深基坑地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析及施工技術(shù)研究*

中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院 北京 100083

1 工程概況[1-9]

本項目為北京市最高建筑物（高528 m） 的基坑工程，基坑平均深度為38 m，最大深度達42 m。施工中需穿越層間潛水和承壓水二層地下水，成槽時易造成大量的地下水涌入，采用井點降水法排水不足以滿足施工要求。地下連續(xù)墻具有截水、防滲、擋土等功能，同時根據(jù)北京市建設工程施工降水管理要求，基坑工程要嚴格限制施工降水，以保證水資源不被污染和浪費。本工程地下連續(xù)墻總寬度60 m，墻厚800 mm，最大墻身48 m，由于地下連續(xù)墻成槽深度較大，如何保持其穩(wěn)定性是本工程難點。

根據(jù)巖土工程勘查報告，按地層沉積年代和成因類型，地下連續(xù)墻深度范圍55.0 m內(nèi)包含6 種土層，且沿深度各土層的名稱為素填土、粉黏土、砂粉土、粉黏土、細砂、卵石、黏土、粉黏土、細砂、卵石、黏土、粉黏土、卵石、黏土、粉黏土。

工程擬建場區(qū)位于北京市區(qū)淺層地下水水文地質(zhì)分區(qū)的Ⅱb亞區(qū)。根據(jù)勘察實測水位情況，結(jié)合“北京市區(qū)淺層地下水長期觀測網(wǎng)”的資料和Ⅱb亞區(qū)水文地質(zhì)特征分析，擬建場區(qū)地表至地下55.0 m左右的深度范圍內(nèi)分布有二層淺層地下水：第一層地下水分布于第⑤層細砂和第⑥層卵石層中，為層間潛水；第二層地下水分布于第⑨層細砂和第⑩層卵石層中，為承壓水。

2 地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析

2.1 地層參數(shù)確定

2.1.1 土層的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角φ、加權(quán)平均內(nèi)聚力C、加權(quán)平均重度γ

計算公式[10]為：

式中：φ——加權(quán)平均內(nèi)摩擦角（°）；

φi——相應土層的內(nèi)摩擦角（°）；

hi——相應土層的厚度（m）；

C——加權(quán)平均內(nèi)聚力（kPa）；

Ci——相應土層的內(nèi)聚力（kPa）；

γ——加權(quán)平均重度（kN/m3）；

γi——相應土層的重度（kN/m3）。

將數(shù)據(jù)帶入（1）、（2）、（3）得：

φ=26.86°，C=11.5 kPa，γ=18.58 kN/m3。

2.1.2 地下連續(xù)墻嵌固結(jié)深度計算

由經(jīng)驗公式法計算嵌固結(jié)深度，公式[10]為：

式中：D——墻體嵌固結(jié)深度（m）；

H——基坑開挖深度（m）；H’=H+q/γ，地表荷載q=10 kN/m2；

[δ]——容許變量，且[δ]=0.1H/100；

γ——加權(quán)平均重度（kN/m3）；

C——加權(quán)平均內(nèi)聚力（kPa）；

φ——加權(quán)平均內(nèi)摩擦角。

當基坑開挖深度取最大深度H=42 m時，地下連續(xù)墻底到自然地面深度H’=42+10/18.58=42.54 m。

地面總埋深H總=H+D=42+9.35=51.35 m。

2.2 地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析

2.2.1 抗隆起穩(wěn)定性計算

采用同時考慮C、φ值的抗隆起法，按普朗特地基承載力公式[11]進行計算。

式中：KL——抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)，取值范圍一般采用KL≥1.2；

γ——坑外地表至墻底，各土層天然重度的加權(quán)平均值（kN/m3）；

γD——坑內(nèi)開挖面以下至墻底，各土層天然重度的加權(quán)平均值（kN/m3）；

D——嵌固結(jié)深度（m）；

C——加權(quán)平均內(nèi)聚力（kPa）；

Nq、Nc——地基極限承載力的計算系數(shù)。

2.2.2 槽壁整體穩(wěn)定性計算

地下連續(xù)墻成槽過程中，槽內(nèi)充滿泥漿，槽壁受到泥漿的支撐護壁作用，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。泥漿與砂層間被不透水膜所隔開，滑動面為AB，如圖1所示。

