砂性土層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性研究

鄭文杰

北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 北京 100044

地下連續(xù)墻因其墻體剛度大、整體性好、抗?jié)B性能好、耐久性好、施工噪聲低振動少等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于地下建筑結(jié)構(gòu)的施工。砂性土層中地下連續(xù)墻的施工難度大，成槽過程中極易產(chǎn)生槽壁坍塌現(xiàn)象。槽壁坍塌容易引起混凝土超方和結(jié)構(gòu)尺寸超出允許的界限，嚴重時將會引起相鄰地面發(fā)生沉降、坍塌，危害到鄰近建筑和地下管線的安全[1]，因此，這是一個不得不重視的問題。鑒于此，本文對如何改善槽壁坍塌問題，提高砂性土層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性進行研究。

1 地下連續(xù)墻簡介

地下連續(xù)墻是在擬修建的地下工程地面上，沿著基坑的周邊劃分若干槽段，在泥漿護壁的支護下，使用挖槽設(shè)備開挖一條深槽，挖到設(shè)計深度后進行清槽，清槽后在槽段內(nèi)安放接頭管、放置鋼筋籠，然后澆筑水下混凝土筑成一個單元槽段，如此逐次進行，最后將各個槽段連成一個整體。地下連續(xù)墻既可以作為擋土擋水的臨時支護結(jié)構(gòu)，也可以作為建筑的主體結(jié)構(gòu)。

在地下連續(xù)墻成槽過程中，一般都會采用泥漿進行護壁，泥漿拌制材料宜優(yōu)先選用膨脹土。泥漿護壁主要有以下幾個作用：（1）泥漿在地連墻槽壁上形成泥皮，可以有效地防止槽壁坍塌；（2）泥漿對槽壁提供靜水壓力以平衡槽段開挖時作用在槽段上的水、土壓力；（3）泥漿具有攜渣的作用，其具有一定的粘度可以攜同泥渣一塊排出；（4）泥漿還具有潤滑的作用。

2 地連墻槽壁穩(wěn)定性影響因素

2.1 土層性質(zhì)

砂性土層的顆粒較大、顆粒之間缺乏膠結(jié)，因此砂性土層的滲透系數(shù)較大[2]，自穩(wěn)能力差，在砂性土層中建設(shè)的地連墻極易產(chǎn)生槽壁坍塌事故?？紤]到不同砂土性質(zhì)對成槽施工變形的影響，邱明明等[3]選擇四種典型砂層進行研究，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)條件確實對地連墻成槽施工擾動變形影響顯著。

2.2 泥漿質(zhì)量

地下連續(xù)墻的泥漿護壁是保持槽壁穩(wěn)定性，控制開挖槽面時地連墻質(zhì)量的決定性因素。若泥漿配制質(zhì)量不合格，不滿足形成可靠的泥漿護壁要求，則無法形成具有粘結(jié)性能的泥皮，泥漿的靜水壓力也無法抵抗作用在地連墻槽壁上的水壓力和土壓力。泥漿配制不合要求，將會導(dǎo)致泥漿密度不夠；或者泥漿所含泥砂過多，容易產(chǎn)生沉淀，使泥漿性質(zhì)發(fā)生變化，不能形成合理可靠的護壁，都會促使產(chǎn)生槽壁坍塌[4]。通過超聲波槽壁檢測發(fā)現(xiàn)，新鮮泥漿充分時，泥漿質(zhì)量高，護壁效果好；泥漿循環(huán)次數(shù)過多時，泥漿性能下降[5]。

2.3 地下水

大多數(shù)地下工程事故都與地下水有關(guān)，當(dāng)水與土體發(fā)生相互作用，會使土體本身的強度和穩(wěn)定性都有所降低，從而導(dǎo)致塌方、基底突涌等工程事故，這些事故會直接影響到周邊環(huán)境的安全，造成不可避免的經(jīng)濟損失。為了保證地下工程的施工安全和施工進度，必須要采取措施進行地下水控制。

當(dāng)?shù)剡B墻槽壁上泥漿壓力比地下水壓力大，并且可以與部分土壓力處于平衡狀態(tài)時，泥漿才能夠充分發(fā)揮護壁作用[6]。所以，泥漿液面和地下水位必須要保持合理的高差。通常情況下，地下水位應(yīng)比泥漿液面至少低1m或者1.5m。地下水位越高，槽壁水平變形和地表豎向變形越大。嚴朝鋒等[7]通過采用有限元軟件ABAQUS對地下連續(xù)墻成槽施工過程進行數(shù)值模擬，得到地下水位過高對槽壁穩(wěn)定性影響較大的結(jié)論。

