泥漿護壁壓力分布形態及槽壁穩定控制方法研究

靳利安 郭運華

文章編號：1006-0081（2019）09-0041-07

摘要：槽壁穩定性控制是地連墻施工的關鍵環節，由于傳統基于極限平衡的力學分析方法具有局限性，目前采用優化泥漿配比參數的經驗控制方法，但仍未解決這一關鍵技術問題。基于泥漿滲透形成抗滲泥皮的試驗結果，從泥漿成皮的滲透壓力條件及時間演化規律出發，研究了不同開挖階段泥漿有效護壁壓力的分布規律。研究結果表明：泥漿護壁壓力在槽壁上的“駝峰”型分布規律是開挖面附近泥漿護壁壓力不足的直接原因，使開挖面以上5-10m范圍成為穩定性薄弱環節，通過降低開挖下切速度可有效提高槽壁穩定性控制效果。以福州地鐵5號線建新南路站的中砂一黏土交互地層的穩定性控制應用為例，對其進行了聲波檢測成像分析，結果表明該方法可有效控制富水砂-黏土-卵石富水地層60m深地連墻槽壁的穩定性。

關鍵詞：泥漿護壁;壓力分布形態;槽壁穩定性控制;連續墻施工;福州地鐵

中圖法分類號：TU473.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.010

1研究背景

地下連續墻是一種常見的基坑圍護結構型式，由于其施工場地占用小、施工過程對周邊環境影響小且易實現圍護結構與建筑外墻合一，在建設場地狹窄的城市重要區域工程建設中占有十分重要的地位。但地連墻施工需要開挖狹長的深槽，極易出現槽壁失穩的工程事故，導致鄰近建構筑物沉降超標或機械設備被掩埋。當前，槽壁失穩的問題一直未得到很好地解決，成槽開挖和施工機械的使用主要靠經驗控制為主，而對開挖過程的科學預見性不足。特別是地質條件復雜地區的槽壁穩定性控制是成槽施工的關鍵和技術難點。

有學者研究了泥漿護壁壓力的產生機制及穩定性控制技術。李建軍等[1]研究了護壁泥皮的抗滲性能，認為壓差越大，泥皮越致密，抵抗滲透破壞的能力越強;泥皮形成時壓差越大，正、反向滲水的臨界水力梯度越大。劉成等[2]研究了添加輕質砂的泥漿在砂性地層中侵入成膜的特征，認為適量添加粗粒材料可有效縮短成膜時間，并降低成膜濾失量，改善成膜效率，但添加量達到一定值時，其改善效果會降低。同時，可用曲線雙參數模型量化濾失量曲率、成膜時間和成膜階段等成膜特征。楊春鳴等[3]在粗粒土入滲面形成泥皮的基礎上，進行了泥漿滲入粗粒土膠結體、泥皮和混凝土防滲墻體等共同工作的抗滲特性測試，認為粗粒土單粒平均孔隙體積越小，泥漿在土中滲透形成的泥皮越致密，抗滲性能越好。周云等[4]針對施工中泥漿的性能指標與成槽時的沉渣厚度進行了統計研究。楊光煦[5]分析了槽壁穩定機理，提出了判斷孔壁穩定性的實用計算公式。葉偉濤等[6]以福州地鐵泥水平衡盾構全斷面穿越中粗砂層掘進為工程背景，采用析因設計綜合分析了不同泥漿相對密度和黏度下的單位濾水量、成膜時問和泥皮形態，以及泥倉壓力和含砂率對泥漿成膜的影響。陳先威等[7]介紹了一種改進的泥漿循環系統。上述研究闡述了泥漿工作原理的一些方面，揭示了泥漿單參數對護壁效果的作用機制，但尚未針對槽段開挖過程的泥漿護壁壓力在時間和空間上的動態演化過程進行研究。

針對這一現狀，本文結合開挖下切過程，研究了泥漿護壁壓力在空間上的分布及隨時間的演化過程，揭示了開挖面附近為槽壁穩定的瓶頸區域，提出通過調整開挖速度控制槽壁穩定的施工方法，并應用在福州地鐵5號線建新南站60m深地連墻施工中，檢測結果證明該方法可有效提高槽壁穩定性控制效果。

