砂性土层地下连续墙槽壁稳定性研究

郑文杰

北京建筑大学土木与交通工程学院 北京 100044

地下连续墙因其墙体刚度大、整体性好、抗渗性能好、耐久性好、施工噪声低振动少等优点，广泛应用于地下建筑结构的施工。砂性土层中地下连续墙的施工难度大，成槽过程中极易产生槽壁坍塌现象。槽壁坍塌容易引起混凝土超方和结构尺寸超出允许的界限，严重时将会引起相邻地面发生沉降、坍塌，危害到邻近建筑和地下管线的安全[1]，因此，这是一个不得不重视的问题。鉴于此，本文对如何改善槽壁坍塌问题，提高砂性土层地下连续墙槽壁稳定性进行研究。

1 地下连续墙简介

地下连续墙是在拟修建的地下工程地面上，沿着基坑的周边划分若干槽段，在泥浆护壁的支护下，使用挖槽设备开挖一条深槽，挖到设计深度后进行清槽，清槽后在槽段内安放接头管、放置钢筋笼，然后浇筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐次进行，最后将各个槽段连成一个整体。地下连续墙既可以作为挡土挡水的临时支护结构，也可以作为建筑的主体结构。

在地下连续墙成槽过程中，一般都会采用泥浆进行护壁，泥浆拌制材料宜优先选用膨胀土。泥浆护壁主要有以下几个作用：（1）泥浆在地连墙槽壁上形成泥皮，可以有效地防止槽壁坍塌；（2）泥浆对槽壁提供静水压力以平衡槽段开挖时作用在槽段上的水、土压力；（3）泥浆具有携渣的作用，其具有一定的粘度可以携同泥渣一块排出；（4）泥浆还具有润滑的作用。

2 地连墙槽壁稳定性影响因素

2.1 土层性质

砂性土层的颗粒较大、颗粒之间缺乏胶结，因此砂性土层的渗透系数较大[2]，自稳能力差，在砂性土层中建设的地连墙极易产生槽壁坍塌事故。考虑到不同砂土性质对成槽施工变形的影响，邱明明等[3]选择四种典型砂层进行研究，发现土质条件确实对地连墙成槽施工扰动变形影响显著。

2.2 泥浆质量

地下连续墙的泥浆护壁是保持槽壁稳定性，控制开挖槽面时地连墙质量的决定性因素。若泥浆配制质量不合格，不满足形成可靠的泥浆护壁要求，则无法形成具有粘结性能的泥皮，泥浆的静水压力也无法抵抗作用在地连墙槽壁上的水压力和土压力。泥浆配制不合要求，将会导致泥浆密度不够；或者泥浆所含泥砂过多，容易产生沉淀，使泥浆性质发生变化，不能形成合理可靠的护壁，都会促使产生槽壁坍塌[4]。通过超声波槽壁检测发现，新鲜泥浆充分时，泥浆质量高，护壁效果好；泥浆循环次数过多时，泥浆性能下降[5]。

2.3 地下水

大多数地下工程事故都与地下水有关，当水与土体发生相互作用，会使土体本身的强度和稳定性都有所降低，从而导致塌方、基底突涌等工程事故，这些事故会直接影响到周边环境的安全，造成不可避免的经济损失。为了保证地下工程的施工安全和施工进度，必须要采取措施进行地下水控制。

当地连墙槽壁上泥浆压力比地下水压力大，并且可以与部分土压力处于平衡状态时，泥浆才能够充分发挥护壁作用[6]。所以，泥浆液面和地下水位必须要保持合理的高差。通常情况下，地下水位应比泥浆液面至少低1m或者1.5m。地下水位越高，槽壁水平变形和地表竖向变形越大。严朝锋等[7]通过采用有限元软件ABAQUS对地下连续墙成槽施工过程进行数值模拟，得到地下水位过高对槽壁稳定性影响较大的结论。

随着基坑的开挖深度不断加大，基坑周围土层以及基坑外丰富的地下水将会对地下连续墙产生影响，在基坑开挖的各个阶段中地连墙部分位置会出现不同程度的渗漏情况，导致槽壁在水平方向上产生大小不同的变形等问题[8]。地下水渗漏现象也会导致地连墙槽墙失稳。

2.4 成槽作业

在砂性土层中挖槽进尺过快，在成槽机作业产生的水波振荡下，将会使槽壁扰动，产生槽壁坍塌[4]。所以要对成槽机的工作速度进行控制。

成槽后搁置时间太长，没有及时吊放钢筋笼灌注混凝土，泥浆则会失去护壁作用。如果在成槽过程中，地下连续墙槽壁已经出现塌孔、蠕变等现象，在处理过程中将会对槽壁产生二次扰动，会增加周围建构筑物的风险等级，并且消耗大量不必要的时间，成槽结束后也要等待很长时间才能灌注混凝土，因而不能充分利用“空间效应”[5]。

