注漿工藝在加強地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性中的應(yīng)用分析

辜 健

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

地下連續(xù)墻由于具有良好的地層適應(yīng)性，抗彎剛度大，強度可以達到70 MPa，受土水壓力后變形小，可應(yīng)用于超深基坑的圍護結(jié)構(gòu)，且具有防滲阻水功能，甚至可以作為地下室“兩墻合一”的永久結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟效益良好，因此在地下工程開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用，在地鐵、水利工程基坑開挖、地下停車場建設(shè)、深隧排水工程中均有應(yīng)用[2]。然而，地下連續(xù)墻的施作需要預(yù)先對土體進行銑刨、切割和攪動以形成空槽，不可避免地對槽壁造成擾動，對工程施工產(chǎn)生不利影響。特別是地質(zhì)條件為軟弱松散土層時，受成槽機械的振動和碰擦，以及地下水的浸泡和軟化，槽壁很容易失去穩(wěn)定性而發(fā)生塌陷，進而影響鋼筋籠下放和混凝土的澆筑，給基坑工程的施工造成潛在風險[3]。

1 地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性影響因素

大量的實踐經(jīng)驗表明，由于地下連續(xù)墻的槽壁穩(wěn)定性受到眾多因素的影響，槽壁穩(wěn)定性的理論計算結(jié)果經(jīng)常與實測結(jié)果不一致。影響槽壁穩(wěn)定性因素大致可以分為3類，即地質(zhì)情況、施工方法以及泥漿護壁效果。正是這些復(fù)雜因素的相互耦合，各種因素相互制約，使得槽壁的穩(wěn)定性計算仍然處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)，導(dǎo)致有時槽壁穩(wěn)定性理論計算結(jié)果是安全的但實際卻出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，或者是理論計算結(jié)果為失穩(wěn)而實際卻沒有發(fā)生坍塌。因此，需要對影響地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的各個因素進行深入分析，以便在地下連續(xù)墻的成槽過程中確保槽壁的穩(wěn)定、分析槽壁出現(xiàn)失穩(wěn)的原因，為槽壁的加固提供基礎(chǔ)條件。

1.1 地質(zhì)情況的影響

影響地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定的地質(zhì)情況方面，主要涉及2個因素，分別是地下水和土體自身的物理力學(xué)指標。

在成槽過程中，成槽機械對土體進行切削和排出，土體壓力釋放，導(dǎo)致地下水向槽內(nèi)滲流，沖蝕槽壁土顆粒，形成壓力差。為了平衡地下水壓力，往往在槽內(nèi)注入泥漿。當泥漿壓力與地下水壓力相等時，槽壁穩(wěn)定；當泥漿壓力大于地下水壓力時，槽壁穩(wěn)定且有利于泥皮形成較大的厚度，形成保護膜；相反，當泥漿壓力小于地下水壓力時，則泥皮被地下水沖破，滲透膠結(jié)作用明顯削弱，槽壁失穩(wěn)。因此，在實際的地下連續(xù)墻成槽過程中，因控制地下水位的變化，保持泥漿面高于坑外地下水位1.5 m，而當遇到承壓水層導(dǎo)致坑外水頭增加，或者遇到斷層破碎帶導(dǎo)致槽內(nèi)泥漿滲漏壓力下降，則應(yīng)采取降水加固措施，調(diào)整液面高度，以維持槽壁的穩(wěn)定性[3-5]。

土體的物理力學(xué)指標是影響槽壁穩(wěn)定最為直接的影響因素。由土壓力平衡理論可知，在清水無支撐狀態(tài)，槽壁的穩(wěn)定性完全依靠土體的抗剪強度來維持，當剪應(yīng)力大于土層的抗剪強度時，則發(fā)生剪切破壞，土體顆粒出現(xiàn)位移引起失穩(wěn)[6]；在泥漿護壁條件下，槽壁的穩(wěn)定除了泥漿液的壓力外，還存在泥皮固結(jié)膠結(jié)作用，增強了土體之間的黏聚力和范德華力。一般而言，抗剪強度指標大的土體，其天然密度大、顆粒間的咬合強度高、自穩(wěn)能力強，水平側(cè)壓力小，槽壁穩(wěn)定性高，相反則穩(wěn)定性低。

