深層高承壓水粉砂地層超深地下連續墻成槽坍塌機理分析

祝 強，沈偉梁

(上海隧道地基基礎工程有限公司，上海 200000)

0 引言

隨著城市化建設進程的飛速發展，對超深地下連續墻支護的需求越來越高。已經完成的上海蘇州河段排蓄水管道系統工程地下連續墻深度達到103m，張江硬X射線工作井地下連續墻深度達到89m，在建的機場聯絡線華涇站地下連續墻深度達到107m。深度增加使得地下連續墻的設計和施工面臨更為復雜的地質條件，超深地下連續墻在成槽過程中穿越含水軟弱夾層引起的地層局部失穩越來越引起關注，局部失穩主要表現為土層中的軟弱夾層在受到施工擾動時發生坍塌和剝落，這種地層失穩常常具有隱蔽性，工程中很難預測，當發生局部失穩時會對工程造成嚴重后果。目前對于槽壁局部穩定性的研究相對較少，Tsai等認為，局部失穩是土層中的軟弱夾層在周邊地層應力的擠壓下造成的。并且在護壁泥漿形成泥皮之前，泥漿會滲入軟弱夾層以維持地層穩定性，但是也會導致軟弱夾層中孔隙水壓力上升以及泥漿重度降低，當水土壓力大于泥漿的滲透壓力時就會引起局部失穩。本文針對上海深隧103m深地下連續墻施工中遇到的深層高承壓水、強透水性粉砂地層局部失穩進行了研究并且給出了具體措施。

1 工程概況

蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程主隧全長15.3km，沿線共設有8個豎井及綜合設施，隧道內徑10m。本工程豎井位于蘇州河西側、苗圃泵站內，豎井的外圈為綜合設施，其地下連續墻厚1～1.2m，深103m，豎井直徑30m，基坑開挖深度60m。圍護結構為厚1.5m，深度103m的地下連續墻，共計22幅，綜合設施和豎井地下連續墻均采用銑槽機套銑法施工工藝。綜合設施和豎井地下連續墻兩側均采用攪拌樁進行槽壁加固，加固深度20m。地下連續墻平面布置、分幅及Y2-6塌方槽段位置如圖1所示。

圖1 地下連續墻平面布置及槽段劃分

2 工程地質條件

地基土從上至下主要由黏性土、粉性土和粉砂土組成，工程地質和豎井關系如圖2所示。

圖2 工程地質和豎井關系

3 超深地下連續墻成槽坍塌事故與原因分析

3.1 槽壁坍塌事故概況

在豎井外圍的綜合設施地下連續墻施工完成后，未發生槽段塌方，隨后施工豎井的地下連續墻，在完成豎井4個“一期槽”(首開幅)槽段后(“一期槽”槽段未發生塌方)，施工第1幅槽段編號為Y2-6的“二期槽”時(Y2-6槽段深103.5m，厚1.5m，幅寬2.8m)，在成槽到103m深后，地下72～82m范圍的高承壓水、強透水性⑨2-1粉砂地層發生了嚴重坍塌。在坍塌發生后立即利用BC50銑槽機繼續銑槽試圖清除塌方土體，重新銑槽至103m深后，槽壁再次發生坍塌，銑槽無法繼續，立即將銑槽機拎出地面并對該幅槽段進行回填，回填土方約250m3。Y2-6槽段施工工況如圖3所示。

圖3 Y2-6槽段施工工況

其中，埋深42m的土層⑦粉砂夾粉質黏土也有少量塌方，而⑨2-1粉細砂夾中粗砂土層發生大量塌方，塌方位置剖面如圖4所示，測定塌方發生的深度范圍為72～82m，塌方寬度為槽壁兩側各外擴3.5～4m。Y2-6槽段泥漿性能指標如表1所示。

圖4 Y2-6槽段塌方剖面

表1 Y2-6槽段泥漿性能

3.2 坍塌原因分析

3.2.1軟弱夾層本身的不穩定性

⑨2-1層粉細砂夾中粗砂，含云母，顆粒組成以長石、石英為主，夾薄層黏性土，局部層頂夾中粗砂，土質不均，呈中密～密實狀態，屬于中～低等壓縮性。埋深42m的 ⑦層粉砂夾粉質黏土層也因具有不穩定的特點而發生少量塌方，但并不嚴重，與之相比，塌方非常嚴重的⑨2-1層粉細砂夾中粗砂土層具有以下特性。

1)粉細砂夾中粗砂土層更易液化，粉細砂在動力作用下會使結構趨于緊密，如果此時孔隙中充滿水，產生附加孔隙水壓力，使砂粒呈懸浮狀，產生液化。

2)粉細砂夾中粗砂土層滲透性更大、土層黏聚力明顯降低，靈敏性更高，由于這些特點，導致該地層易塌方。⑦層和⑨2-1層比較如表2所示。

表2 ⑦層和⑨2-1層土比較

根據表2，⑨2-1層土滲透系數大于⑦層土，同時根據⑨2-1層的顆粒分析曲線，其CU值較其他土層明顯增加，因此該土層在動力作用下容易產生液化，引發塌方，而銑槽機在銑槽過程中切割混凝土產生的振動，更加劇了該層土的液化。