2工程特點與模型局限

2.1工程背景

福州地鐵5號線建新南路站為地下三層島式站臺車站，車站內凈總長151.8m，標準段基坑寬度為24.1m，深度約為24.15m。車站基坑圍護結構采用1m厚地下連續墻64幅，標準段地連墻頂標高5.3m，底標高-53.3/-54.3m，墻高58.6/59.6 m。

主要地層分布為：①雜填土。主要為人工堆填的黏性土，夾雜有碎石、磚塊、混凝土塊等建筑垃圾，局部含少量中粗砂和淤泥。②填砂。以礫粗砂、中粗砂同填為主，局部夾有少量填石和黏性土，層頂埋深1m（標高5.73m），層底埋深6.8m。③填石。以碎石塊為主，填石粒徑一般為5-35cm，最大粒徑大于130cm，填石含量約60%-90%，空隙由填砂及黏土充填，堆填不均勻。層頂埋深0-0.5m（標高6.42-6.97m），層底埋深1-5.7m。④粉質黏土。局部夾少量碎石，層頂埋深1.8-3.3m（標高3.35-5.47m），層底埋深2.7-4.5m（標高1.92 -4.17m），層厚0.2-2.3 m。⑤淤泥夾砂。以黏粒為主，部分夾少量薄層細砂或混有少量砂，層厚2.8-16.0m。⑥（泥質）中細砂。以（泥質）粉砂和（泥質）中砂為主，均含有少量淤泥，級配較差，層厚0.7-13.4m。⑦粉質黏土。黏性較好，部分粉粒含量較高，土質不均，局部含少量砂。層厚1.4-6.4m。⑧（含泥）中粗砂。粒徑不均勻，上部以中粗砂、礫粗砂為主，局部夾有粉細砂透鏡體及混有少量的淤泥，下部多含礫石、圓礫，層厚2.1-20.1m。⑨卵石。中密為主，飽和，卵石多呈橢球狀，磨網度較好，中等風化，粒徑一般為3-20cm，最大粒徑大于-50cm，含量為55%-85%。該層上部黏性土和礫石含量較高，下部主要為卵石，間隙主要南中粗砂充填。層厚14.6-24m。⑩強風化花崗巖（砂土狀）。風化強烈，巖石堅硬程度屬極軟巖，巖體完整程度屬破碎，巖體基本質量等級分類屬V類。層頂埋深55.6-59.5m（標高-52.83 -48.91 m），層底埋深60.34-65.03m（標高-58.37--53.66In），層厚3.1-6.13m，平均厚度4.42m。

初見水位埋深為0.90-3.90m，穩定水位埋深為1.50-4.70m。主要含水層為中粗砂和卵石地層，現場鉆孔提水試驗表明砂卵石層為強透水層。

研究區域的主要地質特點是黏土-砂地層交互層疊，垂直方向分布不均勻，且富含地下水。

2.2經典分析模型應用局限性

常用的槽壁穩定性計算一般采用極限平衡分析方法[8]，一般分為整體穩定性分析模型與局部穩定性分析模型。

圖1為常用的整體穩定性破壞分析模型，基于半網柱體模型的滑動面上極限平衡計算公式[9]為

γc=mz2γw/nz2+（P+W）（sinα-cosαtanφ）-2hc（b/3cosα+z-1htanα/2）/1nz2b（cosα+sinαtanφ） （1）式中，γc為泥漿重度，kN/m3;mz為地下水位到槽底的高度，m;nz漿液面到槽底的高度，m;yw為地下水重度，kN/m3;P為破壞體范圍內的地面荷載;W為自重，kN;α為滑動面與水平面的夾角，（°）;φ為滑面摩擦角，（°）;b為泥漿槽段長度，m;h為破壞體厚度，m;z為破壞體高度，m。

