軟土地層超深地連墻槽壁失穩(wěn)及控制措施研究

李新獻

（中鐵二十五局集團有限公司，廣東 廣州510600）

城市軌道交通地下車站多采用明挖或蓋挖等工法施工，地下連續(xù)墻因其剛度大、整體性好等優(yōu)點，使其在地鐵車站施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

不同區(qū)域水文地質(zhì)條件差異化較大，導(dǎo)致地連墻施工過程中槽壁失穩(wěn)事故頻發(fā)，對周邊既有建構(gòu)筑物的安全造成一定影響，工期延誤。 采取必要措施，因地制宜，結(jié)合工程實際優(yōu)化護壁泥漿配比，合理組織施工，確保施工期間地連墻槽壁穩(wěn)定，是當下城市地鐵建設(shè)亟待解決的問題。

劉楊等[1]對富水軟弱地層中地連墻成槽失穩(wěn)進行了理論研究， 并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對失穩(wěn)進行預(yù)測；李建高等[2]通過理論與數(shù)值計算對比，分析超深地連墻槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)， 提出相應(yīng)解決措施；郭彥兵[3]對超聲波在地連墻成槽檢測中的作用原理等進行了分析；智慧淵等[4]對某地鐵車站地連墻在富水砂層中成槽缺陷原因及預(yù)防措施進行了研究分析；姜朋明等[5]運用土力學(xué)原理，對地連墻施工過程中應(yīng)力條件變化進行研究， 探討地連墻成槽過程中時間效應(yīng)的影響， 在研究的基礎(chǔ)上提出控制措施；丁勇春等[6]從地連墻槽壁穩(wěn)定影響因素、 失穩(wěn)機理及不同施工階段的應(yīng)力路徑等方面對地連墻槽壁穩(wěn)定機制進行了系統(tǒng)分析；易岸峰[7]建立槽壁整體穩(wěn)定性極限平衡力學(xué)模型， 針對富水地層地連墻護壁泥漿重度計算公式進行了推導(dǎo)；歐明喜等[8]建立力學(xué)模型，對土體單元應(yīng)力狀態(tài)進行計算分析，基于朗肯極限平衡原理，提出了黏土夾砂地層地連墻槽壁穩(wěn)定性系數(shù)計算方法；黃阜等[9]對地連墻成槽過程中槽壁失穩(wěn)的機理與破壞模式進行了研究， 利用空間離散技術(shù)和極限分析上限定理， 構(gòu)建地連墻槽壁失穩(wěn)二維離散型破 壞 機 制；Powrie 等[10]和Tsai 等[11]通 過 試 驗 得 到 了槽壁穩(wěn)定與土體運動之間的關(guān)系；靖勇飛等[12]，吳小建等[13]，仇正中等[14]，蔡龍成等[15]，王巖[16]從設(shè)備選型等多方面對地連墻槽壁穩(wěn)定性影響因素進行了分析，提出了控制槽壁穩(wěn)定的相對措施；薛青松等[17]，黃鋒[18]，周忠群等[19]通過研究地下水對槽壁穩(wěn)定性影響發(fā)現(xiàn)，地下水位與承壓水是造成地連墻槽壁失穩(wěn)的主要因素；徐永剛等[20]對交通和施工超載對槽壁穩(wěn)定性進行了研究，推導(dǎo)了槽壁失穩(wěn)的判定公式。

本文以某濱海城市地鐵車站工程為依托，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對基坑圍護結(jié)構(gòu)超深地連墻施工過程中槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象進行分析。 通過分析槽壁失穩(wěn)因素，提出具體控制措施，檢測數(shù)據(jù)顯示，采取措施后地連墻槽壁穩(wěn)定性得到有效提高，為后續(xù)類似工程提供借鑒經(jīng)驗。

1 工程背景

1.1 工程概況

某濱海城市地鐵車站采用蓋挖法施工，車站總長166 m，14 m 站臺島式車站。 主體結(jié)構(gòu)采用地下三層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)， 標準段寬23.5 m， 埋深26.6 m，盾構(gòu)段寬27.8 m，埋深28.04 m。 圍護結(jié)構(gòu)采用1.2 m 厚地連墻，地連墻深58.09 m（含冠梁高度），連續(xù)墻采用工字鋼接頭。 地下連續(xù)墻穿過第四承壓水地層，隔斷承壓水層，進入粉質(zhì)黏土層，地連墻穿越土層主要為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂層等。 圍護結(jié)構(gòu)橫剖面見圖1。

