复杂地质条件下超深基坑地连墙成槽施工技术研究

尉胜伟

(苏州市轨道交通有限公司，江苏 苏州 215000)

1 工程概况

新建苏州火车站位于苏州市平江新城，地上两层，地下三层，建筑面积85 717 m2。地铁换乘车站位于火车站站房与高架候车厅正下方，要求同期建设完成。地上两层及地下一层为站房使用，地下负二层、负三层为地铁车站。地铁站基坑四周的800 mm厚地下连续墙不仅作为围护结构，还作为站房的主体基础结构。成槽深达58.6 m，连续墙顶在自然地面以下10 m左右。施工区域地质条件复杂，且存在大量异形连续墙，施工工程中对槽壁稳定性影响大，给地下连续墙施工带来很大难度。

2 工程地质和水文地质条件

2.1 工程地质条件

基坑开挖深度范围内的土层主要为人工填土、③1层硬～可塑黏土、③2层软～可塑粉质黏土、④2层软～流塑粉质黏土、④3层稍～中密粉砂夹粉质黏土、④5层软～流塑粉质黏土及⑤1层黏土。围护结构插入土层为⑥3a层粉质黏土或⑥3c层粉质黏土。

2.2 水文地质条件

微承压水:主要为④3粉土夹粉质黏土，由于该土层水平方向差异性较大，局部夹较多粉质黏土，其透水性及赋水性一般～中等。该含水层埋深及厚度均有一定变化，埋深在6.80～12.20 m之间，厚度在1.30～6.50 m。微承压水头高程为1.74 m左右。

承压水:主要为⑥2粉土夹粉质黏土，由于该土层水平向差异性较大，局部夹较多粉质黏土，其透水性及赋水性一般～中等。该含水层埋深及厚度均有一定变化，埋深在29.00～34.90 m之间，厚度在3.90～10.50 m。该含水层的补给来源主要为承压水的越流补给及地下径流补给。承压水头埋深在2.80 m左右。

3 事故案例及原因分析

3.1 事故案例

苏州站工程地下连续墙为复合式承重连续墙，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黏性土和粉砂为主，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，受工程施工荷载和扰动的影响，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、基坑开挖安全和站房的整体结构受力效果。

在初期施工的两幅连续墙，第一幅成槽后吊放钢筋笼入槽时，发生槽壁坍塌现象，造成钢筋笼报废。第二幅在清槽过程中槽壁突然发生大块塌孔，压埋成槽机抓斗，造成抓斗脱落，坠入槽底。事后经对发生塌孔的地下连续墙用超声波进行检测，发现多在－15 m的位置附近槽壁出现了明显的塌孔，该位置上层土体也有坍塌的趋势。

3.2 原因分析

3.2.1 水文地质影响

由于该地下连续墙深度较大，其槽孔需要穿越第④层黏土层，而该土层粉砂性较重，根据连续墙施工经验，该土层较容易出现槽壁塌孔的情况。而且该土层存在有微承压水，埋深10 m，水头最高高程为1.74 m，更加剧了槽壁的不稳定性。

3.2.2 施工荷载影响

该地下连续墙的施工工程量较大，在开挖槽孔时，抓斗频繁上下抓土，带动槽内泥浆对槽壁反复冲击，产生挤压力及吸附力，在槽壁泥浆护壁上吸附出孔隙，槽壁外围地下水被吸入槽内，并带入砂层内的粉砂。同时由于大型成槽机及作业机械等施工附加荷载的作用，形成局部凹陷的滑动面，造成上面土体整体坍塌。

3.2.3 泥浆选用的影响

在地下连续墙成槽施工过程中，泥浆的作用是护壁、携渣、冷却机具和切土润滑，故泥浆的正确使用，是保证成槽施工质量的关键因素之一，又是后期对浇灌混凝土施工质量的影响因素之一，所以泥浆的质量自始至终影响着连续墙施工的质量。泥浆的费用占工程费用的一定比例，所以泥浆的选用既要考虑护壁效果，又要考虑经济性。

针对以上原因分析，进行模拟分析验算，采取合理的槽壁加固措施，减小槽壁水平变形和控制破坏区的有效性，达到施工质量要求。

4 地下连续墙槽壁稳定性有限元分析

4.1 模型尺寸及边界条件

连续墙在纵向可以认为无限长，属于平面应变问题，因此采用平面有限元的方法计算。槽壁处于半无限体的地层中，横剖面左右和下方的边界均在无穷远处，根据一般的力学原理，在边界效应的影响可以忽略的前提下选取合适的计算区域。水平方向上取为80 m(槽壁两侧留出20 m)，深度方向取80 m。对需要重点分析的区域，单元网格予以加密，如图1。

图1 有限元网格

对于平面应变问题，每个节点有两个自由度，即可以同时发生水平和竖向位移。为模拟实际情况，认为在80 m深度处边界节点在两个方向上不能发生位移;两侧边界的节点在水平方向不发生位移;上部地表为自由表面。

4.2 有限元参数选取

结合地层分布情况并在参考相关土层试验的基础上给出计算参数，列于表1。

表1 土层计算基本参数

泥浆液面高度取地面下1 m，相对密度取1.1 kg/cm3。模拟中，泥浆压力采用换算等效荷载代替，采用式p=γZ计算。其中，γ为泥浆重度，Z为深度。

4.3 计算结果及分析

4.3.1 微承压水对槽壁稳定性的影响

含有粉性和砂性的土体在承压水作用下，很有可能引起土体的流失，进而发生塌孔的现象，因此有必要研究承压水的作用规律。本文模拟了两种不同的工况，第一种工况不考虑④层中的微承压水，第二种工况为考虑④层中的微承压水作用，其中在第二种工况中，为模拟微承压水的影响，将④层土体的力学指标予以适当降低。计算结果如图2所示。

