超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性探討

危 偉

（中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

地下連續(xù)墻技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中槽壁的穩(wěn)定性問(wèn)題沒(méi)有得到較好地解決。由于地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性影響因素較多，且相關(guān)技術(shù)人員缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，缺乏科學(xué)的預(yù)見(jiàn)性，導(dǎo)致無(wú)法有效地控制地下連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象。超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性與工程整體的施工質(zhì)量、施工效率有很大的關(guān)系，而泥漿質(zhì)量與槽壁穩(wěn)定性有著直接聯(lián)系。本文借助有限差分技術(shù)，引入強(qiáng)度折減等相關(guān)概念，通過(guò)分析與計(jì)算，得出地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)安全系數(shù)。

1 超深地下連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)機(jī)理

1.1 整體穩(wěn)定性

在超深地下連續(xù)墻開(kāi)挖工程中，通過(guò)對(duì)槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查與分析可知，槽孔開(kāi)挖深度一般在20m以上，槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象通常發(fā)生在10m~20m的土層中，導(dǎo)墻的正下方會(huì)出現(xiàn)土體鼓出的情況，并且在地表面沿著槽長(zhǎng)布展，大多為橢圓形。通常情況下，當(dāng)泥漿降至地下水位大概1m位置處會(huì)出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象，在槽壁失穩(wěn)狀態(tài)中，地基變形速率為0.1mm/h。根據(jù)泥漿護(hù)壁開(kāi)挖槽段穩(wěn)定的三維顯示，越靠近地表，土體的穩(wěn)定性越差，通過(guò)離心試驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)孛嬗谐d現(xiàn)象時(shí)，更容易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)情況。通過(guò)對(duì)三維數(shù)值的分析可知，當(dāng)施工條件正常時(shí)，導(dǎo)墻對(duì)槽壁的穩(wěn)定性沒(méi)有較大的影響；泥漿液面和地下水位之間的高度差相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，地下水位越低，整體穩(wěn)定性則變得越差。

1.2 局部穩(wěn)定性

在地基土體中，如果出現(xiàn)軟夾層，則會(huì)對(duì)局部穩(wěn)定性產(chǎn)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(tǒng)變大，大大增加施工的成本，并且施工難度也會(huì)隨之增加。除了土體剪切強(qiáng)度之外，槽壁周邊地基的滲透也會(huì)影響局部的穩(wěn)定性。泥皮形成之前，泥漿的滲透會(huì)出現(xiàn)滲透力，以確保槽壁局部的穩(wěn)定，一旦滲透力與槽壁的土壓力無(wú)法保持平衡的時(shí)候，則會(huì)導(dǎo)致槽壁局部出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

1.3 土拱與時(shí)間效應(yīng)

利用有限元法對(duì)槽段開(kāi)挖周邊地基土體的主應(yīng)力分布進(jìn)行分析，可知土拱效應(yīng)對(duì)應(yīng)力重分布有較大的影響，并且部分槽段的中部土壓力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而降低失穩(wěn)的壓力，由此可見(jiàn)，土拱效應(yīng)對(duì)開(kāi)挖穩(wěn)定性有一定的積極作用。同時(shí)，在時(shí)間的作用下，開(kāi)挖卸荷引發(fā)的地基土體空隙應(yīng)力會(huì)逐漸消散，從而使槽壁周邊的土體發(fā)生位移，導(dǎo)致穩(wěn)定性大大降低，與黏性土相比，高滲透的砂性土的發(fā)生時(shí)間會(huì)更短。所以，在具體施工中應(yīng)加快施工速度，以確保穩(wěn)定性。

2 超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的影響因素

2.1 地下水位

根據(jù)力學(xué)理論可知，當(dāng)泥漿壓力比地下水壓力大的時(shí)候，并且可以與部分土壓力處于平衡狀態(tài)時(shí)，才能夠充分發(fā)揮護(hù)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(wěn)定性的有效控制條件。通常情況下，泥漿液面應(yīng)比地下水位至少高出1m或者1.5m。離心模型、室內(nèi)模型等都是根據(jù)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(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于斷層、裂隙等情況導(dǎo)致跑漿，使得泥漿液面低于地下水位，從而造成失穩(wěn)；也可能是洪水的出現(xiàn)使地下水位上升，并高出泥漿液面，從而造成失穩(wěn)。地下水位和泥漿密度之間的關(guān)系如圖1所示。地下水位越高，失穩(wěn)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(guān)系

