地連墻成槽施工對(duì)周邊環(huán)境的影響及控制

唐寅偉， 劉 維， 史培新， 唐 強(qiáng)， 陳秀鳴

(1. 蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215000； 2. 蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

近年來(lái)，剛度大、整體性強(qiáng)、防滲性和耐久性可靠的地下連續(xù)墻在地下空間開發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.在軟土地層為主的地區(qū)，地下連續(xù)墻是深基坑工程常用的圍護(hù)手段之一[1].許多單幅地下連續(xù)墻連接成整體地下連續(xù)墻.單幅地連墻施工大致包括成槽、吊放鋼筋籠和灌注水下混凝土等3個(gè)主要階段.如此循環(huán)往復(fù)施工，可在地下形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，具有防滲、擋水和承重等作用.在地連墻施工過(guò)程中，周圍土體在擾動(dòng)下經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力釋放與補(bǔ)償過(guò)程，繼而產(chǎn)生一定的地層變形[2].地連墻成槽過(guò)程中，如控制不當(dāng)，周邊地表沉降明顯，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)到后期總沉降量的30%～50%[3]，甚至造成地面塌陷，影響附近建筑物的安全.因此，加強(qiáng)對(duì)地連墻成槽施工階段的地層變形控制顯得尤為必要.在地下連續(xù)墻成槽施工期間，可采用限制周邊荷載、選擇合適的導(dǎo)墻等措施加強(qiáng)槽壁的穩(wěn)定性，控制地層變形[4].根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在維持槽壁穩(wěn)定的外力中，泥漿產(chǎn)生的靜液壓力占到75%～90%，控制泥漿性能可以有效地限制地層變形.劉國(guó)彬等[5]探討了超載情況下的槽壁穩(wěn)定措施，發(fā)現(xiàn)工程中利用樹根樁形成土拱、用以屏蔽附加荷載所產(chǎn)生的水平應(yīng)力的措施，對(duì)地層變形控制起到了一定的作用.周松等[6]的模擬研究結(jié)果表明，降水能有效提高地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性，合理確定深井降水深度和降水時(shí)間，有效控制和減小對(duì)周圍環(huán)境的影響.然而，已有的研究中對(duì)實(shí)際工程中的地層變形控制措施及效果評(píng)價(jià)較少.

為此，筆者以蘇州地鐵5號(hào)線某車站地下連續(xù)墻工程為依托，針對(duì)地連墻施工對(duì)臨近建筑物的擾動(dòng)問(wèn)題，采用理論研究和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的辦法對(duì)施工過(guò)程中地層穩(wěn)定和變形規(guī)律進(jìn)行研究，并根據(jù)研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工程中的地層變形控制措施及效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為蘇州地區(qū)類似地層地連墻施工提供參考.

1 工程概況

蘇州地鐵5號(hào)線某車站平面布置如圖1所示.工程地質(zhì)條件如圖2所示.基坑?xùn)|西長(zhǎng)104.0 m，南北長(zhǎng)24.0 m，基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地連墻深48.0 m，槽寬4.5～6.0 m，地連墻厚1.5 m，采用工字鋼接頭，選取其中一段地連墻作為監(jiān)測(cè)研究對(duì)象.周邊建筑基礎(chǔ)深度與樁基深度共計(jì)為11.0 m.

圖1 基坑平面示意圖(單位： m)

圖2 工程地質(zhì)條件(單位： m)

土層參數(shù)如表1所示.土層具有壓縮性大、靈敏性高和抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，因此容易受施工擾動(dòng).微承壓水賦存于粉土夾粉砂土中，賦水性中等，其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水、地表水及上部潛水垂直入滲.承壓水主要賦存于深部的粉砂夾粉土中，賦水性中等，具有相對(duì)較好的封閉條件，其補(bǔ)給來(lái)源為其上部松散層滲入、微承壓水層聯(lián)通補(bǔ)給、越流及地下徑流.地連墻成槽施工貫穿土層①至土層⑦，地連墻底部位于土層⑧(粉質(zhì)黏土)中.