由计算结果可知，④层微承压水对于槽壁的水平变形影响很大。考虑承压水作用后，由于④层土的粉砂性较重，引起槽壁出现很大的水平变形，槽壁周围土体出现破坏，主要发生在④层的顶部和底部，而④层以上和以下土体的力学性质较好，没有出现明显的破坏区。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。

4.3.2 施工荷载对槽壁稳定性的影响

一般在施工过程中都有成槽机在槽孔侧部地面上施工，因此需要模拟该附加荷载的作用。附加荷载计算长度取为15 m，荷载值考虑到实际施工机具的重量，取 20 kN/m2。

图2 承压水的影响

计算结果如图3所示，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，符合一般规律。土体的塑性区主要集中在④层的顶部和底部。因此，拟在成槽机、吊车等机械施工区域采用钢筋混凝土进行场地硬化，成槽机作业区铺设钢板，使其荷载均匀分布，减少对槽壁的影响。

图3 施工荷载的影响

4.3.3 抓斗吸力对于槽壁稳定性的影响分析

由于该槽的深度较大，因此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。以下对此过程进行分析。由于负压影响，故需对抓斗下方2 m范围内泥浆对槽壁的压力进行适当折减。当抓斗位于开槽面10 m范围以上时，将泥浆压力减为0。当抓斗位于开槽面10 m范围以下时，将泥浆压力在原压力基础上减小100 kN/m2。

取两个典型断面进行分析。产生负压范围分别位于开槽面下8～10 m范围、30～32 m范围，建立有限元模型。由计算结果(图4)可知，当负压产生于开槽面下8～10 m时，负压所在区域产生位移较大，对该处槽壁的稳定产生不利影响。当负压产生于开槽面下30～32 m时，负压所在区域位移虽有所增加，但位移最大值位于第④层土下方位置。因此，在抓斗频繁抓土过程中，会对10～20 m范围内土体产生不利影响。由于本工程连续墙开挖较深，抓斗取土次数频繁，在抓取底部土方时，由于长时间的影响，10～20 m范围内土体极易发生塌陷。因此，液压抓斗在进出液面时，减缓其速度，控制对液面的冲击和吸附力。

图4 抓斗吸力的影响

5 控制地下连续墙槽壁坍塌的措施

5.1 制作标准导墙及型钢围挡处理空槽

导墙是地下连续墙施工必不可少的临时构造物，对于连续墙的定位，防止连续墙槽壁坍塌起着至关重要的作用。在施工期间，导墙经常承受钢筋笼、浇注混凝土用的导管、挖槽机动荷载的作用。在表层土软弱的地带采用场浇L形钢筋混凝土导墙，标准导墙深度1.5 m，深导墙深度2.0～2.5 m，导墙厚不小于0.25 m。详见图5所示。

5.2 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，抓斗一端紧靠划线位置，并保证成槽机平稳，导板面调整到能自然入槽。待挖深超过导墙底一斗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0.3～0.5 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。

图5 导墙断面(单位:mm)

5.3 合理控制地下水位高程

在竖向节理发育的软弱土层或流砂层成槽，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，缩短挖槽时间和浇注混凝土时间间隔，降低地下水位，减少冲击和高压水流冲刷。

5.4 采用φ800 mm@600 mm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。槽壁加固采用 φ800 mm@600 mm的高压旋喷桩技术，即当注浆管钻进到土层的预定深度后，以高压泥浆泵等高压发生装置喷射出20 MPa左右压力的浆液，从内喷嘴中高速喷出，并用0.7 MPa压力把压缩空气从外喷嘴中喷出。喷嘴一面喷射一面旋转和提升，最后在土中形成圆柱状固结体。有限元模拟中开槽两侧土体各采用800 mm桩径的旋喷桩加固，加固深度24 m(加固至第4层土下2 m范围)。计算得出槽壁侧水平变形，详见图6所示。由计算结果可知，加固后槽壁的最大水平变形仅2.05 cm，发生在加固底部1 m范围内，能有效满足施工要求。因此，槽壁两侧土体加固可有效避免槽壁坍塌问题。

5.5 严格控制护壁泥浆原料和制作工艺

泥浆材料有膨润土、CMC和纯碱(Na2CO3)，泥浆中各种材料的用量由试验确定，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条件下，泥浆的相对密度需加大，如只增加膨润土的用量达不到要求时，可在泥浆中掺入一些重晶石，达到增大泥浆相对密度的目的。

图6 加固后槽壁水平变形

制备泥浆用搅拌机搅拌过程:搅拌机加水旋转后缓慢均匀地加入膨润土，再分别加入 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。

6 结语

根据实际施工情况来看，通过控制水位高程、大型机械设备下加垫钢板、泥浆配置、槽壁加固等减小对槽壁土体的扰动等一系列措施，确保了槽壁的施工稳定。在地面以下15 m左右开挖出的土体与前期未加固的土体相比，固化明显，通过超声波检测，槽壁没有发生塌方现象。加快了连续墙的施工进度。

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