2.2 泥漿性質(zhì)

通常情況下，護(hù)壁泥漿使用的是膨潤(rùn)土，主要由蒙脫石黏土組成，遇水會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，沒(méi)有添加劑的時(shí)候，在咸水中會(huì)發(fā)生絮凝現(xiàn)象。在開(kāi)挖護(hù)壁中，弱膠結(jié)性質(zhì)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(xiàn)；另一方面，當(dāng)泥漿向孔隙的周邊滲透時(shí)，孔隙被黏土顆粒堵塞之后，便會(huì)快速在槽壁上形成泥皮，確保泥漿靜態(tài)壓力作用在槽壁上，對(duì)抗槽壁周邊土體的水土壓力[1]。

2.3 土質(zhì)條件

地基土質(zhì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)槽壁的穩(wěn)定性有著較大的影響，土體的內(nèi)摩擦角越小，槽壁便越容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，土體的密實(shí)度對(duì)槽壁穩(wěn)定性也會(huì)有一定的影響。內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響如圖2所示，在4°~8°范圍內(nèi)，一般情況下內(nèi)摩擦角越大，槽壁的穩(wěn)定性越強(qiáng)。在泥漿護(hù)壁下，黏性土具有較高的密實(shí)度，很容易形成泥皮，當(dāng)黏聚力越大的時(shí)候，泥漿容重則越小。對(duì)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(huì)停止?jié)B透，并在槽壁形成泥皮，由此可見(jiàn)，土質(zhì)的條件、顆粒大小等，對(duì)槽壁穩(wěn)定性有著較大的影響。當(dāng)土質(zhì)較差的時(shí)候，則沒(méi)有中間顆粒，孔隙便會(huì)比較大，無(wú)法形成泥皮，而泥漿的滲透距離過(guò)長(zhǎng)，造成一定的流失，大大降低了槽壁的穩(wěn)定性。

圖2 內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響

2.4 施工因素

地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性和施工有著密切關(guān)系。首先，開(kāi)挖機(jī)械重量、振動(dòng)等對(duì)開(kāi)挖穩(wěn)定性有不利影響，在開(kāi)挖之前，通常會(huì)埋設(shè)1m~2m的導(dǎo)墻，以把控開(kāi)挖垂直度，確保臨空面土體的穩(wěn)定。如果開(kāi)挖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或者槽孔靜置過(guò)久，那么泥漿則會(huì)沉淀或者絮凝，容重相對(duì)變小，導(dǎo)致穩(wěn)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(huì)影響穩(wěn)定性。在施工過(guò)程中，地面的荷載、機(jī)械振動(dòng)等所產(chǎn)生的動(dòng)荷載，對(duì)槽壁穩(wěn)定性非常不利。

3 超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算

3.1 強(qiáng)度折減法

超深地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性通常使用安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其主要是在極限平衡狀態(tài)分析方法基礎(chǔ)上的一種評(píng)價(jià)指標(biāo)，而數(shù)值計(jì)算則是與其并行的一種方法，比較側(cè)重于破壞機(jī)理。超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的安全系數(shù)，指的是槽壁到達(dá)破壞的臨界值時(shí)，實(shí)際的抗剪強(qiáng)度與臨界破壞折減后的剪切強(qiáng)度兩者之間的比值。該方法是通過(guò)對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行不斷調(diào)整，直到臨界破壞時(shí)得出折減系數(shù)，屬于安全系數(shù)。FLAC3D是一種專(zhuān)業(yè)的巖土工程分析軟件，計(jì)算功能非常強(qiáng)大，通過(guò)借助該軟件求解安全系數(shù)的時(shí)候，先設(shè)定一個(gè)較大的黏聚力數(shù)值，改變土體應(yīng)力，并找出力平衡的時(shí)步，然后對(duì)設(shè)定的安全系數(shù)執(zhí)行時(shí)步。如果不平衡力、典型內(nèi)力比率小于10-3，那么體系便達(dá)到了力平衡；如果比率大于10-3，則需要再次執(zhí)行時(shí)步，一直到小于10-3時(shí)，開(kāi)始新一輪的折減計(jì)算[3]。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

