復雜地質地下連續墻槽壁處理技術

戴霽昱

1 概況

某工程地鐵站圍護結構為地下連續墻,入土深度較深,連續墻頂在自然地面以下10 m左右,存在大量異形連續墻如L形、T字形等,在這些異形連續墻成槽施工過程中,由于該區域內地層以淤泥、粉質黏土和粉砂為主,且地下水位較高,富含微承壓水和承壓水層,具有獨特的地質結構,由于工程受力和施工擾動的影響,在槽壁“陽角”處易發生塌孔,造成槽壁失穩,直接影響連續墻的成槽質量。在如此復雜地質條件下,地下連續墻工程實踐較少,可以借鑒的工程經驗很少,因此結合該工程地下連續墻工程,評價槽壁的穩定性與安全性,總結了地下連續墻施工槽壁加固成套技術。

2 工程簡介

該工程地鐵站深基坑長124.2 m,寬26.4 m,圍護結構采取地下連續墻和鋼管內支撐體系,地下連續墻墻體厚度0.8 m,深度33 m～57 m,鋼管為φ 609,水平間距3 m,豎向間距約4 m。地鐵站基坑開挖深度23.4 m,連續墻入土深度28 m,在地鐵施工區域采用疏干井和減壓井結合的方式降水。

3 水文地質情況

工程區域內地表水系極其發育,常年水位(黃海標高)1.10 m～1.30 m,其年變幅1 m左右,地下水分為孔隙潛水、微承壓水及承壓水。微承壓水主要賦存于④及④1層粉質黏土中,其透水性及賦水性為一般～中等。該含水層埋深在6.80 m～12.20 m之間,厚度在 1.30 m～6.50 m,影響半徑為45 m,為透水土層,對施工影響較大。

土層為第四系沉積疏松沉積物,以黏性土為主,間夾砂性土。受人類活動影響明顯的土層有淤泥層和填土層,呈流塑或松軟狀,埋深1.5 m～4.7 m,③2粉質黏土層可塑為主,局部軟塑,④2粉質黏土層為軟塑～流塑,④5粉質黏土層為軟塑,局部為流塑,⑤2粉質黏土層為可塑～軟塑,⑥3a粉質黏土層軟塑為主,局部可塑,⑦2粉質黏土層可塑,底部因粉粒含量高,呈流塑狀,對連續墻成槽影響較大。

4 地下連續墻槽壁失穩機理

4.1 整體穩定性

對連續墻開挖工程中槽壁失穩情況的調查可以發現,雖然槽孔的開挖深度通常都大于20 m,但是失穩往往發生在表層或深度約2 m～20 m內的淺土層中,在導墻正下方的土體可以觀察到有膨鼓的現象,失穩破壞而在地表面上會沿整個槽長展開,基本呈橢圓形,失穩通常發生在泥漿高度降到地下水位以下約1 m。泥漿護壁開挖槽段時,在接近地表面位置土體的穩定性最差,地面或有超載情況下,淺層失穩更容易發生。因此,表層或淺層失穩是泥漿護壁開挖的主要失穩形式。

4.2 局部穩定性

當地基土體有軟弱夾層時,開挖的局部穩定性將受到威脅,常常會引起超挖現象,導致后續灌注混凝土或防滲材料的充盈系數增大,增加施工成本和難度。除了受土體的剪切強度影響外,泥漿槽壁的局部穩定性還受向槽壁周圍地基滲入的影響。在泥皮形成前,泥漿滲入將產生滲透力,以維持新開挖面即槽壁上土體的局部穩定。當滲透力無法與槽壁土壓力平衡時,泥漿槽壁將產生局部失穩。

5 影響地下連續墻槽壁穩定性因素

5.1 微承壓水對于槽壁穩定性的影響

含有粉性和砂性的土體在承壓水作用下,引起槽壁出現很大的水平變形,主要發生在④層的頂部和底部,槽壁周圍土體出現破壞,很有可能引起土體的流失,進而發生塌孔的現象;而④層以上和以下土體的力學性質較好,一般不會出現明顯的破壞區。因此,④層土體的粉砂性以及微承壓水是引起槽壁塌孔的重要原因。

5.2 施工附加荷載對于槽壁穩定性的影響

一般在施工過程中都有成槽機在槽孔側部地面上施工,由于施工附加荷載的作用,使得土體中的附加應力增大,出現最大水平變形的位置上移,土體的塑性區主要集中在④層的頂部和底部。

5.3 抓斗吸力對于槽壁穩定性的影響

連續墻成槽深度達33 m～57 m,成槽機的抓斗頻繁抓土,容易在抓斗下方局部范圍內引起負壓力,對槽壁穩定造成不利影響。由于長時間的影響,10 m～20 m范圍內土體極易發生塌陷。