3.2.2成槽過程中土體孔隙水壓力上升和水位升高

1)泥膜和凝膠帶(滲透沉積層)形成的過程，導致孔隙水壓力上升

凝膠帶和泥膜形成的過程如圖5所示，泥漿滲入土壤孔隙中，產生膠凝作用，膨潤土顆粒填充土壤顆粒間隙，對土壤產生固結作用而增加了土壤的抗剪強度，當地層的透水性越強，滲透范圍就越大，在凝膠帶的過濾作用下，泥漿中的水與顆粒分離，前者繼續通過凝膠帶滲入土層中，而后者依附在槽壁壁面，形成厚度2～3cm的凝膠帶，并最終在槽壁壁面上形成不透水的泥膜，泥膜越薄越堅韌，抵抗地下水滲透能力越強，護壁能力也越好。

圖5 泥膜形成示意

雖然凝膠帶和泥膜的形成有利于槽壁穩定，但是在形成泥膜的過程中，泥漿中的水通過凝膠帶滲入土層以及泥漿中的膨潤土顆粒、粉細砂等固相粒子擠壓孔隙水取代其空隙過程中，都會導致土體孔隙水壓力升高，而“二期槽”銑槽過程中由于土砂的混入和混凝土粉末侵入泥漿形成的膠化物，都會對泥漿產生破壞，使泥漿大量失水，形成的凝膠帶寬度增加(>5cm)，最終形成的泥皮厚而軟，護壁能力降低，使泥漿的壓力無法有效作用在泥膜上，泥漿大量失水和凝膠帶寬度的增加也會進一步使土壁的孔隙水壓上升，使高承壓水的粉細砂地層在周邊地層應力擠壓下失穩，引起塌方。

2)豎井外圍綜合設施首先封閉，使豎井地下連續墻施工時孔隙水壓力不能及時釋放

本工程首先施工豎井外圍綜合設施103m深地下連續墻，在外圍封閉的情況下再施工豎井地下連續墻，在豎井地下連續墻施工時，凝膠帶和泥皮形成過程中大量失水導致地下水位上升，降低了泥漿液面和地下水位之間的壓力差，同時增加的孔隙水壓力也得不到釋放，從而引發了⑨2-1層土的失穩、坍塌，如圖6所示。

圖6 平面封閉狀態下槽壁塌方分析

通過觀測成槽過程中水位變化，其他土層銑槽過程中水位從15m回升到12m用時約5h，而在⑨2-1層銑槽過程中，水位從15m回升到12m僅用時約1.5h，由此可以看出在⑨2-1層銑槽過程中凝膠體在形成過程中對土層補充了大量的水，導致水位上升明顯加快，孔隙水壓力急劇升高，如果不及時降低水位，釋放孔隙水壓力，泥漿的靜液壓力無法抵抗土層和水的壓力，就會引發槽壁塌方。

3)“二期槽”施工時，銑槽機銑輪切割混凝土產生的振動，引發塌方

“一期槽”施工不需要切割混凝土，對泥漿的破壞小，成槽泥漿質量較好，泥漿失水少，形成的凝膠帶寬度較小，對孔隙水壓力增加的影響相對較小，形成的泥皮薄而堅韌，使泥漿壓力能更有效的作用在兩側土壁上，利于槽壁穩定。

而“二期槽”施工時，除了泥漿質量變差之外，銑槽過程中需要利用安裝在銑輪上的牙齒切割兩側“一期槽”平均厚度各30cm的混凝土，此時混凝土強度已經>30MPa，銑輪切割混凝土過程中會產生劇烈的振動，⑨2-1土層黏聚力小，壓縮系數不大，受到振動時，粉細砂被擠密，孔隙減少，導致孔隙水壓力急劇上升，有效應力降低，當孔隙水壓力大于泥漿靜水壓力的時便引發了坍塌。

4 超深地下連續墻槽壁穩定性控制措施

4.1 塌方槽段采用黏土回填及超深MJS加固

“二期槽”Y2-6槽段在⑨2-1土層嚴重塌方后，立刻采用黏土對槽段進行回填，然后采用85m深MJS工法樁對塌方區的回填土進行加固，在Y2-6槽段兩側施工總計6 根φ2 000@1 500的MJS工法樁，加固深度范圍為地面以下65～85m，根據最外圍MJS鉆孔情況確定塌方的寬度范圍，從而確定是否增加MJS數量。