2.5 混凝土绕流

地下连续墙浇筑单元槽段混凝土时，流动的混凝土有时会在重力及侧向压力的共同作用下，绕过封头钢板或接头箱、接头管侧向缝流入到相邻的槽段(尚未开槽或已成槽的槽段)[9]，即产生混凝土“绕流”现象。混凝土浇筑时发生绕流，可能是因为成槽机械、技术人员操作或是地质水文原因等其他原因，导致相邻幅地连墙接头处存在成槽垂直度差，成槽后地连墙接头宽度大于接头箱接头管的宽度，致使接头管与地下土体存在空隙[4]，为混凝土绕流提供了可能活动空间。混凝土绕流将直接造成相邻地下连续墙钢筋笼无法吊装就位，会造成接头地抗剪强度下降，容易导致接头渗水，从而为槽壁稳定带来隐患[5]。

3 改善措施

3.1 加固土体

为改善砂性土层的土层性质，防止槽壁开挖过程中产生坍塌事故，工程中常采用土体加固改良的方法。下面从加固方法和加固间距两方面进行分析。

3.1.1 土体加固方法

常用的地下连续墙槽壁加固方法有水泥搅拌桩、高压喷旋桩和MJS工法桩[5]。

（1）水泥搅拌桩加固方法

水泥搅拌桩是将水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体中充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结形成整体。具有挡土和截水双重功能。此加固技术适用于广泛的土质范围，包括砂土、淤泥土、粉土等饱和软黏土[10]。当土体中存在人工填土时，土体物质成分较杂乱，不均匀，会对机械在土层中的搅拌形成障碍，从而导致此加固方法无法使用。同时，在遇有密实砂层，夹杂卵石层、淤泥层等多层地质复杂结构时，如何有效控制成桩质量，确保软基处理效果[11]也是值得关注的问题。

（2）高压喷旋桩加固方法

高压喷旋桩是利用专门的钻机，将带有特殊喷嘴的注浆管钻至预定位置后，将高压水泥浆液向四周高速喷入土体，并随钻头旋转和提升切削土层，使其混合掺匀从而形成整体。用于砂土、粉土、素填土、碎石土以及淤泥等具有流塑性的土体[12]。其加固效果要优于水泥搅拌桩。

（3）MJS工法桩

MJS工法桩是全方位高压喷射工法桩的简称，该工法以传统形式的高压喷射注浆技术为基础，借助特殊的多孔管以及前端造成装置[12]，实现了孔内强制排浆和地内压力监测，可以大幅降低施工中的地形变形，减少对环境的影响，同时地内压力的降低可以进一步保证成桩直径。与传统的喷旋工艺相比，MJS工法减少了对周边环境的影响。

3.1.2 加固间距

随着槽壁加固体与槽壁之间距离的增加，槽壁的水平变形和地表沉降变呈现先减小后增大的趋势；以变形为控制目标，槽壁加固间距的最优区域为地表沉降槽最大值对应的横向水平距离位置附近[3]。

3.2 改善泥浆质量

优化设计护壁泥浆参数，是解决砂性土层槽壁坍塌最关键的技术[5]。结合超声波槽壁检测结果和现场参数统计分析，最终确定新制备泥浆的配合比，得到优质泥浆。通过提高泥浆液面高度、容重，加大泥浆的黏度，减小含砂率，可以有效提升泥浆护壁的效果。当在复杂地质条件下，可以适当加大泥浆占比。若增加膨润土仍无法满足相应的需求时，还可以添加重晶石，从而增大泥浆的比重[6]。

要按泥浆的使用状态及时进行泥浆指标的检验，以防止泥浆因循环使用而导致质量恶化。砂性土层中循环泥浆的含砂率非常高，若不及时处理，形成的泥皮将会过厚、失水大、没有韧性，将会严重影响循环泥浆的质量，对槽壁稳定产生较大影响。因此成槽前必须及时对泥浆中的泥沙进行分离，目前地连墙施工中一般使用的沉淀法不能及时有效的处理泥浆中的泥沙，特别是细小泥沙，可以在施工时在泥浆系统中设置泥砂分离器，该分离器及振动筛和旋流器为一体，可以极大的处理循环泥浆中的泥沙。这样可以有效提高泥浆利用率，提高地连墙的质量，并且节约一定的成本[13]。

3.3 地下水处理

地下水位过高或是地下水渗漏均会对地下连续墙槽壁的稳定性进行破坏，下面从这两方面的控制进行分析。

3.3.1 降低地下水位

泥浆的液面与地下水位保持一定的合理高差是槽壁稳定性的有效控制条件。当地下水位高于泥浆液面时，要进行降水处理。井点降水法，是人工降低地下水位的一种方法。在基坑开挖前，在基坑四周埋设一定数量的滤水井，利用抽水设备抽水使所挖的土始终保持干燥。井点降水不仅可以降低地下水位，减少槽壁内外水头压力差，防止槽壁坍塌失稳，而且可以给土体足够的时间进行固结，从而增加土体的抗剪强度，同时使泥浆中的水分渗漏出去，有利于泥皮的形成。因此，井点降水法，是可以不扰动砂性土层，避免地连墙槽壁坍塌，并且节约成本的有效措施。