1.2 施工方法的影響

影響地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定的施工方法方面，主要涉及3個因素，分別是施工振動、施工工序以及槽段劃分。

目前，地下連續(xù)墻的主要成槽方式有液壓抓斗成槽、銑槽機成槽、鉆抓結(jié)合法成槽和先抓后銑成槽，各個成槽方法的機械設(shè)備多樣，但無論何種方式的機械設(shè)備，其自重均可以達到100 t(包含成槽機、鉆頭以及輔助器材的重量)，這對于土體而言是頗為巨大的外荷載，施工時的刮碰振動即可使得土體失去穩(wěn)定，特別是對于地表近2 m范圍內(nèi)的土層，受到抓斗和成槽機的頻繁施壓，其穩(wěn)定性更差。因此，一般通過在開槽前施作導(dǎo)墻的方式控制土體穩(wěn)定性，也可以達到控制墻體垂直度的目的。另一方面，施工設(shè)備的成槽速度也是引起振動的主要原因。因為銑槽鉆頭在頻繁抓挖和往復(fù)升降的過程中，若是速度過快則引發(fā)真空抽吸作用，導(dǎo)致土體超孔隙水壓力上升，泥漿液的運動形式從層流變換為湍流，槽壁土樣受到?jīng)_刷進而引發(fā)土體顆粒的攜帶和崩塌[7-8]。

在施工工序上，地下連續(xù)墻成槽順序的正確安排可以有效降低由于振動和擾動造成的槽壁失穩(wěn)。這是因為銑槽鉆頭在頻繁抓挖和往復(fù)升降的過程，其速度過快引發(fā)真空抽吸作用，不僅影響正在施作的槽壁，也會對相鄰槽段產(chǎn)生干擾，為了避免相鄰槽段施作時間過短導(dǎo)致土體開挖寬度過大和槽比的寬深比過大，實際工程中往往選擇間隔跳挖的方式來成槽，這也有利于土拱效應(yīng)的形成。

在槽段劃分上，單元槽段的設(shè)計一般是經(jīng)過大量的工程計算和工程經(jīng)驗總結(jié)而得出的。地下連續(xù)墻單元槽的寬度、厚度和深度對土體的應(yīng)力變化起決定性的作用。因為槽壁的寬度越大、深度越大，土體的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的應(yīng)力重分布就越明顯，影響土拱效應(yīng)的發(fā)揮，進而引發(fā)槽壁失穩(wěn)。在現(xiàn)有的工程設(shè)計中，經(jīng)過三維滑動力理論計算表明，槽壁的劃分長度一般以控制在6 m左右為宜，不僅對成槽設(shè)備的鉆頭要求可以達到標準化，而且可以避免由于槽段的寬度過大引發(fā)的槽壁失穩(wěn)。

1.3 泥漿護壁效果的影響

泥漿護壁可以提供漿液柱壓力、滲透膠結(jié)作用以及電化學(xué)的吸附效應(yīng)，以抵抗地下水壓力的作用。槽壁穩(wěn)定的過程就是泥漿逐漸滲透土體形成泥皮的過程。調(diào)節(jié)泥漿的比重和液面高度可以有效抵抗地下水、土體的水平向壓力，減低槽壁的水平位移。有研究表明，泥漿的比重和液面的高度具有明顯的近線性關(guān)系，如圖1所示，具體表現(xiàn)為當維持一定的液面高度時，泥漿比重的配比越大，抵抗土體變形的能力就越強，相反則越低。

圖1 泥漿比重與液面高度的相互關(guān)系

在滲透膠結(jié)作用上，當泥漿壓力大于地下水壓力時，泥漿在滲透壓的作用下逐漸向槽壁內(nèi)滲透，泥漿黏土顆粒吸附在土體顆粒上并形成凝膠，增加了土體的黏聚力和降低了土體的滲透率，達到增加槽壁穩(wěn)定性的效果。一般而言，對于黏性土土層，其本身具有較好的黏聚力，且土體的密實程度較好，容易形成具有滲透膠結(jié)效果的泥皮；而對于砂土、圓礫土等非黏性土，由于土體顆粒的孔隙大，顆粒間無黏結(jié)，因此泥漿的比重要求大，且滲透膠結(jié)的厚度也要求大，才能維持槽壁的穩(wěn)定。