表1 土層參數(shù)表

2 施工方案優(yōu)化

地下連續(xù)墻施工是用專門的成槽機(jī)械沿著導(dǎo)墻方向，在泥漿護(hù)壁的條件下分段成槽，然后在槽內(nèi)沉放鋼筋籠，并灌注水下混凝土.在地連墻施工過(guò)程中，成槽階段對(duì)土體擾動(dòng)最大，施工風(fēng)險(xiǎn)也最大.因此，對(duì)地連墻成槽階段的地層變形控制顯得尤為重要，施工中可以從槽段劃分、導(dǎo)墻、泥漿和施工設(shè)備等方面進(jìn)行施工方案優(yōu)化.

2.1 槽段劃分

槽段長(zhǎng)度劃分對(duì)地連墻成槽施工有一定的影響.如槽段太長(zhǎng)，土拱效應(yīng)發(fā)揮不明顯，成槽開挖引起的地層變形會(huì)增大；如槽段過(guò)短，增多了槽段的接頭數(shù)量，降低了地下連續(xù)墻的整體性.現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將地連墻分幅，單元槽段的長(zhǎng)度為4.5～6.0 m，以便充分發(fā)揮土拱效應(yīng)，并保證了地連墻的整體性.在現(xiàn)場(chǎng),間隔施工地連墻槽段，從而進(jìn)一步發(fā)揮土拱效應(yīng)，減少成槽開挖所引起的地層變形.

2.2 導(dǎo) 墻

在地下連續(xù)墻施工前應(yīng)先澆筑導(dǎo)墻.導(dǎo)墻一方面對(duì)成槽有一個(gè)導(dǎo)向作用，便于成槽機(jī)械的定位和施工，另一方面也可以防止泥漿流失，起到儲(chǔ)存泥漿的作用，具有維持泥漿液面、防止槽口坍塌等作用[4,7-8].本基坑地連墻導(dǎo)墻采用『形整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).內(nèi)墻面之間凈寬比連續(xù)墻設(shè)計(jì)厚度大0.05 m，墻厚0.20 m，墻頂寬1.00 m，導(dǎo)墻深度為1.60～2.00 m.導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖3 導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)示意圖

DG/TJ 08-2073—2016《地下連續(xù)墻施工規(guī)程》要求導(dǎo)墻頂面高出地面0.1 m[4]，現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)墻頂面比地面高0.2 m，這樣有利于更好地控制泥漿液面，提高了地層的穩(wěn)定性.墻體采用較高強(qiáng)度的C30鋼筋混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)可以充分利用其剛度來(lái)擴(kuò)散地面荷載，從而進(jìn)一步控制淺層土體變形.

2.3 泥漿配置

泥漿作用主要以固壁為主，同時(shí)還具有攜砂、冷卻和潤(rùn)滑的作用.膨潤(rùn)土泥漿可以懸浮部分開挖土顆粒，減少槽底浮泥，因而可以增加泥漿的重度[9]，有利于提高開挖的穩(wěn)定性.當(dāng)泥漿向周圍土體入滲，土顆粒間的孔隙被黏土顆粒封堵后，很快就可以在槽壁上形成一層類似于不透水薄膜的泥皮，以保證泥漿的靜液壓力作用于開挖槽壁上，抵抗槽壁周圍地基土體的土壓力和水壓力.圖4為泥膜形成示意圖.

圖4 泥膜形成示意圖

現(xiàn)場(chǎng)配置的泥漿中主要材料為膨潤(rùn)土，并配以純堿.現(xiàn)場(chǎng)配置的泥漿重度為10.5 kN·m-3，黏度為25 Pa·s，含砂率小于3%，pH值大于8.采用25 Pa·s黏度和含砂率小于3%的泥漿，旨在防止土層③(粉土夾粉砂層)坍塌，從而可以有效控制地層變形.

