地下连续墙槽壁稳定综合技术及施工管理

地下连续墙槽壁稳定综合技术及施工管理

陈贺杰

深圳市鹏城建筑集团有限公司广东深圳518040

摘要：通过对实际工程地下连续墙工程施工特点，施工环境及地质条件的分析，结合槽壁稳定性控制的各种因素，制定槽体稳定性控制的综合技术。

关键词：地下连续墙；槽壁稳定；整体稳定；局部稳定；控制

地下连续墙就是用专用设备沿着深基础或地下构筑物周边采用泥浆护壁开挖出一条具有一定宽度与深度的沟槽，在槽内设置钢筋笼，采用导管法在泥浆中浇筑混凝土，筑成一单元墙段，依次顺序施工，以某种接头方法连接成的一道连续的地下钢筋混凝土墙，以便基坑开挖时防渗、挡土，作为邻近建筑物基础的支护以及直接成为承受直接荷载的基础结构的一部分。

一.地下连续墙槽壁稳定的影响因素和失稳机理

1.1地下连续墙槽壁稳定的影响因素分析：

影响槽壁稳定的因素主要集中在以下几个方面：

1.1.1地基土质条件

地基土的抗剪强度指标是影响开挖稳定性的主要因素之一。试验证明，土的内磨擦角越小，槽壁越容易发生坍塌。并且土的密实度对稳定也有影响。根据试验的统计分析结果显示，深度在1~4m以内无泥浆护壁开挖的浅槽中，约有84%的失稳发生在人工回填土层。在泥浆护壁的条件下，粘性土由于密实性较高，泥浆很容易在槽壁上形成泥皮，并且粘聚力越大，所需的泥浆容重越小，非粘性土由于孔隙较大，泥浆会渗透入土层一段距离，由于泥浆的胶凝作用会使泥浆不再渗入土层，使得在槽壁上形成泥皮，因此土的级配的好坏和平均粒径大小对稳定也有着重要的影响，如果土的级配很差，缺少中间颗粒，则土的孔隙过分的流失，从而降低了稳定性。室内试验表明，当小于某粒径的土粒含量为15%的土粒粒径d15小于等于0.4mm时，槽壁周围地基土体能够对膨润土泥浆有效反滤，泥皮只能在开挖槽壁上形成，而入渗困难。土颗粒粒径和孔隙比越大，泥浆入渗的距离也越长。在开挖槽壁两侧泥浆压力与水压力差△p作用下，泥浆渗入到地基体中达到最大距离L时的滞流临界水力梯度为：

式中：为水的容重，e为土体的孔隙比，为泥浆必须克服的剪切屈服应力，ds为小于该粒径的土粒含量为5%的土粒粒径（单位：m）。根据上式也可以估算出泥浆的最大入渗距离。

1.1.2泥浆的性质

目前，护壁泥浆绝大多数采用的是膨润土泥浆。膨润土主要是由晶层间吸附可以交换钠离子的蒙脱石粘土矿物组成，它在水中可以水化，在没有添加剂时，膨润土在咸水中则会絮凝。膨润土泥浆具有触变性，这是由于粘土矿物在水中会形成薄板状颗粒的悬液，颗粒表面和端头部分别带有负电荷和正电荷，通过正负电荷间的引力作用，在颗粒间形成弱胶结，使得膨润土泥浆在静置时絮凝，扰动时液化。膨润土泥浆的这种弱胶结性质在开挖护壁中有两个作用，其一，可以悬浮部分开挖土颗粒，减少槽底浮泥，其二，当泥浆向孔周围土体入渗，土颗粒间的孔隙被粘土颗粒封堵后，很快就可以在槽壁上形成一层类似于不透水薄膜的泥皮，以保证泥浆的静液压力作用在开挖槽壁上，抵抗槽壁周围地基土体的土压力和水压力。

膨润土泥浆是一种宾汉流体，即泥浆必须克服其剪切屈服应力才能流动。工程中，新鲜膨润土泥浆通常是按照占总重量4%~8%的膨润土与水配置而成的。其值一般小于7*10-3kpa，容重介于10.0~10.3KN/m3之间，粘滞度小于3*10-5kPa.s。在实际的开挖过程中，泥浆对开挖稳定的影响主要表现在以下几方面：