在電化學(xué)吸附效應(yīng)上，泥漿的黏土顆粒具有雙電層效應(yīng)，在泥漿液柱與地下水的壓力差作用下，形成電滲效應(yīng)吸附在土體表面，不僅可以降低成槽鉆頭升降引起的湍流作用，而且可以懸浮沉渣，使得沉渣在泥漿電化學(xué)吸附作用下形成團體，被逐步注入的新鮮泥漿置換而排出槽外，避免了由于沉渣過多需要多次清孔引發(fā)的槽壁擾動和失穩(wěn)。

2 工程概況

河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程施工5標工程主要位于河南省焦作市武陟縣境內(nèi)，項目包含一段新建穿沁河隧洞，和一段新建總干渠渠道。線路沿方陵村以北由西向東穿越沁河至南賈村以南敷設(shè)。進口連接段處設(shè)一座盾構(gòu)始發(fā)井，位于方陵村以北農(nóng)田中。

盾構(gòu)始發(fā)井為矩形豎井，圍護結(jié)構(gòu)采用厚度為1 000 mm的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻外側(cè)尺寸為26 m×14.5 m，深度為26.0 m，共計12幅，豎井采用明挖順作法施工。出口檢修井作為盾構(gòu)接收井，位于南賈村以南楊樹林中。檢修井為圓形豎井，圍護結(jié)構(gòu)采用厚度為1 500mm的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻外直徑為21.8 m，深度為76.0 m，共計16幅，豎井采用明挖逆作法施工。

場區(qū)地下水分為潛水和承壓水。據(jù)2019年5月至10月勘察期間水位觀測資料，沁河右岸地下水賦存于第層中細砂中，埋深為14.2～22.1 m，水位為77.83～82.08 m，具承壓性，承壓水頂板高程為73.3～78.24 m，巖性為第⑨層重粉質(zhì)壤土或第⑩層重粉質(zhì)壤土(局部為砂壤土)；實測高水位為82.08～84 m，預(yù)測高水位為83～84 m，實測低水位為77.8～78.24 m，預(yù)測低水位為76～77 m。沁河河床中，沁河河水、潛水和下部承壓水存在水力聯(lián)系，河水補給地下水，受沁河河水影響，地下水位較高，潛水位多位于第②粉砂、第③層細砂中，埋深為4.4～11.2 m，水位高程為87.02～93.64m，且自主河槽處向兩側(cè)水位漸低；承壓水隔水層為第④層粉質(zhì)黏土和第⑤層重粉質(zhì)壤土，頂板高程一般為74.3～80.07 m，賦存于第層中細砂層中；地下水位和沁河河水水力聯(lián)系密切，實測低水位為84.4～87.02 m，預(yù)測低水位為83.4～86.0m。沁河左岸地下水賦存于第層中細砂層中，埋深為9.2～19.8 m，水位為81.98～82.35 m，略具承壓性，承壓水頂板高程為77.95～80.22 m，巖性為第⑨、⑧層重粉質(zhì)壤土；實測高水位為84.7m，預(yù)測高水位為83～86m，實測低水位為81.98m，預(yù)測低水位為80.0m。

3 地下連續(xù)墻注漿施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 注漿施工工藝流程

在確保施工安全順利進行的前提下，制定地下連續(xù)墻注漿施工工藝流程，如圖2所示。

圖2 地下連續(xù)墻注漿施工工藝流程

槽段施工全過程均采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿進行護壁，新制備護壁泥漿比重為10.4～11.5 kN/m3，黏度為20～30。泥漿使用前，根據(jù)各槽段的不同地質(zhì)條件按最易坍孔的土層進行泥漿配比的比重試驗，并經(jīng)試驗槽段進行檢驗，見表1。