圖1 深槽穩(wěn)定性計算示意

根據(jù)圖1（a），有：

由 （6）和（7）得 ：

式中：G——槽壁重力（N）；

γs——砂的重度（kN/m3）；

θ——ABC滑塊即將滑動時與槽底夾角（°）；

Pf——泥漿對槽壁的作用力（N）；

γf——泥漿的重度（kN/m3）。

根據(jù)圖1（b），有：

式中：Pf——泥漿對槽壁的作用力（N）；

G——槽壁重力（N）；

φ——ABC滑塊即將滑動時與槽底夾角（°）；

α——滑動面法線與槽反作用力R的夾角（°）。

由（8）和（9）得：

當θ=45°+α/2時，α為最大，此時為最容易滑動的狀態(tài)。

將θ=45°+α/2代入公式（10），得：

槽壁安全系數(shù)K可按公式計算：

于是可得：

式中：K——槽壁安全系數(shù)，必須大于1；

γs——砂土的重度（kN/m3）；

γf——泥漿的重度（kN/m3）；

φs——砂土的內(nèi)摩擦角（°）。

3 地下連續(xù)墻施工技術(shù)

3.1 地下連續(xù)墻成槽施工技術(shù)

工程采用厚800 mm地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)，共10 幅。地下連續(xù)墻施工均采用工字鋼的接頭形式，水下混凝土強度等級C30，并在每幅地下連續(xù)墻接縫處外側(cè)增設3 根Φ600 mm@500 mm高壓旋噴樁止水。

挖槽的精度是保證地下連續(xù)墻的質(zhì)量關(guān)鍵之一，施工前應進行成槽檢驗，確定施工工藝流程，選擇操作技術(shù)參數(shù)。成槽采用液壓抓斗按照“跳一挖一”的順序進行施工，首先施工一序槽，然后施工二序槽，最后施工三序槽（圖2）。

圖2 槽段跳槽時分段

3.2 泥漿配制技術(shù)

泥漿的正確使用是保證挖槽和成槽質(zhì)量的關(guān)鍵，泥漿在地下連續(xù)墻挖槽過程中的作用首先是護壁、攜碴、冷卻機具和切土潤滑。其中護壁又分靜止式和循環(huán)式二種，工程中由于采用了液壓抓斗成槽，主要利用了泥漿的靜止式護壁和切土潤滑兩種作用。

針對工程施工特點，結(jié)合工程地質(zhì)水文情況，泥漿制備采用自來水、膨潤土、黏土、CMC（鈉羧甲基纖維素）增黏劑和Na2CO3堿性分散劑等，取得良好的止水效果。

3.3 鋼筋籠吊放技術(shù)

鋼筋籠吊裝方案根據(jù)工程實際中的鋼筋籠的大小、質(zhì)量和主副吊等因素選擇了“整體制作、整體吊裝、空中整體回直、一次入槽”的方案。

3.4 水下混凝土澆筑技術(shù)

導管安裝完成后，利用導管輸送混凝土并使之與環(huán)境水隔離，依靠管中混凝土自重，壓管口周圍的混凝土在已澆筑的混凝土內(nèi)部流動、擴散，以完成混凝土的澆筑。

3.5 施工效果分析

地下連續(xù)墻槽段采用超聲波進行測試，地下連續(xù)墻垂直度10 個檢測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于0.14，在國家規(guī)范安全范圍內(nèi)，說明本工程地下連續(xù)墻穩(wěn)定性設計符合安全要求；同時鋼筋骨架和預埋件的安裝無松動和遺漏，標高、位置準確，接縫滲水點24 處，小漏水點5 處，同時未發(fā)現(xiàn)較大漏水點，及時采用常規(guī)堵漏法封堵，未影響結(jié)構(gòu)正常施工，工程實際證明地下連續(xù)墻止水效果良好，滿足施工要求。

4 結(jié)語

針對北京市最高建筑深基坑地下連續(xù)墻施工存在水文地質(zhì)條件復雜、施工難度大等特點，本文通過理論分析及工程實際研究，獲得以下結(jié)論：

（a）通過計算加權(quán)平均內(nèi)摩擦角φ、加權(quán)平均內(nèi)聚力C、加權(quán)平均重度γ以及嵌固結(jié)深度等土層參數(shù)，計算得到抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)KL=2.61＞1.3，滿足抗隆起穩(wěn)定性要求；通過對槽壁的力學計算得到槽壁倒塌安全系數(shù)K=2.22＞1，得出槽壁整體的穩(wěn)定性；從而證明了地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性。

（b）采用“跳一挖一”成槽，利用泥漿靜止式護壁，選擇鋼筋籠 “整體制作、整體吊裝、空中整體回直、一次入槽”吊裝，依靠混凝土自重澆筑，保證地下連續(xù)墻施工質(zhì)量。

（c）地下連續(xù)墻采用超聲波測試得出其垂直度良好，同時止水效果滿足工程實際要求。