①泥浆本身性质的不足造成的破坏，如：护壁泥浆的种类选择不当，自成泥浆或半自成泥浆的容重不够；泥浆的配制不合要求，泥浆的质量控制指标，如：粘度、容重、失水量、泥皮厚度和稳定性等达不到要求，泥浆的水质不合要求，含盐和泥砂较多，易于沉淀，使泥浆性质发生变化：

②泥浆液面标高不够，从而造成槽壁内外压力不平衡，这主要是由于漏浆或跑浆，造成槽内泥浆液面下降，如：土的透水性高；土中有断层，裂隙和孔洞；泥浆的粘度过低：泥皮形成性不好：泥浆中颗粒不能堵住土中的孔隙；泥浆的压力过大，这包括泥浆的静水压力过大和泥浆的动水压力过大（由钻头和抓斗的急速下降和上升产生的动压力）：

③在开挖过程中由于土中细颗粒的混入，使得泥浆容重变大，从而提高稳定性，这是有利的一面。泥浆可以悬浮土颗粒的最大粒径为：

式中：r为土颗粒的容量，对于4%配比的泥浆，其值小于2*10-3kPa，它所能悬浮的最大土颗粒粒径约为2mm，因此，在砾类土中采用泥浆护壁开挖时，泥浆的容重因土颗粒的悬浮而增加的程度不大，对提高稳定性的作用不大。此时应增加新鲜泥浆的配比以提高泥浆自身的容重，满足稳定所需要的护壁压力。

④泥浆的渗入使得槽壁周围土体变成为土与膨润土的混合物，土中的孔隙被泥浆充填，这将影响土的抗剪强度指标。对于天然沉积的密实粒土，它在剪切应变作用下会产生剪胀，体积增加会引起孔隙中的泥浆向剪切区流动，然而，泥浆的流动只有在克服了需要的临界水力梯度或剪切屈服应力后才会发生，由此产生的负孔压将提高土体的抗剪强度。不过砂与膨润土混合物的室内试验结果却显示，膨润土的存在能够削弱剪胀特性，并不会提高土的抗剪强度，甚至会降低土的抗剪强度。膨润土对砂土抗剪强度的影响还有待进一步的研究。

1.1.3地下水位的影响

从力学角度看，泥浆压力必须大于地下水压力并平衡掉部分土压力，护壁作用才能有效发挥。泥浆液面与地下水位面之间的相对高差因此成为工程实施的控制条件之一。一般都要求泥浆液面高出地下水位1m或1.5m以上。一些失稳的实例有时是由于地下断层、裂隙或岩溶发育造成漏浆或跑浆引起泥浆液面下降到地下水位以下导致的，或者是由于突发洪水引起地下水位上升高于泥浆液面而产生的。地下水位越高，平衡它所需要的泥浆相对容重也越大，槽壁失稳可能性也越大，潮汐、地表水流和降雨也会使地下水位发生变化，从而对槽壁的稳定也造成了一定的威胁，此外地下水的流速过大，则会不利于泥皮的形成。

1.1.4地下连续墙的开挖形状

泥浆护壁开挖工程中槽段的形状主要有圆形（比如灌注桩）和矩形（比如地下连续墙），有时也有“T”形开挖。显而易见，轴对称的圆形槽的开挖稳定性要高于矩形和其它形状的槽段。这是因为轴对称情况下，槽壁上土体径向应力的释放大部分会转移到环向应力当中，形成封闭的应力拱。对于矩形槽，其长度则是影响开挖稳定性的主要因素。有限的整体失稳和局部失稳实例都发生在槽长大于5m的情况。这是由于槽段越长，开挖引起的应力重分布更接近于平面应变情况，土拱效应减弱的缘故。相比而言，开挖深度（通常都在20m以上）似乎对稳定性的影响并不显著。

