复杂地质地下连续墙槽壁处理技术

戴霁昱

1 概况

某工程地铁站围护结构为地下连续墙,入土深度较深,连续墙顶在自然地面以下10 m左右,存在大量异形连续墙如L形、T字形等,在这些异形连续墙成槽施工过程中,由于该区域内地层以淤泥、粉质黏土和粉砂为主,且地下水位较高,富含微承压水和承压水层,具有独特的地质结构,由于工程受力和施工扰动的影响,在槽壁“阳角”处易发生塌孔,造成槽壁失稳,直接影响连续墙的成槽质量。在如此复杂地质条件下,地下连续墙工程实践较少,可以借鉴的工程经验很少,因此结合该工程地下连续墙工程,评价槽壁的稳定性与安全性,总结了地下连续墙施工槽壁加固成套技术。

2 工程简介

该工程地铁站深基坑长124.2 m,宽26.4 m,围护结构采取地下连续墙和钢管内支撑体系,地下连续墙墙体厚度0.8 m,深度33 m～57 m,钢管为φ 609,水平间距3 m,竖向间距约4 m。地铁站基坑开挖深度23.4 m,连续墙入土深度28 m,在地铁施工区域采用疏干井和减压井结合的方式降水。

3 水文地质情况

工程区域内地表水系极其发育,常年水位(黄海标高)1.10 m～1.30 m,其年变幅1 m左右,地下水分为孔隙潜水、微承压水及承压水。微承压水主要赋存于④及④1层粉质黏土中,其透水性及赋水性为一般～中等。该含水层埋深在6.80 m～12.20 m之间,厚度在 1.30 m～6.50 m,影响半径为45 m,为透水土层,对施工影响较大。

土层为第四系沉积疏松沉积物,以黏性土为主,间夹砂性土。受人类活动影响明显的土层有淤泥层和填土层,呈流塑或松软状,埋深1.5 m～4.7 m,③2粉质黏土层可塑为主,局部软塑,④2粉质黏土层为软塑～流塑,④5粉质黏土层为软塑,局部为流塑,⑤2粉质黏土层为可塑～软塑,⑥3a粉质黏土层软塑为主,局部可塑,⑦2粉质黏土层可塑,底部因粉粒含量高,呈流塑状,对连续墙成槽影响较大。

4 地下连续墙槽壁失稳机理

4.1 整体稳定性

对连续墙开挖工程中槽壁失稳情况的调查可以发现,虽然槽孔的开挖深度通常都大于20 m,但是失稳往往发生在表层或深度约2 m～20 m内的浅土层中,在导墙正下方的土体可以观察到有膨鼓的现象,失稳破坏而在地表面上会沿整个槽长展开,基本呈椭圆形,失稳通常发生在泥浆高度降到地下水位以下约1 m。泥浆护壁开挖槽段时,在接近地表面位置土体的稳定性最差,地面或有超载情况下,浅层失稳更容易发生。因此,表层或浅层失稳是泥浆护壁开挖的主要失稳形式。

4.2 局部稳定性

当地基土体有软弱夹层时,开挖的局部稳定性将受到威胁,常常会引起超挖现象,导致后续灌注混凝土或防渗材料的充盈系数增大,增加施工成本和难度。除了受土体的剪切强度影响外,泥浆槽壁的局部稳定性还受向槽壁周围地基渗入的影响。在泥皮形成前,泥浆渗入将产生渗透力,以维持新开挖面即槽壁上土体的局部稳定。当渗透力无法与槽壁土压力平衡时,泥浆槽壁将产生局部失稳。

5 影响地下连续墙槽壁稳定性因素

5.1 微承压水对于槽壁稳定性的影响

含有粉性和砂性的土体在承压水作用下,引起槽壁出现很大的水平变形,主要发生在④层的顶部和底部,槽壁周围土体出现破坏,很有可能引起土体的流失,进而发生塌孔的现象;而④层以上和以下土体的力学性质较好,一般不会出现明显的破坏区。因此,④层土体的粉砂性以及微承压水是引起槽壁塌孔的重要原因。

5.2 施工附加荷载对于槽壁稳定性的影响

一般在施工过程中都有成槽机在槽孔侧部地面上施工,由于施工附加荷载的作用,使得土体中的附加应力增大,出现最大水平变形的位置上移,土体的塑性区主要集中在④层的顶部和底部。