隨著基坑的開挖深度不斷加大，基坑周圍土層以及基坑外豐富的地下水將會對地下連續(xù)墻產(chǎn)生影響，在基坑開挖的各個階段中地連墻部分位置會出現(xiàn)不同程度的滲漏情況，導(dǎo)致槽壁在水平方向上產(chǎn)生大小不同的變形等問題[8]。地下水滲漏現(xiàn)象也會導(dǎo)致地連墻槽墻失穩(wěn)。

2.4 成槽作業(yè)

在砂性土層中挖槽進尺過快，在成槽機作業(yè)產(chǎn)生的水波振蕩下，將會使槽壁擾動，產(chǎn)生槽壁坍塌[4]。所以要對成槽機的工作速度進行控制。

成槽后擱置時間太長，沒有及時吊放鋼筋籠灌注混凝土，泥漿則會失去護壁作用。如果在成槽過程中，地下連續(xù)墻槽壁已經(jīng)出現(xiàn)塌孔、蠕變等現(xiàn)象，在處理過程中將會對槽壁產(chǎn)生二次擾動，會增加周圍建構(gòu)筑物的風(fēng)險等級，并且消耗大量不必要的時間，成槽結(jié)束后也要等待很長時間才能灌注混凝土，因而不能充分利用“空間效應(yīng)”[5]。

2.5 混凝土繞流

地下連續(xù)墻澆筑單元槽段混凝土?xí)r，流動的混凝土有時會在重力及側(cè)向壓力的共同作用下，繞過封頭鋼板或接頭箱、接頭管側(cè)向縫流入到相鄰的槽段(尚未開槽或已成槽的槽段)[9]，即產(chǎn)生混凝土“繞流”現(xiàn)象?；炷翝仓r發(fā)生繞流，可能是因為成槽機械、技術(shù)人員操作或是地質(zhì)水文原因等其他原因，導(dǎo)致相鄰幅地連墻接頭處存在成槽垂直度差，成槽后地連墻接頭寬度大于接頭箱接頭管的寬度，致使接頭管與地下土體存在空隙[4]，為混凝土繞流提供了可能活動空間?；炷晾@流將直接造成相鄰地下連續(xù)墻鋼筋籠無法吊裝就位，會造成接頭地抗剪強度下降，容易導(dǎo)致接頭滲水，從而為槽壁穩(wěn)定帶來隱患[5]。

3 改善措施

3.1 加固土體

為改善砂性土層的土層性質(zhì)，防止槽壁開挖過程中產(chǎn)生坍塌事故，工程中常采用土體加固改良的方法。下面從加固方法和加固間距兩方面進行分析。

3.1.1 土體加固方法

常用的地下連續(xù)墻槽壁加固方法有水泥攪拌樁、高壓噴旋樁和MJS工法樁[5]。

（1）水泥攪拌樁加固方法

水泥攪拌樁是將水泥作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機將水泥噴入土體中充分攪拌，使水泥與土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)形成整體。具有擋土和截水雙重功能。此加固技術(shù)適用于廣泛的土質(zhì)范圍，包括砂土、淤泥土、粉土等飽和軟黏土[10]。當(dāng)土體中存在人工填土?xí)r，土體物質(zhì)成分較雜亂，不均勻，會對機械在土層中的攪拌形成障礙，從而導(dǎo)致此加固方法無法使用。同時，在遇有密實砂層，夾雜卵石層、淤泥層等多層地質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，如何有效控制成樁質(zhì)量，確保軟基處理效果[11]也是值得關(guān)注的問題。

（2）高壓噴旋樁加固方法

高壓噴旋樁是利用專門的鉆機，將帶有特殊噴嘴的注漿管鉆至預(yù)定位置后，將高壓水泥漿液向四周高速噴入土體，并隨鉆頭旋轉(zhuǎn)和提升切削土層，使其混合摻勻從而形成整體。用于砂土、粉土、素填土、碎石土以及淤泥等具有流塑性的土體[12]。其加固效果要優(yōu)于水泥攪拌樁。