2.4 施工設(shè)備及成槽效率

地下連續(xù)墻的成槽施工多采用液壓抓斗成槽機(jī).液壓抓斗成槽機(jī)適用于較松軟土層，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、施工速度快和成本低等優(yōu)點(diǎn).依據(jù)本工程地質(zhì)條件和成槽要求，采用上海金泰SG60液壓抓斗成槽機(jī)，擁有走動(dòng)就變裝置和先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng).機(jī)身質(zhì)量為85 t，高度為15.9 m，開斗寬度為2.5 m，提升力為600 kN.圖5為金泰SG60液壓抓斗成槽機(jī).

圖5 金泰SG60液壓抓斗成槽機(jī)

SG60液壓抓斗成槽機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)單幅槽段成槽施工時(shí)間約為10 h.開挖時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng)，泥漿會(huì)發(fā)生絮凝和沉淀，泥漿的重度會(huì)減小，從而影響開挖的穩(wěn)定性，引起地層變形.選擇成槽效率高的成槽機(jī)可以有效地規(guī)避這一問(wèn)題.

3 地連墻槽壁穩(wěn)定性分析

3.1 槽壁穩(wěn)定機(jī)理

地連墻成槽施工過(guò)程中，槽內(nèi)泥漿的靜液壓力作用于槽壁上，用以抵抗槽外的土壓與水壓.由于應(yīng)力釋放、泥漿液面降低、地層土質(zhì)不同等原因，會(huì)造成支護(hù)力不足，引起槽壁失穩(wěn).本節(jié)中采用張厚美等[7]提出的計(jì)算模型，利用拋物線法與半圓柱法，對(duì)槽壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析.圖6為破壞體計(jì)算模型[7].圖7為破壞體受力分析圖,其中N為滑動(dòng)面正壓力，A、B、C和D為破壞體上的點(diǎn).

圖6 破壞體計(jì)算模型

圖7 破壞體受力分析圖

圖6中的計(jì)算模型破壞體為三維的半圓柱模型.根據(jù)該破壞體計(jì)算模型得到穩(wěn)定性安全系數(shù)公式：

(1)

式中：W為滑動(dòng)體自重壓力；P為地面超載；Δp為泥漿和地下水的合壓力；Ps為滑動(dòng)面抗剪力；Pf為側(cè)面黏聚力合力.其計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

Pf=(2dh-d2tanα)Fe，

(4)

(5)

式中：l為槽段長(zhǎng)度；d為滑動(dòng)體厚度；h為滑動(dòng)體高度；hz為水位到槽底的高度；hc為泥漿液面到槽底的高度；α為滑動(dòng)面與水平面的夾角；γ為土的重度；γw為地下水的重度；γs為泥漿重度；φ為摩擦角；Fe為土的黏聚力.

該三維破壞模型從多個(gè)條件分析受力最不利情況，對(duì)槽壁失穩(wěn)進(jìn)行評(píng)價(jià).通過(guò)改變破壞體高度、厚度與滑動(dòng)角的組合來(lái)搜索最不利情況，從而得到最小穩(wěn)定性安全系數(shù).

3.2 槽壁穩(wěn)定理論分析

在上述研究的基礎(chǔ)上，改變地下連續(xù)墻槽段長(zhǎng)度、土體摩擦角以及泥漿液面與水面高差，對(duì)地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析.改變槽段長(zhǎng)度，槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)變化如圖8所示，其破壞體變化如圖9所示.

圖8 槽長(zhǎng)對(duì)穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響

圖9 槽長(zhǎng)對(duì)破壞體影響

由圖8-9可知：當(dāng)槽長(zhǎng)從4 m增加至8 m的過(guò)程中，安全系數(shù)不斷減小；槽長(zhǎng)相同時(shí)，泥漿重度越大，安全系數(shù)也越大.這一方面表明現(xiàn)場(chǎng)泥漿配置需合理，合適的泥漿重度可以保證成槽的穩(wěn)定性；另一方面也表明合理劃分槽段長(zhǎng)度對(duì)控制土體變形有一定的積極影響，既可以避免槽長(zhǎng)過(guò)短給施工造成不便，也可以充分保證成槽的穩(wěn)定性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地層變形控制起到有益作用.