5.3 抓斗吸力对于槽壁稳定性的影响

连续墙成槽深度达33 m～57 m,成槽机的抓斗频繁抓土,容易在抓斗下方局部范围内引起负压力,对槽壁稳定造成不利影响。由于长时间的影响,10 m～20 m范围内土体极易发生塌陷。

5.4 泥浆性能对于槽壁稳定性的影响

泥浆密度和泥浆液面高度直接影响槽壁稳定性,槽壁安全系数随泥浆密度和泥浆液面高度增大而线性增大,若泥浆密度和泥浆液面高度控制不到位,将易出现槽壁坍塌。

6 控制地下连续墙槽壁坍塌措施

6.1 制作标准导墙及型钢围挡处理空槽

在表层土软弱的地带采用现浇L形钢筋混凝土导墙,标准导墙深度 1.5 m,深导墙深度2.0 m～2.5 m,导墙厚不小于 0.25 m(见图1)。

由于连续墙顶不在地面,要对上部10 m空槽进行处理,以保证相邻连续墙槽段施工时能够正常成槽,具体做法是在钢筋笼吊装时,将围挡H型钢下部与接头H型钢通过卡板连接并固定,围挡H型钢上部通过槽钢在地表固定在导墙上。在首开幅连续墙混凝土浇筑完成后,在型钢中间回填素土,待闭合幅施工结束后,收回空槽部分型钢,这样节约材料,提高工效,缩短工期。H型钢围挡实物照片及竖向示意图如图2所示。

6.2 减小成槽机等设备的影响

成槽机施工区域及钢筋加工场地采用混凝土进行硬化,成槽机成槽施工时,在该停机位置下应铺设4 cm厚的钢板。在成槽过程中遵循“慢提慢放,严禁满抓,平稳入槽,平稳出槽”的原则,减少动荷载对槽壁的影响。挖槽时成槽机抓斗中心线与导墙中心线重合,抓斗一端紧靠画线位置,并保证成槽机平稳,导板面调整到能自然入槽。待挖深超过导墙底后再往导墙内输送泥浆,随挖随注入泥浆,使泥浆面与导墙顶保持0.3 m～0.5 m的距离。在2.5 m的挖掘范围内,不准移动机位、更换司机,随时进行纠偏,以保证垂直度。

6.3 合理控制地下水位标高

在软弱土层或流砂层成槽时,应采取慢速掏进,适当加大泥浆密度,控制槽段内液面高于地下水位0.5 m以上,槽段成孔后,紧接着放钢筋笼并浇筑混凝土,缩短挖槽时间和浇筑混凝土间隔时间,降低地下水位,减少冲击和高压水流冲刷。

6.4 采用高压旋喷桩加固

对连续墙槽壁两侧采取加固处理可有效避免基槽坍塌问题的发生。有限元模拟开槽两侧土体各采用φ 800@600高压旋喷桩加固,加固深度24 m(加固至第④层土下2 m范围)。计算得槽壁侧水平变形,见图3。

由计算结果可知,加固后槽壁的最大水平变形仅2.05 cm,能有效满足施工要求,发生在加固底部1 m范围内。因此,槽壁两侧土体加固可有效避免槽壁坍塌问题。

6.5 严格控制护壁泥浆原料和制作及处理工艺

1)由试验确定,一般可按下列重量配合比试配:水∶膨润土∶CMC∶纯碱=100∶(8～ 10)∶(0.1～ 0.3)∶(0.3～ 0.4)。 在特殊的地质和工程的条件下,泥浆的比重需加大,如只增加膨润土的用量不满足要求时,可在泥浆中掺入一些重晶石,达到增大泥浆比重的目的。泥浆中各种材料的用量根据泥浆的性能指标详见表1。

表1 成槽泥浆的性能指标

2)制备泥浆用搅拌机搅拌过程为:搅拌机加水旋转后缓慢均匀地加入膨润土,慢慢地分别加入CMC、纯碱和一定量的水,充分搅拌后倒入膨润土的水溶液中再搅拌均匀。搅拌后流入储浆池待溶涨24 h后使用。

7 施工效果

按上述控制措施组织实施,加固后的连续墙成槽施工很顺利,土体与前期没有加固的土体在地面以下15 m左右开挖出的土体形状也明显有所改善,对槽段进行了超声波检测,槽壁没有发生坍塌现象,连续墙成槽质量良好。

[1]王立彬,燕 乔.深厚覆盖层防渗墙槽壁稳定影响因素及提高稳定性措施[J].灾害与防治工程,2008(5):41-42.

[2]黄 青.地下连续墙技术探讨[J].山西建筑,2009,35(26):88-90.