超深地下連續(xù)墻的寬度方向，構(gòu)建對(duì)稱(chēng)平面計(jì)算模型，寬5m、高80m，總共為1560個(gè)單元。左邊界屬于對(duì)稱(chēng)邊界條件，開(kāi)挖寬度是0.5m，深度是67m；右邊增加X(jué)向水平約束，前側(cè)與后側(cè)增加Y向的水平約束，在底部增加X(jué)、Y、Z固定約束。同時(shí)，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(guò)程中，地下連續(xù)墻從開(kāi)挖至混凝土灌注，耗時(shí)較短，因此，槽壁穩(wěn)定性只需要考慮靜力平衡條件。

3.3 承壓水與穩(wěn)定性

承壓水頭對(duì)超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性有著較大的影響，在-17m~-33m的地下連續(xù)墻槽壁中，受到承壓水頭的作用影響，出現(xiàn)坑內(nèi)位移，且具有一定的流砂趨勢(shì)，地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性較低。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與安全系數(shù)存在出入，主要是因?yàn)樵谟?jì)算安全系數(shù)的時(shí)候，從槽壁的整體壓力與泥漿壓力平衡方面著手考慮，在計(jì)算數(shù)值的時(shí)候，則從承壓水作用下槽壁的局部穩(wěn)定方面考慮，所以，F(xiàn)LAC3D的計(jì)算結(jié)果具有較高的可靠性。在無(wú)承壓水的地層開(kāi)挖時(shí)，槽壁會(huì)在泥漿壓力作用下，逐漸向外擠壓，泥漿和周?chē)馏w的壓力則處于平衡狀態(tài)。所以，當(dāng)?shù)貙佑谐袎核臅r(shí)候，應(yīng)調(diào)整泥漿容重、液面高度，以提升槽壁的穩(wěn)定性[4]。

3.4 泥漿參數(shù)

通過(guò)對(duì)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(hù)壁的效果。由于數(shù)值計(jì)算具有一定的相似性，對(duì)泥漿容重、液面高度等參數(shù)選擇展開(kāi)探究。地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的安全系數(shù)與泥漿液面高度、容重等呈近似正比關(guān)系。如果泥漿容重是12.5kN/m3，泥漿液面與地面持平的時(shí)候，安全系數(shù)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(shí)候，安全系數(shù)為2.3。由于泥漿容重難以超過(guò)13kN/m3，通過(guò)調(diào)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(shù)則會(huì)達(dá)到1.4，從而確保地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定。

4 超深地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性控制措施

4.1 制作導(dǎo)墻與型鋼處理空槽

在軟土層地帶，應(yīng)用現(xiàn)澆L形的鋼筋混凝土導(dǎo)墻，標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)墻深度為1.5m，深導(dǎo)墻的深度為2.0m~2.5m，其厚度大于0.25m。通過(guò)對(duì)地下連續(xù)墻的上方10m空槽進(jìn)行有效處理，確保在臨近連續(xù)墻施工的時(shí)候可以順利成槽。一般情況下，使用混凝土在空槽位置進(jìn)行澆筑，然后在開(kāi)挖之后清除上方的混凝土。但是這樣的方法不僅浪費(fèi)資源，還浪費(fèi)人力。當(dāng)首開(kāi)幅完成混凝土澆筑的時(shí)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(jìn)行回收[5]。

4.2 避免成槽機(jī)等設(shè)備的影響

在成槽機(jī)施工處與鋼筋加工處，使用混凝土硬化。在成槽施工過(guò)程中，在停機(jī)處鋪設(shè)4cm的鋼板。在成槽過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持慢放、平穩(wěn)入槽與出槽等原則，盡量避免動(dòng)荷載對(duì)槽壁造成較大的影響。在挖槽過(guò)程中，成槽機(jī)抓斗、導(dǎo)墻的中心線重合，抓斗一側(cè)靠近畫(huà)線處，確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定，將導(dǎo)板面調(diào)整至能夠順利入槽。當(dāng)挖深超出導(dǎo)墻的底部之后，開(kāi)始注入泥漿，確保泥漿面和導(dǎo)墻的上部之間保留0.3m~0.5m的空間，當(dāng)處于2.5m的開(kāi)挖范圍之內(nèi)的時(shí)候，盡量不要移動(dòng)機(jī)具，并隨機(jī)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(shí)候，成槽過(guò)程應(yīng)慢速推進(jìn)，并適當(dāng)增加泥漿的密度，保證槽段內(nèi)部的液面比地下水位至少高出0.5m，當(dāng)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(shí)間，使地下水位下降，以降低水流沖擊。