（3）MJS工法樁

MJS工法樁是全方位高壓噴射工法樁的簡稱，該工法以傳統(tǒng)形式的高壓噴射注漿技術(shù)為基礎(chǔ)，借助特殊的多孔管以及前端造成裝置[12]，實現(xiàn)了孔內(nèi)強制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測，可以大幅降低施工中的地形變形，減少對環(huán)境的影響，同時地內(nèi)壓力的降低可以進一步保證成樁直徑。與傳統(tǒng)的噴旋工藝相比，MJS工法減少了對周邊環(huán)境的影響。

3.1.2 加固間距

隨著槽壁加固體與槽壁之間距離的增加，槽壁的水平變形和地表沉降變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；以變形為控制目標，槽壁加固間距的最優(yōu)區(qū)域為地表沉降槽最大值對應(yīng)的橫向水平距離位置附近[3]。

3.2 改善泥漿質(zhì)量

優(yōu)化設(shè)計護壁泥漿參數(shù)，是解決砂性土層槽壁坍塌最關(guān)鍵的技術(shù)[5]。結(jié)合超聲波槽壁檢測結(jié)果和現(xiàn)場參數(shù)統(tǒng)計分析，最終確定新制備泥漿的配合比，得到優(yōu)質(zhì)泥漿。通過提高泥漿液面高度、容重，加大泥漿的黏度，減小含砂率，可以有效提升泥漿護壁的效果。當(dāng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下，可以適當(dāng)加大泥漿占比。若增加膨潤土仍無法滿足相應(yīng)的需求時，還可以添加重晶石，從而增大泥漿的比重[6]。

要按泥漿的使用狀態(tài)及時進行泥漿指標的檢驗，以防止泥漿因循環(huán)使用而導(dǎo)致質(zhì)量惡化。砂性土層中循環(huán)泥漿的含砂率非常高，若不及時處理，形成的泥皮將會過厚、失水大、沒有韌性，將會嚴重影響循環(huán)泥漿的質(zhì)量，對槽壁穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。因此成槽前必須及時對泥漿中的泥沙進行分離，目前地連墻施工中一般使用的沉淀法不能及時有效的處理泥漿中的泥沙，特別是細小泥沙，可以在施工時在泥漿系統(tǒng)中設(shè)置泥砂分離器，該分離器及振動篩和旋流器為一體，可以極大的處理循環(huán)泥漿中的泥沙。這樣可以有效提高泥漿利用率，提高地連墻的質(zhì)量，并且節(jié)約一定的成本[13]。

3.3 地下水處理

地下水位過高或是地下水滲漏均會對地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性進行破壞，下面從這兩方面的控制進行分析。

3.3.1 降低地下水位

泥漿的液面與地下水位保持一定的合理高差是槽壁穩(wěn)定性的有效控制條件。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谀酀{液面時，要進行降水處理。井點降水法，是人工降低地下水位的一種方法。在基坑開挖前，在基坑四周埋設(shè)一定數(shù)量的濾水井，利用抽水設(shè)備抽水使所挖的土始終保持干燥。井點降水不僅可以降低地下水位，減少槽壁內(nèi)外水頭壓力差，防止槽壁坍塌失穩(wěn)，而且可以給土體足夠的時間進行固結(jié)，從而增加土體的抗剪強度，同時使泥漿中的水分滲漏出去，有利于泥皮的形成。因此，井點降水法，是可以不擾動砂性土層，避免地連墻槽壁坍塌，并且節(jié)約成本的有效措施。

3.3.2 防止地下水滲漏

在槽壁開挖過程中，如果地連墻槽壁出現(xiàn)水滲漏現(xiàn)象，將會對施工帶來不便的影響，滲漏嚴重時更會導(dǎo)致土顆粒流失，引起地面沉陷甚至使得槽壁坍塌。地下連續(xù)墻產(chǎn)生滲漏的原因主要有以下幾點：（1）相鄰地連墻垂直度存在偏差，導(dǎo)致兩幅地下連續(xù)墻出現(xiàn)較大空隙；（2）相鄰地墻接頭處沒有進行刷壁處理或是處理不徹底不干凈，造成接縫滲漏；（3）未清除的混凝土繞流在地連墻的接縫內(nèi)，會形成滲漏的通道；（4）混凝土灌注過程由于塌孔、墻體夾泥，造成滲漏[8]；（5）對地下連續(xù)墻墻趾注漿效果不佳，導(dǎo)致地下連續(xù)墻的不均勻沉降，從而使得接縫處相對滑動，造成接縫漏水。