改變土體內(nèi)摩擦角φ，槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)隨槽長(zhǎng)變化曲線如圖10所示，其破壞體高度和滑動(dòng)角隨內(nèi)摩擦角變化曲線如圖11所示.由圖10-11可知：當(dāng)土體內(nèi)摩擦角從0°增加至40°的過(guò)程中，安全系數(shù)不斷增大，這表明現(xiàn)場(chǎng)土層條件對(duì)穩(wěn)定性有一定的影響；土體內(nèi)摩擦角相同時(shí)，泥漿重度越大，安全系數(shù)也越大.由此說(shuō)明泥漿重度越大，泥漿護(hù)壁效果越好，能夠更好地控制地層變形.

圖10 內(nèi)摩擦角對(duì)穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響

圖11 內(nèi)摩擦角對(duì)破壞體影響

改變泥漿液面與水面高差，地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)變化如圖12所示，其破壞體變化如圖13所示.由圖12-13可知：當(dāng)泥漿液面與水面高差從0 m增加至2 m時(shí)，安全系數(shù)不斷增大；當(dāng)泥漿液面與水面高差相同時(shí)，泥漿重度越大，安全系數(shù)也越大.這一方面表明現(xiàn)場(chǎng)泥漿配置需符合現(xiàn)場(chǎng)要求，可以有效保證了成槽的穩(wěn)定性；另一方面也表明泥漿液面高度需控制得當(dāng)，有效地發(fā)揮泥漿護(hù)壁功能，可以充分保證成槽的穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地層變形的控制.

圖12 液面高差對(duì)穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響

圖13 液面高差對(duì)破壞體影響

將本工程參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得到最小安全系數(shù)為1.91，其數(shù)值大于1，這表明現(xiàn)場(chǎng)槽壁穩(wěn)定性較好，所采取的地層變形控制措施起到了一定的積極作用.

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究

采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式對(duì)地層變形進(jìn)行研究，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)NQ- 43地連墻(北側(cè)43號(hào)地連墻)展開監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括土體水平位移、地表沉降、建筑沉降與建筑傾斜.

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)方案布置如圖14所示.以NQ- 43為監(jiān)測(cè)對(duì)象，其地下連續(xù)墻長(zhǎng)度皆為4.5 m，槽寬1.5 m.土體水平位移觀測(cè)點(diǎn)布置在槽段北側(cè)，距離槽段0.4 m，深度為50.0 m；S-1、S-2、S-3和S- 4分別為4個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，它們沿著垂直于槽段方向不等距布置，最遠(yuǎn)觀測(cè)點(diǎn)S- 4距槽段14.0 m.建筑物距離地連墻2.2 m，B-1和B-2為建筑沉降觀測(cè)點(diǎn).C-1為土體水平位移觀測(cè)點(diǎn).

圖14 監(jiān)測(cè)方案布置示意圖(單位：m)

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

土體水平位移與槽深關(guān)系曲線如圖15所示.

圖15 土體水平位移與槽深關(guān)系曲線

由圖15可知： NQ- 43成槽開挖過(guò)程中土體水平位移變化最為明顯；土層深度/槽深≤0.20時(shí)，淺層土體發(fā)生了明顯水平位移，且水平位移隨著深度增加逐漸減小，最大值發(fā)生在地表；土層深度/槽深>0.20時(shí)，土體水平位移較小.在混凝土澆筑階段，混凝土對(duì)槽壁有擠壓作用，土體水平位移減小.在混凝土硬化階段，土體水平位移發(fā)生小幅增長(zhǎng)，并趨于穩(wěn)定.