槽壁局部穩定性分析模型如圖2所示。槽壁的抗局部失穩坍塌安全系數等于泥漿的人滲滲透壓力作用在槽壁面上所產生的土體摩擦力與土顆粒的有效重度之比，有穩定性系數：

Fs=γwi0tanφf/γf-γs

（2）式中，φf為泥漿滲入后土體內摩擦角，（°）;in為泥漿滲入到土體中的滯留臨界水力梯度;yf為泥漿滲入后土體容重，kN/m3;γn為泥漿容重，kN/m3。

上述分析模型并未考慮泥漿失水成膜逐步形成抗滲力的時間過程，式（1）將泥漿與地下水自重分量的合力當做護壁壓力，實際上是假設泥皮的抗滲力為兀窮大;式（2）則是簡單地將滲透壓力等同丁護壁壓力，實際上除滲透壓力外，還與泥漿通過泥皮的抗滲作用提供的護壁壓力存在一定差異，且研究區域的富水非均值地層不滿足經典模型的假設條件。

3泥漿有效護壁壓力的空間-時間效應

3.1泥皮成型環境與最大抗滲力關系

泥皮在成型過程中，其可承受的最大抗滲力與兩個外部因素直接相關：①形成泥皮時的滲透壓力;②泥皮靜置時間，即隨著時間增長，泥皮可承受的抗滲壓力會逐漸增長直至極限值。根據粗泥土泥皮抗滲性能試驗結果[10]，不同泥漿滲透壓下形成泥皮的最大抗滲力滿足以下冪函數規律：

Pmax= -0.0057D-0.92+0.35 （3）式中，Pmax為泥皮可承受的最大抗滲力，MPa;D為泥皮成型滲透壓力，MPa。

粗砂地層在100kPa壓力下不同靜置時間泥皮可承受的最大抗滲壓力滿足以下冪函數規律：

Pt=-0.366t-0.17+0.49 （4）式中，Pt為泥皮可承受的最大抗滲力，MPa;t為泥皮成型時間，h。當t取無窮大時，Pt≈Pmax（Pmax=0.45）。在不同成皮條件下，泥皮抗滲能力隨時間的增長曲線在形態上具有相似性，可將式（4）寫為

Pt=-0.366t-0.17+0.49/0.45*Pmax

（5）

泥皮的抗滲力是成型滲透壓力D與靜置時間t的函數：

Pt=（1.08-o.81t-0.17）（0.35-o.0057D-0.92） （6）

3.2泥漿容重垂直遞增分布的影響

根據福州地鐵5號線工程不同槽段36個取樣數據統計，由于泥漿的沉淀效應，沿深度方向每20m泥漿容重增加2%。假設地下水埋深2m，泥漿槽內液面高度在地面以下0.5m，則沿槽深不同高程泥皮成型滲透壓力分布見圖3。

由圖3可知，槽內泥漿滲透壓力隨深度增加而增大;泥漿配制容重在10.5-12.5kN/m3范圍內，同一深度泥漿的滲透壓力隨著泥漿容重的增加而增大，且深度越深，影響越明顯。這說明泥漿配制容熏差異對控制淺層槽壁穩定性影響不大，但對于控制深層槽壁穩定意義重大。

3.3開挖下切速度的影響

由式（6）可知，Pt的大小與泥皮成型時間長短相關，若開挖下切速度快，則泥皮成型時間相對較短，初始階段可提供的抗滲力就較小。隨著靜置時間增長，開挖面以上部位泥皮的抗滲強度逐漸增加。同時，泥皮成型滲透壓力D與槽內深度有關，越深的部位，泥皮成型滲透壓力越大，初始階段可提供的抗滲力就越大，但能提供的護壁壓力不會超過泥漿的靜液壓力。因此，槽內泥漿提供的護壁壓力隨開挖過程動態演化。