防止地連墻槽壁發(fā)生滲漏的處理方法主要分為開挖前和開挖后。

目前，在開挖前針對地下連續(xù)墻槽壁滲漏問題常用的處理方式是進行注漿和地基加固[14]。通過注漿和加固可以形成比較嚴密的固化層，提高強度和抗?jié)B性能。在開挖前，還應(yīng)該遵循開挖必檢、檢后必處的“掏槽檢縫”制度[14]。

在開挖后，若地下連續(xù)墻槽壁出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，則采用封堵或注漿的方法。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻有輕微滲水，表現(xiàn)為墻體產(chǎn)生濕漬、產(chǎn)生水珠狀滴漏或者小量流淌時，可以先將漏水點基面清理干凈，找出準確的漏水點并破除周邊混凝土至新鮮面，然后沿接縫走向采用鉆孔注漿或快速封堵止水，接著在接縫部位兩側(cè)基層表面涂布防水涂料，最后用聚合物水泥防水砂漿找平或重新澆筑補償收縮混凝土[14]。

隨著眾多學(xué)者對地連墻防滲技術(shù)的研究，逐漸出現(xiàn)了預(yù)測滲漏點位置的方法，從而幫助提前進行槽壁防滲。例如，宋芊[8]建立沈陽北站富水砂層深基坑地下連續(xù)墻三維模型，在確定模型和各影響因素后，改變猜測漏水點的位置，在其附近的地下連續(xù)墻上多處設(shè)置漏水點，從而得到各漏水點的降水?dāng)?shù)據(jù)，與實際數(shù)據(jù)進行對比后，即可預(yù)判出漏水點的位置。此方法可以更加有效地防止槽壁滲漏。

3.4 成槽作業(yè)

在需要穿越填石層等土層成槽時，可以采取沖抓相互結(jié)合的方法，能夠更好的穿過填石層，保證鄰近建筑物的穩(wěn)定性，提升成槽效率，保證施工質(zhì)量[15]。

快速成槽，有利于降低槽壁坍塌地可能性和提高地連墻表面的平整度，可以有效地提高成槽質(zhì)量?？梢酝ㄟ^優(yōu)先選擇成槽時間短的成槽機進行成槽施工，并且在地下連續(xù)墻成槽結(jié)束后，立刻進行槽壁的檢測、刷泥漿，下放接頭管、鋼筋籠和導(dǎo)管，在最短的時間內(nèi)進行混凝土的澆灌，減少成槽后的擱置時間，從而減少因成槽時間長而導(dǎo)致的槽壁坍塌的危險。

3.5 混凝土繞流

混凝土繞流情況嚴重時，會導(dǎo)致刷壁時間增加而加長工期，成槽空置時間長而導(dǎo)致無法充分發(fā)揮空間效應(yīng)。所以，必須要特別注意地下連續(xù)墻混凝土繞流的預(yù)防。

防繞流措施主要有有以下幾點：（1）根據(jù)實際成槽情況不斷調(diào)整泥漿配比，保證好泥漿的質(zhì)量；（2）成槽時注意垂直度的檢測及成槽速度的控制，盡量減少對槽壁的破壞[16]；（3）設(shè)置防繞流鐵皮，鐵皮可以有效防止混凝土澆灌時混凝土繞過空隙填充工字鋼與槽段間的空位，從而導(dǎo)致下一段槽段施工困難；（4）控制混凝土澆筑的速度，勻速不間斷且不宜過快，保證混凝土液面平穩(wěn)勻速上升，減少槽壁產(chǎn)生局部壓力差，并且控制好混凝土初凝的時間，控制鎖扣管的提拔時間以防止提拔過早；（5）在成槽結(jié)束后土袋回填必須要要分層壓實，保證回填土有一定的密實度[5]；（6）嚴格控制槽段的開挖量，防止超挖。

4 總結(jié)

通過對地連墻槽壁坍塌的影響因素和改善措施的研究，得出了采取加固土體、改善泥漿質(zhì)量、降低地下水位、優(yōu)化成槽作業(yè)和防止混凝土繞流的措施來降低槽壁坍塌風(fēng)險，提高地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的結(jié)論，保證了地下連續(xù)墻的施工安全，同時也對后續(xù)的施工帶來一定的借鑒意義。