圖1 圍護結(jié)構(gòu)橫剖面圖（單位：m）Fig.1 Cross section of the enclosure structure（Unit：m）

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)本工程勘察報告， 本工程處于軟土地層，場地內(nèi)分布較厚淤泥質(zhì)土，巖土性質(zhì)較差。 本工程土層主要以黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等構(gòu)成。 從土層分布來看，本工程所處地層為上軟下硬結(jié)構(gòu)，上半部分屬于典型的濱海地區(qū)軟土地層，淤泥質(zhì)黏土層厚度達12 m，下半部分穿越硬質(zhì)砂土層。

1.3 地連墻施工籌劃

結(jié)合工程實際情況，借鑒地區(qū)相關(guān)工程經(jīng)驗，對本工程圍護結(jié)構(gòu)地連墻進行分幅設(shè)計， 并預(yù)測制定不同分幅設(shè)計地連墻施工時間進度計劃，詳見表1。

表1 地連墻分幅設(shè)計及施工時間計劃表Tab.1 Design and construction schedule of diaphragm wall

2 工程施工

2.1 地連墻導(dǎo)墻施工

借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗， 結(jié)合本工程實際情況，本工程導(dǎo)墻采用L 型， 單層鋼筋Φ16@300 排布，C30混凝土，導(dǎo)墻施工縫錯開分幅位置。 導(dǎo)墻施工深度結(jié)合工程地質(zhì)情況確定，導(dǎo)墻底端應(yīng)插入原狀土下30 cm，導(dǎo)墻橫斷面圖見圖2。

圖2 L 型導(dǎo)墻示意圖Fig.1 L-type guide wall diagram

2.2 設(shè)備選型及護壁泥漿

本工程地連墻長度較長，6 m 幅寬地連墻鋼筋籠重超過100 t，結(jié)合本工程實際情況及相關(guān)工程調(diào)研情況，選擇施工設(shè)備見表2。

表2 設(shè)備選型Tab.2 Equipment selection

泥漿是地下連續(xù)墻施工過程中槽壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，泥漿主要起到護壁、卸渣、冷卻機具和切土潤滑等作用。 不同地區(qū)、不同地質(zhì)水文條件、不同施工設(shè)備， 對泥漿的性能指標有不同的要求，為了達到最佳效果，應(yīng)根據(jù)實際情況由試驗確定泥漿最優(yōu)配合比設(shè)計。

本工程采用復(fù)合鈉基膨潤土配制護壁泥漿，通過試驗，確定泥漿配置材料配比見表3。 表中CMC為羧甲基纖維素鈉。

表3 護壁泥漿配比Tab.3 The ratio of wall protection mud

2.3 首幅施工

本工程首開幅地連墻選擇幅寬為5 m 槽段，實際施工總用時為53 h， 設(shè)計混凝土灌注方量為348.54 m3， 實際混凝土灌注方量為350 m3， 超灌1.46 m3。采用UDM100 超聲波成孔檢測儀進行成孔檢測， 檢測結(jié)果顯示， 首幅地連墻施工過程中在2.5～3.5 m 深度范圍內(nèi)迎土面少量塌孔，整體成槽效果較好。 檢測結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 首開幅地連墻超聲波成孔檢測結(jié)果（1）Fig.3 Ultrasonic hole formation test results of the first diaphragm wall（1）

圖4 首開幅地連墻超聲波成孔檢測結(jié)果（2）Fig.4 Ultrasonic hole formation test results of the first diaphragm wall（2）

超聲波成孔檢測結(jié)果顯示，首開幅地連墻在施工過程中槽壁穩(wěn)定性較好，局部因雜填土土層較差而發(fā)生塌孔現(xiàn)象。 混凝土超灌1.46 m3，整體超灌約0.4%。 分析原因，土體自身具有一定的自穩(wěn)性，首開幅施工期間對土層擾動較小。 槽段為5 m 幅寬，施工用時短，且地連墻兩個接頭面對槽壁穩(wěn)定也起到一定的有利作用。 局部塌孔因該處雜填土土質(zhì)較差，且存在地下廢棄管線。