4.4 嚴(yán)格把控泥漿質(zhì)量與處理工藝

對(duì)于護(hù)壁泥漿的配比，水∶膨潤(rùn)土∶CMC∶純堿=100∶（8~10）∶（0.1~0.3）∶（0.3~0.4）。當(dāng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下，可以適當(dāng)加大泥漿占比。若增加膨潤(rùn)土無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)的需求時(shí)，還可以添加重晶石，從而提升泥漿的比重。在配置泥漿的時(shí)候，在攪拌機(jī)加水旋轉(zhuǎn)之后，均勻加入膨潤(rùn)土，然后依次加入CMC、純堿、定量水，在攪拌之后，添加膨潤(rùn)土水溶液再次攪拌，并在儲(chǔ)漿池內(nèi)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(zhǎng)為206m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為19m，車(chē)站的埋深為18 m，地下連續(xù)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(zhì)中含有淤泥質(zhì)土、黏土、液化砂層等。該位置初見(jiàn)水位的埋深是1.8m~4.1m，初見(jiàn)水位的標(biāo)高是2.1m~5.1m，穩(wěn)定位的埋深是0.3m~3.6m，穩(wěn)定水位的標(biāo)高是3.1m~6.5m。

在地下連續(xù)墻的施工過(guò)程中，在泥漿護(hù)壁情況下，使用挖槽機(jī)械開(kāi)挖溝槽，當(dāng)開(kāi)挖到設(shè)定好的深度，并將沉淀物清除干凈之后，將鋼筋骨架調(diào)入溝槽里面，然后灌注混凝土到標(biāo)高處，成為一個(gè)單元槽段，每一個(gè)單元槽之間使用接頭連接，形成混凝土墻。

結(jié)合工程地質(zhì)水文實(shí)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(zhuān)門(mén)的工作人員使用量具測(cè)量槽深，依據(jù)豎向分層的情況，及時(shí)向槽內(nèi)填充泥漿，增加相應(yīng)的監(jiān)測(cè)次數(shù)，并適當(dāng)調(diào)整泥漿的指標(biāo)，以保證在泥漿性能指標(biāo)內(nèi)。超深地下連續(xù)墻的成槽時(shí)間比較長(zhǎng)，通常需要18h~24h之間，并且成槽機(jī)械較重，在成槽機(jī)等設(shè)備工作區(qū)域鋪墊鋼板，以此分散壓力，防止地面超載造成土體側(cè)壓過(guò)大，使得槽壁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。在深槽內(nèi)開(kāi)挖的時(shí)候，抓斗通常借助液壓設(shè)備等進(jìn)行抓土，如果土質(zhì)過(guò)硬，挖土效率會(huì)大大降低。在地下水位比較高的砂土中，槽內(nèi)泥漿液面較低或者性能指標(biāo)差、槽壁受到震動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致槽壁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。因此，在抓斗入槽與出槽的時(shí)候，應(yīng)保證勻速進(jìn)行，控制好垂直度。在抓斗施工過(guò)程中，將速度控制在1m/s之內(nèi)；在黏土或者砂土等土層開(kāi)挖時(shí)，將下切速度控制在1m/h之內(nèi)；在其他地層中，可以適當(dāng)增加下切速度。針對(duì)特殊槽段，可以在其周邊預(yù)先注漿進(jìn)行加固；針對(duì)施工作業(yè)，通過(guò)合理把控施工進(jìn)度，防止在成槽期間停工時(shí)間較久而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜地質(zhì)條件下超深地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性受到地下水位、泥漿性質(zhì)、土質(zhì)條件、施工技術(shù)等多種因素影響。通過(guò)利用強(qiáng)度折減法對(duì)槽壁穩(wěn)定性的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并采取合理的應(yīng)對(duì)措施，制作導(dǎo)墻與型鋼處理空槽，控制泥漿質(zhì)量與處理工藝，合理控制地下水位的高度等，防止槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，確保槽壁的安全。