3.3.2 防止地下水渗漏

在槽壁开挖过程中，如果地连墙槽壁出现水渗漏现象，将会对施工带来不便的影响，渗漏严重时更会导致土颗粒流失，引起地面沉陷甚至使得槽壁坍塌。地下连续墙产生渗漏的原因主要有以下几点：（1）相邻地连墙垂直度存在偏差，导致两幅地下连续墙出现较大空隙；（2）相邻地墙接头处没有进行刷壁处理或是处理不彻底不干净，造成接缝渗漏；（3）未清除的混凝土绕流在地连墙的接缝内，会形成渗漏的通道；（4）混凝土灌注过程由于塌孔、墙体夹泥，造成渗漏[8]；（5）对地下连续墙墙趾注浆效果不佳，导致地下连续墙的不均匀沉降，从而使得接缝处相对滑动，造成接缝漏水。

防止地连墙槽壁发生渗漏的处理方法主要分为开挖前和开挖后。

目前，在开挖前针对地下连续墙槽壁渗漏问题常用的处理方式是进行注浆和地基加固[14]。通过注浆和加固可以形成比较严密的固化层，提高强度和抗渗性能。在开挖前，还应该遵循开挖必检、检后必处的“掏槽检缝”制度[14]。

在开挖后，若地下连续墙槽壁出现渗漏现象，则采用封堵或注浆的方法。当地下连续墙有轻微渗水，表现为墙体产生湿渍、产生水珠状滴漏或者小量流淌时，可以先将漏水点基面清理干净，找出准确的漏水点并破除周边混凝土至新鲜面，然后沿接缝走向采用钻孔注浆或快速封堵止水，接着在接缝部位两侧基层表面涂布防水涂料，最后用聚合物水泥防水砂浆找平或重新浇筑补偿收缩混凝土[14]。

随着众多学者对地连墙防渗技术的研究，逐渐出现了预测渗漏点位置的方法，从而帮助提前进行槽壁防渗。例如，宋芊[8]建立沈阳北站富水砂层深基坑地下连续墙三维模型，在确定模型和各影响因素后，改变猜测漏水点的位置，在其附近的地下连续墙上多处设置漏水点，从而得到各漏水点的降水数据，与实际数据进行对比后，即可预判出漏水点的位置。此方法可以更加有效地防止槽壁渗漏。

3.4 成槽作业

在需要穿越填石层等土层成槽时，可以采取冲抓相互结合的方法，能够更好的穿过填石层，保证邻近建筑物的稳定性，提升成槽效率，保证施工质量[15]。

快速成槽，有利于降低槽壁坍塌地可能性和提高地连墙表面的平整度，可以有效地提高成槽质量。可以通过优先选择成槽时间短的成槽机进行成槽施工，并且在地下连续墙成槽结束后，立刻进行槽壁的检测、刷泥浆，下放接头管、钢筋笼和导管，在最短的时间内进行混凝土的浇灌，减少成槽后的搁置时间，从而减少因成槽时间长而导致的槽壁坍塌的危险。

3.5 混凝土绕流

混凝土绕流情况严重时，会导致刷壁时间增加而加长工期，成槽空置时间长而导致无法充分发挥空间效应。所以，必须要特别注意地下连续墙混凝土绕流的预防。

防绕流措施主要有有以下几点：（1）根据实际成槽情况不断调整泥浆配比，保证好泥浆的质量；（2）成槽时注意垂直度的检测及成槽速度的控制，尽量减少对槽壁的破坏[16]；（3）设置防绕流铁皮，铁皮可以有效防止混凝土浇灌时混凝土绕过空隙填充工字钢与槽段间的空位，从而导致下一段槽段施工困难；（4）控制混凝土浇筑的速度，匀速不间断且不宜过快，保证混凝土液面平稳匀速上升，减少槽壁产生局部压力差，并且控制好混凝土初凝的时间，控制锁扣管的提拔时间以防止提拔过早；（5）在成槽结束后土袋回填必须要要分层压实，保证回填土有一定的密实度[5]；（6）严格控制槽段的开挖量，防止超挖。

4 总结

通过对地连墙槽壁坍塌的影响因素和改善措施的研究，得出了采取加固土体、改善泥浆质量、降低地下水位、优化成槽作业和防止混凝土绕流的措施来降低槽壁坍塌风险，提高地下连续墙槽壁稳定性的结论，保证了地下连续墙的施工安全，同时也对后续的施工带来一定的借鉴意义。