2.4 后續(xù)槽段施工

第二幅地連墻選擇幅寬為5 m 槽段，實際施工總用時為51.5 h，設(shè)計混凝土灌注方量為348.54 m3，實際混凝土灌注方量為375 m3，超灌26.46 m3。采用UDM100 超聲波成孔檢測儀進行成孔檢測， 檢測結(jié)果顯示， 2～7 m 深度范圍內(nèi)發(fā)生局部塌孔， 檢測探頭下放至55 m 停止， 后用測繩檢查槽段發(fā)現(xiàn)整槽深約55 m。 判斷在成槽過程中發(fā)生塌方，孔底沉渣厚度約3.3 m，土量20 m3，后對槽底沉渣進行清除處理。 檢測結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 第二幅超聲波成孔檢測結(jié)果（1）Fig.5 Ultrasonic hole formation test results of the second diaphragm wall（1）

圖6 第二幅超聲波成孔檢測結(jié)果（2）Fig.6 Ultrasonic hole formation test results of the second diaphragm wall（2）

超聲波成孔檢測結(jié)果顯示，第二幅地連墻施工過程中在2～7 m 深度范圍內(nèi)發(fā)生塌孔，混凝土超灌26.46 m3，整體超灌約7.6%。 分析原因，隨著施工的不斷進行， 成槽機及吊裝設(shè)備等對土體的擾動加劇； 第二幅地連墻在首幅基礎(chǔ)上加快了成槽速度，總用時縮短了約1.5 h；護壁泥漿在循環(huán)過程中黏度、比重等性能逐漸劣化。 綜合因素導(dǎo)致第二幅地連墻在局部發(fā)生塌孔現(xiàn)象。

第三幅地連墻選擇幅寬為6 m 槽段， 實際施工總用時為51.5 h，設(shè)計混凝土灌注方量為418.25 m3，實際混凝土灌注方量為464 m3，超灌45.75 m3。采用UDM100 超聲波成孔檢測儀進行成孔檢測， 檢測結(jié)果顯示， 2～6 m 深度范圍內(nèi)發(fā)生塌孔， 鋼筋籠吊裝下放35 m 左右發(fā)現(xiàn)上部發(fā)生塌方， 鋼筋籠上提后測得槽深52 m，再次清底后順利下放鋼筋籠。 檢測結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 第三幅超聲波成孔檢測結(jié)果（1）Fig.7 Ultrasonic hole formation test results of the third diaphragm wall（1）

圖8 第三幅超聲波成孔檢測結(jié)果（2）Fig.8 Ultrasonic hole formation test results of the third diaphragm wall（2）

超聲波成孔檢測結(jié)果顯示，第三幅地連墻在施工過程中在2～6 m 深度范圍內(nèi)發(fā)生塌孔，混凝土超灌45.75 m3，整體超灌約10.9%。 分析原因，第三幅地連墻幅寬為6 m，成槽機分3 次施工成槽，對地連墻側(cè)壁擾動次數(shù)增加；6 m 幅地連墻鋼筋籠重量超過100 t，履帶吊等吊裝設(shè)備在地面行走對土體的擾動加劇；第三幅地連墻進一步加快施工進度，總用時與第二幅接近，施工速度加快導(dǎo)致抓斗在上提過程中形成一定負壓，加劇槽壁失穩(wěn)塌孔；護壁泥漿在循環(huán)過程中黏度、比重等性能進一步劣化。 在上述各種因素綜合作用下，成槽過程中槽壁已發(fā)生一定程度的失穩(wěn)，隨著時間的推移，最終在下放鋼筋籠過程中發(fā)生較大放量塌槽，超灌量較大。

3 槽壁塌孔原因分析

3.1 地質(zhì)條件

本工程所處場地為典型的濱海軟土地區(qū)，地面下存在較深厚淤泥質(zhì)土，土體自穩(wěn)性較差，具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、大孔隙比、低滲透、低強度等特點。 部分地連墻鋼筋籠重量超過100 t，鋼筋籠起重重量大，鋼筋籠吊裝等過程對土體擾動較大，容易在成槽過程中塌孔失穩(wěn)。

從第二幅、第三幅地連墻塌孔部位來看，塌孔位置主要發(fā)生在兩層淤泥質(zhì)黏土中間砂質(zhì)粉土夾層部位，砂質(zhì)粉土夾層厚度約1.0～1.5 m，上下均為淤泥質(zhì)土，土體滲透性等在交界處發(fā)生突變，導(dǎo)致夾層土體容易失穩(wěn)塌孔。

本工程場地內(nèi)地下水豐富，潛水及承壓水含鹽量較高，1.2 m 寬， 深度超過58 m 地連墻成槽時間長，導(dǎo)致施工過程中地下水中大量氯離子進入護壁泥漿，使得護壁泥漿黏度、比重等性能下降較快。