與以往研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土層深度/槽深>0.15時(shí)，土體水平位移實(shí)測(cè)值小于文獻(xiàn)[10]的下邊界；當(dāng)土層深度/槽深≤0.15 時(shí)，土體水平位移位于文獻(xiàn)[10]的上、下邊界之間.這表明在該地連墻成槽施工中，深層土體受到擾動(dòng)較小，淺層土體受一定程度擾動(dòng)，且引起地層變形，變形程度在控制范圍內(nèi)，這說(shuō)明成槽過(guò)程中采用的地層控制措施產(chǎn)生了一定的積極作用.

地表沉降與距離槽段長(zhǎng)度關(guān)系曲線如圖16所示.由圖16可知：NQ- 43成槽開挖過(guò)程中，地表沉降變化最為明顯；當(dāng)距離槽段長(zhǎng)度≤20 m時(shí)，隨著距離槽段長(zhǎng)度的增加，地表沉降迅速減?。划?dāng)距離槽段長(zhǎng)度>20 m時(shí)，地表沉降趨近為0.這表明地連墻成槽施工對(duì)地表沉降的影響范圍是有限的.在混凝土澆筑與硬化階段，沉降變化較小，并趨于穩(wěn)定.

圖16 地表累計(jì)沉降與距離槽段長(zhǎng)度關(guān)系曲線

與以往研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)地表累積沉降均在文獻(xiàn)[10]建議曲線之內(nèi).這表明地連墻成槽開挖過(guò)程中，土體受擾動(dòng)所產(chǎn)生的地層變形在控制范圍內(nèi)，采取的地層控制措施在一定程度上有效地抑制了土體位移和地層變形.

與地表沉降相比，在整個(gè)施工過(guò)程中建筑沉降均非常小，這主要是由于建筑物采用樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)持力層沉降較小，使得建筑物沉降相應(yīng)較小.另外建筑物結(jié)構(gòu)剛度對(duì)沉降控制也起到了積極作用.

NQ- 43成槽結(jié)束后，建筑傾斜率約為0.09%.隨著澆筑混凝土施工的繼續(xù)，建筑傾斜繼續(xù)小幅增大，建筑傾斜率達(dá)到0.12%.混凝土硬化后，建筑傾斜趨近于穩(wěn)定，建筑傾斜率達(dá)到0.13%.按照國(guó)家建筑規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[14]，該建筑傾斜率明顯小于允許值0.4%，這表明建筑物充分發(fā)揮了自身的強(qiáng)度和剛度，現(xiàn)場(chǎng)地層變形控制較好.

4.3 超聲波成孔檢測(cè)

超聲波成孔檢測(cè)記錄如圖17所示.通過(guò)觀察深紅色直線的垂直度和離散程度等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)地連墻成槽垂直度控制較好，槽壁沒有發(fā)生明顯坍塌.總之，地連墻施工整體質(zhì)量良好，無(wú)露縫現(xiàn)象，無(wú)質(zhì)量缺陷，表明地層變形控制措施起到了一定的積極作用，較好地控制了地層變形.

圖17 超聲波成孔檢測(cè)記錄

5 結(jié) 論

1) 以蘇州地鐵5號(hào)線某車站地連墻施工為依托，研究地連墻成槽開挖過(guò)程中的施工技術(shù)和地層變形控制措施.研究發(fā)現(xiàn)：在地表以下，當(dāng)土層深度/槽深≤0.20時(shí)淺層土體受到擾動(dòng)較大，土體變形明顯；土體變形隨著深度的增加而迅速減?。簧顚油馏w受到擾動(dòng)較小，土體變形較小.

2) 成槽開挖引起的地層變形均在控制范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論研究較符合，施工中采取增加導(dǎo)墻剛度、選擇合適成槽機(jī)械、合理劃分槽段、間隔施工地連墻槽段、調(diào)整控制泥漿等措施進(jìn)行地層變形控制，對(duì)控制土體變形起到了一定的積極作用.