圖4、圖5給出了泥漿容重為10.5kN/m3與11.5kN/m3時泥漿護壁壓力沿深度的分布規律（忽略滲透壓力），總體呈“駝峰”型分布。槽壁頂部附近護壁壓力直線增加，為泥漿容重的函數;以下部位受泥皮抗滲強度的影響，成弧形分布形態;開挖面附近則迅速衰減，護壁壓力大小受開挖速度控制。開挖速度由1m/h變化到5m/h時，開挖面上1m處的有效護壁壓力隨開挖速度的衰減規律如圖6所示。

由圖4-6可得出：

（1）開挖面的護壁壓力隨開挖速度的提高而迅速降低，且開挖速度的影響遠大于泥漿容重的影響。

（2）增大泥漿容重可以有效提高開挖面10m以上范圍泥漿的有效護壁壓力，但對開挖面附近的護壁壓力影響不大。

（3）槽段頂部以下5m范圍內的泥漿護壁壓力取決于泥漿容重，基本不受泥漿靜置時間影響。

3.4抓斗運動速度的影響

在開挖過程中，挖斗的形狀、循環往復的提升和下降速度會影響挖槽中泥漿的流動，使槽壁周圍地基土體的孔隙水應力上升，當泥漿的流動從層流過渡為湍流時，槽壁上的泥皮或土顆粒將會受到沖蝕，增加局部破壞的可能，甚至有整體失穩的風險。根據挖斗的操作速度Vw、開挖槽口的面積Ak和挖斗所占面積Aw，可以計算出赫斯特羅姆數為[9]

Hc=tsρs/μs2（4（Ak-Aw）/Pkw）2

（7）式中，（Ak-Aw）為泥漿流的斷面面積，m2; Pkw為泥漿流的濕潤周長，即泥漿與槽壁和挖斗接觸的邊界線周長，m;ρs為泥漿密度，t/m3;t泥漿剪切屈服應力，kN;μs2為泥漿黏滯度系數，N.S/m2。雷諾數為

Re=4Awvwρs/μsPkw （8）

將赫斯特羅姆數相對應的臨界雷諾數與式（8）對比，即可確定挖斗操作的極限速度。一般來說，直徑為1m的挖斗的操作速度大于1m/s時，就可能發生湍流，從而影響槽壁穩定。

4超深地連墻槽壁穩定控制方法

4.1黏土-中砂交互地層失效機制分析

地層中粉質黏土、淤泥夾砂、中細砂層的淤泥層、黏土層、砂層呈軟硬交互層疊形態，且中粗砂和卵石地層為含水強透水地層，埋藏深，厚度大。采用FLAC3d模擬槽段三維開挖，研究槽壁穩定性破壞模式。模擬槽段長8m，寬0.8m，模型以槽段短邊中點連成的矩形為對稱面，取一半的槽段及周邊地層，短邊外側延伸6m，長邊外側延伸19.6m，槽段深60m，模型深度方向取70m。采用摩爾-庫倫本構模型，槽壁節點上按深度方向施加“駝峰”型護壁壓力，采用剪切應變率分析潛在的深層滑移帶，以分析黏土一砂互層層條件下的潛在破壞模式。計算參數取值見表1。

采用摩爾一庫倫模型，地下水位以下采用浮重度計算槽壁內部剪切應變，根據剪切應變分布判斷土體深層滑移帶形態。當泥漿護壁壓力不足時，計算的槽壁潛在失穩模式見圖7。潛在的破壞存在3個區域：①頂部的滑移破壞模式;②中砂一黏土交互層區域，首先出現在淤泥夾砂層，逐漸擴展到中砂層，剪切滑移帶頂部被粉質黏土層隔斷;③卵石層，剪切滑移帶被粉質黏土層隔斷。計算剪切位移大小依次為區域①>區域②>區域③。

4.2護壁泥漿參數指標

根據以上研究，確定福州地鐵5號線泥漿配制應以中砂一黏土交互層的穩定性控制為依據。根據統計資料[11]，不同土質條件下的泥漿參數選用范圍見表2。

泥漿黏度對泥皮抗滲強度的增加類似于泥漿靜置滲透時間的效果，但黏度大于30s之后，泥皮抗滲能力增加效果逐漸降低。泥漿相對密度可參考表3選用。

泥漿含砂率可按砂性地層小于5%、黏土地層小于3%的標準配制。參照上述選用及本工程實踐，最終擬定指標為：比重1.06-1.08g/cm3、黏度25-30s、含砂率小于4%、pH值8-9。