3.2 泥漿配比

第一幅地連墻新漿指標：黏度33 S，比重1.05，pH 值為8.0，成槽后泥漿指標：黏度25 S，比重1.09，pH 值為9.0。 由于首開幅地連墻護壁泥漿為新漿，護壁效果較好，同時首開幅兩側(cè)土體穩(wěn)定，未經(jīng)擾動，因此首開幅槽壁穩(wěn)定性較好。

第二幅、第三幅調(diào)整新漿膨潤土用量將泥漿指標提升至：黏度40 S，比重1.06，pH 值為8.0，成槽后泥漿指標為：黏度27 S，比重1.10，pH 值為9.0。由于地下水含鹽量較高， 泥漿經(jīng)過長時間循環(huán)后，護壁質(zhì)量下降，不滿足護壁要求，導(dǎo)致后續(xù)第二、三幅地連墻塌孔相對嚴重， 混凝土超灌率分別達到7.6%、10.9%。

3.3 成槽時間

本工程地連墻深度超過58 m，成槽時間相對較長， 成槽機長時間抓土對地連墻槽壁反復(fù)沖刷，使得槽壁失穩(wěn)塌孔。 為加快成槽，第二幅地連墻成槽時間相對首開幅縮短約1.5 h，第三幅地連墻幅寬為6 m，成槽時間與第二幅相近，由于加快施工進度而在抓土過程中快速提拉抓斗，在泥漿內(nèi)形成一定負壓，進一步加劇槽壁失穩(wěn)。 同時成槽機及履帶吊等重型機械對地層的擾動，成槽、清孔及吊裝過程中大型機械臨近地連墻槽壁，行走和工作時產(chǎn)生的動載影響槽壁穩(wěn)定性，造成槽壁失穩(wěn)。

4 槽壁穩(wěn)定性控制措施

4.1 優(yōu)化護壁泥漿

結(jié)合首開幅及后續(xù)第二、第三幅地連墻槽壁施工經(jīng)驗，針對泥漿配比設(shè)計進行優(yōu)化改進。 在泥漿配比中添加海水寶，將新漿指標調(diào)整為：黏度50～60 S，比重1.07，pH 值為8.0,成槽后泥漿指標為：黏度32 S，比重1.13，pH 為9.0，通過后續(xù)槽段地連墻檢測，泥漿指標滿足護壁要求。 通過調(diào)整泥漿配比后，后續(xù)槽段通過超聲波檢測，均有少量塌槽，槽壁穩(wěn)定性較好。

4.2 調(diào)整槽段分

結(jié)合第三幅6 m 寬槽段施工經(jīng)驗，6 m 槽段需分三抓完成成槽，5 m 及5.5 m 寬槽段兩抓即可完成成槽，成槽時間縮短，提高了地連墻槽壁穩(wěn)定性。同時，幅寬調(diào)整后鋼筋籠整體重量減輕，成槽機及履帶吊等重型機械對地層的擾動減弱，降低了槽壁失穩(wěn)的風(fēng)險。 本工程后續(xù)將6 m 幅寬地連墻調(diào)整為5.5 m，后續(xù)施工槽壁穩(wěn)定性較好。

4.3 異型幅位置增加槽壁加固

本工程L 型及Z 型等異型幅地連墻，根據(jù)原施工組織設(shè)計，成槽時間長，用時約60～75 h，很難保證地連墻槽壁穩(wěn)定性。 同時，異型幅鋼筋籠重量較重， 成槽機及履帶吊等重型機械對地層擾動較大，極易造成地連墻槽壁失穩(wěn)，塌槽等風(fēng)險。 因此，針對本工程異型幅地連墻處，后續(xù)增加了三軸攪拌樁槽壁加固，提高地連墻槽壁穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1） 濱海軟土地層土體較軟，自穩(wěn)性較差，且含鹽量較高，需結(jié)合工程實際特點進行泥漿配比優(yōu)化設(shè)計，提高泥漿護壁作用，提高地連墻施工期間槽壁穩(wěn)定性。

2） 超深地連墻施工需結(jié)合工程特點， 從成槽時間、鋼筋籠重量等角度進行綜合分析，合理確定地連墻分幅設(shè)計， 從而對地連墻塌槽風(fēng)險進行合理控制。

3） 針對L 型及Z 型等異型幅地連墻， 采用三軸攪拌樁，對地連墻槽壁進行加固，通過主動控制與預(yù)防，從而極大的提高槽壁穩(wěn)定性，確保工程施工安全。