(jìn)行短期降水，也會對周邊環(huán)境造成可恢復(fù)性影響，在施工前需進(jìn)行論證和分析。導(dǎo)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(shè)備的重新進(jìn)場、破除已施工混凝土導(dǎo)墻等前期準(zhǔn)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(shí)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(jìn)行導(dǎo)墻標(biāo)高提升、降低微承壓水水位和槽壁加固三種試驗(yàn)方案的實(shí)施，均表明地下水位標(biāo)高的高低及成槽過程中的泥漿護(hù)壁效果好壞對能否順利成槽影響較大。因此，在實(shí)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(yàn)，成槽時的槽段內(nèi)泥漿液面應(yīng)高出地下水位 0.5 m 左右才能有效控制地下水頭。如導(dǎo)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(xué)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(shè)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(shè)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(jī)械在槽段邊的擾動，以及嚴(yán)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(fèi)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)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(dǎo)墻標(biāo)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(hù)結(jié)構(gòu)施工，為今后類似深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工提供了有價值的技術(shù)指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)做法。