5.4 泥漿性能對于槽壁穩定性的影響

泥漿密度和泥漿液面高度直接影響槽壁穩定性,槽壁安全系數隨泥漿密度和泥漿液面高度增大而線性增大,若泥漿密度和泥漿液面高度控制不到位,將易出現槽壁坍塌。

6 控制地下連續墻槽壁坍塌措施

6.1 制作標準導墻及型鋼圍擋處理空槽

在表層土軟弱的地帶采用現澆L形鋼筋混凝土導墻,標準導墻深度 1.5 m,深導墻深度2.0 m～2.5 m,導墻厚不小于 0.25 m(見圖1)。

由于連續墻頂不在地面,要對上部10 m空槽進行處理,以保證相鄰連續墻槽段施工時能夠正常成槽,具體做法是在鋼筋籠吊裝時,將圍擋H型鋼下部與接頭H型鋼通過卡板連接并固定,圍擋H型鋼上部通過槽鋼在地表固定在導墻上。在首開幅連續墻混凝土澆筑完成后,在型鋼中間回填素土,待閉合幅施工結束后,收回空槽部分型鋼,這樣節約材料,提高工效,縮短工期。H型鋼圍擋實物照片及豎向示意圖如圖2所示。

6.2 減小成槽機等設備的影響

成槽機施工區域及鋼筋加工場地采用混凝土進行硬化,成槽機成槽施工時,在該停機位置下應鋪設4 cm厚的鋼板。在成槽過程中遵循“慢提慢放,嚴禁滿抓,平穩入槽,平穩出槽”的原則,減少動荷載對槽壁的影響。挖槽時成槽機抓斗中心線與導墻中心線重合,抓斗一端緊靠畫線位置,并保證成槽機平穩,導板面調整到能自然入槽。待挖深超過導墻底后再往導墻內輸送泥漿,隨挖隨注入泥漿,使泥漿面與導墻頂保持0.3 m～0.5 m的距離。在2.5 m的挖掘范圍內,不準移動機位、更換司機,隨時進行糾偏,以保證垂直度。

6.3 合理控制地下水位標高

在軟弱土層或流砂層成槽時,應采取慢速掏進,適當加大泥漿密度,控制槽段內液面高于地下水位0.5 m以上,槽段成孔后,緊接著放鋼筋籠并澆筑混凝土,縮短挖槽時間和澆筑混凝土間隔時間,降低地下水位,減少沖擊和高壓水流沖刷。

6.4 采用高壓旋噴樁加固

對連續墻槽壁兩側采取加固處理可有效避免基槽坍塌問題的發生。有限元模擬開槽兩側土體各采用φ 800@600高壓旋噴樁加固,加固深度24 m(加固至第④層土下2 m范圍)。計算得槽壁側水平變形,見圖3。

由計算結果可知,加固后槽壁的最大水平變形僅2.05 cm,能有效滿足施工要求,發生在加固底部1 m范圍內。因此,槽壁兩側土體加固可有效避免槽壁坍塌問題。

6.5 嚴格控制護壁泥漿原料和制作及處理工藝

1)由試驗確定,一般可按下列重量配合比試配:水∶膨潤土∶CMC∶純堿=100∶(8～ 10)∶(0.1～ 0.3)∶(0.3～ 0.4)。 在特殊的地質和工程的條件下,泥漿的比重需加大,如只增加膨潤土的用量不滿足要求時,可在泥漿中摻入一些重晶石,達到增大泥漿比重的目的。泥漿中各種材料的用量根據泥漿的性能指標詳見表1。

表1 成槽泥漿的性能指標

2)制備泥漿用攪拌機攪拌過程為:攪拌機加水旋轉后緩慢均勻地加入膨潤土,慢慢地分別加入CMC、純堿和一定量的水,充分攪拌后倒入膨潤土的水溶液中再攪拌均勻。攪拌后流入儲漿池待溶漲24 h后使用。

7 施工效果

按上述控制措施組織實施,加固后的連續墻成槽施工很順利,土體與前期沒有加固的土體在地面以下15 m左右開挖出的土體形狀也明顯有所改善,對槽段進行了超聲波檢測,槽壁沒有發生坍塌現象,連續墻成槽質量良好。

[1]王立彬,燕 喬.深厚覆蓋層防滲墻槽壁穩定影響因素及提高穩定性措施[J].災害與防治工程,2008(5):41-42.

[2]黃 青.地下連續墻技術探討[J].山西建筑,2009,35(26):88-90.