超深地下连续墙槽壁稳定分析与工程实践

王 彬，刘小成，姜捷滨，孙广坤，蔡江勇

（1.湖北城市建设职业技术学院，武汉 430205；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）

地下连续墙的施工技术在我国起步较晚，但发展十分迅速［1］。深基坑地下连续墙施工过程中广泛采用泥浆护壁技术，利用泥浆对槽壁的水平静止压力以抵抗地层土压力和水压力之间力从而获得槽壁的平衡、稳定，若这种平衡不能满足时，即泥浆压力较小，就会造成槽壁整体失稳破坏或者局部坍塌，从而影响地下连续墙的施工质量，甚至导致路面开裂、周围地表下沉和地面管线损坏等工程事故［2－3］。目前对于槽壁稳定的分析有二维和三维的方法，三维分析能够更准确揭示稳定机理，但较为复杂［4－5］。该文以某超深地下连续墙工程实例为背景，首先按朗肯土压力理论方法对槽壁稳定进行了计算分析，然后在考虑三维分析拱效应的有利影响的基础上，提出合理可行的槽壁加固的具体措施。

1 工程概况

某高层建筑基坑地下连续墙以6m 长划分为59幅1 200mm 厚和110幅1 000mm 厚地下连续墙。首开幅地墙在其宽度的边侧附加了H 型钢作为槽段接头，对于1 200 mm 厚地下连续墙采用型钢截面为H1 094×500×14×14的工字型钢，1 000mm 厚地下连续墙采用型钢截面为H890×500×10×10的工字型钢。

建筑地下室底标高为－27.5m，但由于工程距长江边较近，设计要求地下连续墙槽段需确保进入中风化细砂岩不小于1m，或中风化泥岩不小于1.5m，以实现地下连续墙完全隔水的功能作用。因此，根据地质勘察报告和现场情况，地下连续墙底最浅标高为－45.6m，最深为57.1m。此外，工程场地存在上层滞水、潜水和承压水的情况，其中承压水埋深3～5m，汛期承压水水头在地面左右。

2 二维计算分析

地下连续墙在成槽施工期间，槽内注满泥浆，泥浆的比重较水大，当泥浆面高于地下水位时，泥浆就会在较大的压力作用下向土体渗透，并将膨润土及土颗粒过滤沉积形成泥皮，构成在槽孔两侧壁面的半透水或不透水的隔断层。通过隔断层，泥浆的压力将起到与土压力和地下水压力消减或平衡的作用。此外，槽壁上的泥皮的粉饰和固壁作用有利于防止槽壁上的土颗粒坍落、减少地层变位和增加壁面强度。从槽壁内泥皮两侧的压力平衡看，影响槽壁稳定的因素主要有地下水位、泥浆液面高度、地质条件和土拱效应。

为保证地下连续墙槽壁在施工过程中的稳定，不发生坍塌，一个主要的条件就是槽壁处土压力与地下水压力之和不能大于槽壁内同深度处护臂泥浆的压力［6］。该工程地质条件如表1所示，共有9个土层，地下水位取在－0.94m 处，采用朗肯土压力理论方法，计算各层土和地下水压力列于图1。作为比较，同时计算出泥浆压力沿深度方向的分布，也列于图1中。

表1 地质资料

郎金主动土压力强度计算公式

式中，γt为土的重度；c、φ为分别为土的黏聚力和内摩擦角；z为计算点深度；Ka为主动土压力系数。

槽孔中的泥浆对槽壁的压力

式中，γj为泥浆的容重，采用11kN／m3。

从图2的计算结果比较可以看到，从地面往下各土层中，土和地下水的压力均大于护壁泥浆压力，尤其是在－12.74m（第4层土）及以上段，两者压力相差近1倍，从第4层土再往下越深压力相差反而越来越小。

计算中未考虑地面荷载的作用影响，实际工程中的地面荷载主要是成槽机和装卸车的重量作用，其荷载作用大且离槽壁近。分析表明［3，7］这一作用主要影响范围在地面下－5～－12m 之间，因此，必须采取有效措施以保证槽壁稳定。

3 基于拱效应的处理措施

郎金主动土压力强度方法实际上是基于槽壁长度为无限长的二维模型的计算结果，但实际的槽壁沿槽孔长度方向的尺寸是有限的，按照三维空间结构模型进行分析更接近实际。工程中通过首开幅和闭合幅的分批开挖，将槽段的长度方向限制在一个较小的尺寸内，本工程为6m，这也是通常的成槽机作业的标准尺寸。诸多已有的空间分析成果表明［3，7－8］，在此有限坑槽长度的条件下，土体结构中可形成抛物线形的卸载拱，如图2所示，该拱的形成会显著限制对槽壁产生水平土压力的土区范围和大小，特别当槽孔的长度远小于深度时，拱效应更为明显，土层越深则拱效应的有利影响越大［7－8］。

槽壁水平主动压力中，地下水占到很大的比重，对此有采用部分或全部降水的方法进行处理的，但本工程离长江边较近，除上层滞水外还存在潜水和承压水，加上地面附加荷载的不利情况，降水的方法并不能完全解决问题。

综合考虑上述各方面影响因素，决定采用单轴水泥土搅拌桩槽壁加固的方法，对水平压力较大的上层进行加固处理，同时对槽段连接处设置大直径高压旋喷桩进行隔水强化处理，详见图3，工程实践表明该方法较好地解决了槽壁稳定的问题，同时也加强了地下连续墙的隔水效果。

4 结论

地下连续墙槽壁稳定受地下水的影响较大，因此对于处于长江边的地下连续墙成孔施工需采取适当措施确保施工期间槽孔稳定。

工程实例的计算分析表明，沿深度方向土压力和地下水的水平压力在－4～－12m 的区段较大，几乎是护壁泥浆水平压力的2倍，需要进行必要的处理。考虑到三维分析所形成的拱效应的有利影响，提出了仅在主动压力超大的上层进行单轴水泥土搅拌桩槽壁加固的处理措施，通过现场施工实践证明是适合可行的。

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