表1 成槽施工每立方米泥漿配比

3.2 預(yù)留注漿管

根據(jù)設(shè)計要求預(yù)埋注漿管，每幅地下連續(xù)墻需埋設(shè)2根注漿管，注漿管采用直徑為50 mm(外徑)、壁厚為3.5 mm 鋼管，注漿管之間采用螺紋套管連接，插入槽底不小于200 mm。注漿管和鋼筋籠桁架用鐵絲綁扎在一塊，注漿管處于鋼筋籠的厚度方向上的中間位置。如圖3所示。

圖3 注漿管的預(yù)先埋設(shè)

為了保證注漿管的螺紋套管連接位置的密封效果，在該位置處采用止水膠帶纏繞，在鋼筋綁扎過程中要避免對螺紋套管的碰撞和擠壓，注漿管路要能夠滿足2倍以上最大注漿壓力的要求，而注漿器配備單向閥功能，同時在地下連續(xù)墻鋼筋籠下方到位后，采用清水注入注漿管，并施加一定的壓力，觀測水壓力的變化以檢查注漿管的密封效果。如果水壓力穩(wěn)定在一定范圍不出現(xiàn)大的變動幅度，表明注漿管的管路密封良好，否則需要采取一定的輔助措施對止水不良地方進行加固，以免在注漿過程中出現(xiàn)漿液滲漏。

3.3 漿液配置參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，單根注漿量不大于2 m3，注漿壓力為0.20～0.40 MPa，終止注漿壓力不大于1.2 MPa，且墻頂抬高不得大于10 mm?？筛鶕?jù)注漿壓力做適當調(diào)整，注漿材料為PO.42.5普通硅酸鹽水泥，注漿水灰比為0.45～0.65。根據(jù)土層的實際需求確定漿液是否加入添加劑，同時為避免由于水泥團結(jié)對注漿管的堵塞，在配置漿液完成后輸入注漿泵之前，需要對漿液進行過濾處理，過濾網(wǎng)的網(wǎng)眼一般為3 mm×3 mm。

3.4 注漿過程

注漿加固槽壁穩(wěn)定性的作用機理主要是通過對土體的置換和擠密，以及水泥漿液的硬化提高土體的抗剪強度。在注漿施工前，需要依據(jù)設(shè)計方案，對注漿管的長度、深度以及垂直度徑向檢查，并采用試注漿的方式，確定土層的注漿參數(shù)，控制注漿壓力，保證注漿量以及滿足土體加固的注漿流量要求，漿液輸漿系統(tǒng)也根據(jù)注漿進程進行實時調(diào)整。注漿過程中，對注漿壓力、土層土壓力和孔隙水壓力進行實時觀測，當出現(xiàn)壓力異常情況時，需對各個分項進行檢查，如注漿壓力過大，則分析地層條件是否變硬，可以減少注漿量，而注漿壓力突然泄壓則表明存在漿液滲漏的情況。另外，在注漿前可以采取其他一些輔助措施保證注漿效果，比如增加排水通道，以滿足注漿時土體超孔隙水壓力的消散，加速土層的固結(jié)。

3.5 注漿效果檢測

地下連續(xù)墻混凝土檢測墻段數(shù)量不少于總墻段數(shù)20%(6幅)，每個檢測墻段預(yù)埋φ50 mm聲測管4個，埋設(shè)于籠體4面中間位置，如有沖突則適當調(diào)整位置。對本項目的標準段、小里程盾構(gòu)井段、大里程盾構(gòu)井段點的地下連續(xù)墻穩(wěn)定性檢測結(jié)果表明，加固效果可以大大降低槽壁失穩(wěn)，具體統(tǒng)計情況見表2。

表2 加固前后槽壁失穩(wěn)頻次統(tǒng)計

4 結(jié)束語

槽壁穩(wěn)定是地下工程開發(fā)中地下連續(xù)墻施工中的難點問題，其涉及的影響因素眾多，且相互耦合，使得目前的穩(wěn)定計算公式仍處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)計算結(jié)果與實際不符的情況。本文以實際基坑工程為例，分析了影響槽壁穩(wěn)定性的影響因素，并采用注漿加固技術(shù)對槽壁進行加固穩(wěn)定。研究結(jié)果表明，注漿加固有效地改善了土體的強度，降低了槽壁失穩(wěn)的頻次。