根據探孔結果，最終在地下連續墻Y2-6槽段兩側實際施工了各3根MJS工法樁，編號分別是Y1-1～Y1-6，MJS加固完成并達到強度后重新進行Y2-6槽段的銑槽，經過銑槽作業，72～82m范圍塌方回填區加固效果良好，重新成槽后沒有發生塌方，順利完成了該幅槽段的施工。

4.2 降低承壓水水頭

豎井剩余地下連續墻施工前，布置2口承壓降水井，編號分別為S9-1和S9-2，抽取⑨2-1土層承壓水，并控制水位在地面以下12～15m范圍內，通過抽水釋壓，及時釋放增加的孔隙水壓和降低水頭高度，確保了剩余“二期槽”⑨2-1土層的穩定。水文地質參數如表3所示。

表3 水文地質參數統計

4.2.1井點設計

根據井點功能及⑨2-1層地層性質，坑內2口降壓井采用管徑325mm橋式過濾器，坑外1口降壓井以觀測為主，結合基坑周邊施工環境(管線)及井管加工工藝，采用管徑108mm纏絲過濾器。

4.2.2井點抽水施工及水位控制

經過抽水試驗，試驗方案如表4所示，確定單井抽水方案，并根據現場二期成槽施工工況及坑內觀測井水位情況，適時調整抽水井、抽水時間及抽水量，確保坑內1口井抽水時，另外1口觀測井靜水位埋深在15m左右，觀測采用孔隙水壓水位自動監測儀和人工測水位復查的方式，采用電磁流量計記錄流量，通過設置在孔口的數據傳感儀將數據傳至后臺進行處理。通過井點降水，后序所有“二期槽”段均未發生塌方，充盈系數平均保持在1.04左右。井點施工方法如下。

表4 抽水試驗方案

1)鉆機成孔 采用GPS-20型鉆機1臺，先正循環后反循環鉆進，嚴格控制泥漿指標和沉渣厚度，完成鉆孔。

2)下井管 預先計算所需要的井壁管、濾水管長度，并按順序排列在孔邊依次下入孔內。

3)圍填礫料 降壓井濾料選用粒徑約為0.85～1.7mm的石英砂，采用深井水下可視探測儀，對回填的質量進行觀測和確認。

4)洗井、試抽 采用拉活塞和空壓機聯合洗井，井內水位保持在濾水管頂端以上。

4.3 提高新鮮泥漿黏度和密度

為保證槽段穩定性，避免“二期槽”在清孔換漿過程中發生塌方，對新鮮泥漿指標進行調整，選用了7種配合比方案，逐一進行試驗，具體配合比如表5所示，并最終確定序號3為新鮮泥漿配合比。調整后泥漿指標如表6所示。

表5 泥漿配合比試驗

表6 泥漿性能指標

通過以上采取措施，本工程22幅地下連續墻全部順利完成，沒有發生槽段塌方，混凝土平均充盈系數1.04。

5 結語

1)超深地下連續墻槽壁穩定控制并不是僅僅要關注淺層土體穩定，富含承壓水、強滲透性地層的粉砂性土體即使埋深很深，但在土體孔隙水壓、水位升高及土體受擾動情況下依然會發生嚴重的坍塌。

2)盡量避免地下連續墻在平面封閉的區域內施工，否則封閉區域土層內水位上升導致孔隙水壓力增加會造成淺層或深層粉砂地層發生坍塌，如果無法避免，則淺層粉砂地層應采用加固措施保持槽壁穩定，深層粉砂地層則應采取降水措施及時釋放地層孔隙水壓力，確保成槽穩定。

3)要重視在成槽過程中泥漿的破壞導致成槽失穩，及時調整質量變差的泥漿，因為被粉細砂和Ca2+侵蝕的泥漿穩定性會降低，在槽壁上形成厚而軟的泌水性不良的泥皮，會降低泥漿對垂直槽壁產生的靜液壓力，引發槽壁失穩而坍塌。

4)遇到槽壁深層土體塌方后，如塌方范圍不影響施工安全且沒有繼續擴大塌方的情況則可快速完成施工，如塌方量大，影響施工質量和安全，則應立刻回填槽段，并采取妥善措施對塌方區域回填的土體進行加固后方可重新成槽，不能強行施工，否則會帶來嚴重的質量和安全隱患。

5)現有對地下連續墻成槽穩定機理的研究和預防塌方的各項措施大多主要是針對淺層填土、粉砂性土或淤泥土等不良土層，而本文通過對深層強透水性粉砂土坍塌的機理進行系統分析和研究，并采取一系列措施確保了強透水性粉砂土在成槽中保持穩定，解決了百米超深地下連續墻深層粉砂土塌方的難題，為今后類似工程提供借鑒。本文未考慮周圍地表臨近建筑物荷載、重型機械作業產生的動荷載對深層粉砂土穩定的影響，需要在本文基礎上做進一步研究。