4.3開挖速度的控制

控制開挖速度是槽壁穩定控制的關鍵。抓斗作業過程中，運動速度不得大于1m/s，砂一黏土地層開挖下切速度不宜大于1m/h，必要時可采用靜置1-2h后再繼續開挖的調控方法，其他地層可加快下切速度，但也不宜高于3m/h。

4.4強滲透卵石層應急預案

對于強滲透卵石層，在成槽過程中，可能出現泥漿大量漏失、引起槽孔坍塌的情況。可采用以下4種應對措施：①預灌濃漿。根據強漏失地層分布情況，預先布置灌漿孔，灌注黏土水泥漿或黏土水泥砂漿，封閉強漏失地層滲漏通道。②投放堵漏材料。準備好黏土、碎石土、鋸末、水泥等堵漏材料，一旦發現漏漿較大，應及時堵漏。③投放單向壓力封閉劑。單向壓力封閉劑對孔隙及微裂隙漏失，堵漏速度快，效果好，能迅速形成具有一定強度的非滲透性帶，阻止泥漿進入孔壁地層，顯著降低泥漿濾失量，又不影響泥漿流變性能。④在泥漿中添加重晶石粉。重晶石粉能夠增大泥漿密度，并且具有較強的封閉孔壁功能，而且不易沉淀。

5工程應用效果

建新南路站直型墻56幅，L型墻4幅，Z型墻4幅，設計地連墻寬0.8m。選取A-15、A-19、B-30進行工藝試驗，各槽段長分別為5.4m、5.4m、6m。采用傳統的三抓依次成槽一次到底施工工藝，成槽機定位抓斗平行于導墻面，抓斗的中心線與導墻的中心線熏合，抓斗靠其白熏緩速下放，并避免放空沖放。每槽段成槽挖土過程中，抓斗中心每次對準放在導墻上的孔位標志物，以保證挖土位置準確。抓斗閉斗下放，開挖時再張開。控制抓斗升降速度小于1m/s，每斗進尺深度控制在0.3m左右。根據地層地質條件，在深20-35m范圍內，控制下切速度不得超過1m/h。同時在槽孔混凝土未灌注之前嚴禁重型機械在槽孔附近行走產生振動。對已經實施的64個槽段全部進行超聲波檢測，聲波檢測結果表明：由于控制了下切速度，雖然在20-35m范圍內部分泥漿滲入中砂地層，該段泥皮成型密實，槽段穩定性及垂直度均得到有效控制。64幅地連墻無塌孔現象，且地連墻垂直度均不大于1/300，合格率100%。

6結語

地連墻成槽施工的技術關鍵是槽壁穩定性控制，其中護壁泥漿的質量控制是核心，目前主要依靠工程經驗。研究了開挖過程泥漿成皮條件及泥皮抗滲強度的演化規律，揭示了泥漿護壁壓力作用與槽壁的空間分布、時間演化規律，對提高槽壁穩定控制技術水平具有熏要意義。研究了槽壁不同高程泥皮抗滲強度隨開挖過程的演化規律，結果表明，由于泥漿成皮效果受滲透壓力與時間雙重影響，沿槽壁深度方向，泥漿護壁壓力呈“駝峰”型分布，與傳統的三角形護壁壓力的假設完全不同。研究還發現，槽壁穩定性的薄弱環節位于開挖面以上5-10m范圍內，主要受開挖下切速度影響，對于危險地段，采用降低開挖下切速度的方法能有效提高泥漿護壁壓力。研究結果表明，開挖下切速度是控制開挖面附近槽壁穩定的關鍵。

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收稿日期：2019-04-08

作者簡介：靳利安，男，高級工程師，主要從事城市軌道交通工程技術及項目管理等方面的工作。E-mail： 361381292@qq.com