1.2地下连续墙槽壁失稳的机理

通过对地下连续墙的槽壁失稳进行了统计分析认为地下连续墙的槽壁失稳形式总体上可以分成下面几类：

1.2.1由于表层滑动引起的失稳（剪切失稳）这是由于地下连续墙的下层相对与上层来说较弱。

1.2.2上层的坠落，土层和墙体同时翻转。由于地表裂缝的影响使得土层与地表相互分离，这些裂缝常常由于回填或自然形成。

1.2.3活动或旋转失稳，土层沿着地基表面活动。

1.2.4坠落或块的失稳，原因于1、2相近，常常发生在地下连续墙的角度超过90度时，发生时是一层层的脱落，象削果皮一样。

二、工程实例

2.1工程概况

项目属滨海滩涂区，主体地下室开挖深度6-16m，围护结构形式为1.0m，1.2m厚地下连续墙，墙深17m-43m，水下砼强度等级为C35，抗渗等级S10。

工程地地质情况如下：

2.2施工方案

2.2.1导墙设计

根据本工程的工程地质和水文资料，导墙底部为经过强夯的吹填土，土层松散，强度低，因此导墙采用“∟”形式。导墙的顶标高应高出自然地面100mm，两片导墙间的净空应比地下连续墙厚度大40mm，即两片导墙间的净空为1040mm。导墙宽度设计为1.2m，槽体深度方向1.2m，施工前，考虑场地内周围区域正在进行强夯施工，增加槽体稳定安全，将导墙宽度设计为1.5m，槽体深度方向1.5m。（见下图）

2.2.2导墙下土方加固

导墙底部为吹填土，土层松散，强度低。将1.5m厚的土方掺入1：10的325#水泥，增加土体上部的强度，提高土体的稳定性，防止因表层或浅层的失稳而导致整体失稳。

2.2.3泥浆的配制

泥浆主要是由膨润土（8%），羧甲基纤维素（CMC）（0.08%）、纯碱（NA2CO3）（0.5%）和水搅拌而成。配制新浆时，将适量的CMC充分浸泡，然后在专用搅拌桶内加以高速机械搅拌，使其完全溶解，静放一段时间后，随同适量的纯碱、膨润土和水一并倒入制作池，再用机械充分搅拌，最后抽至熟化池内静置水化24小时以上，熟化后的泥浆抽入储浆池待用。

泥浆配合比应根据地质情况现场经过试配确定，泥浆指标要求如下：比重1.05—1.20g/ml，pH值7—9，粘度18—20s，泥皮厚度1—3mm/30min。

2.2.4槽段的划分

根据具体情况，本工程每个槽段的长度为4.5m，这样既可以加快施工进度，又可以减小塌方概率。

2.2.5成槽机械的选择和施工顺序

成槽机械为组合潜水钻，施工采用“气举反循环双钻抱管”及“气举反循环组合式冲击”成槽，成槽后采用修槽捣子对槽壁进行修整，修整后的槽宽要满足设计要求。喷导管采用Φ273mm钢管制成，喷导管长度按墙深设计。

由于该设备的机械震动较小和自重也小，机械施工的速度也较快，对槽壁稳定非常有利。

施工顺序为先从两段60M长的槽段对称施工，然后进行其他槽段的对称施工。

2.2.6其他措施

1、为确保槽壁稳定，严格控制槽壁附近的堆载

2、由于本工程的地层含砂层较多，地层相对不稳定，成槽深度较深，延长了施工时间，对槽壁的稳定均产生了不利的影响，可能会造成少量的槽壁塌方，为此必须用成槽机及时清理塌方泥土，随即补充泥浆，保证液面高度（严格控制槽内的泥浆液面高度不得低于导墙顶面30cm），并增加泥浆的比重，提高其护壁性能，同时加快施工速度，缩短挖槽时间和浇灌混凝土间隔时间。

3、施工过程中，由于周围也处于深基坑施工，地下水处于较低位置，地下水对挖槽位无大影响，出于控制地下水考虑，同时考虑主体开挖要求，在现场周围每10m设置一个深水井，视地下水情况进行抽水。

4、槽段成孔后，紧接着放钢筋笼并浇筑混凝土，尽量不使其搁置时间过长，以免意外土方坍塌。

5、施工中防止泥浆漏失并及时补浆，始终维持稳定槽段所必须的液位高度，同时保证泥浆液面比地下水位高，设置两个大的泥浆池，防止意外发生。

6、雨天地下水位上升时应及时加大泥浆比重和粘度，雨量较大时暂停挖槽，并封盖槽口。

7、安放钢筋笼应做到稳、准、平，防止因钢筋笼上下移动而引起槽壁坍方。

2.4工程质量

该工程自七月末施工结束，于次年九月地下室主体结构开挖，没出现有害裂缝、漏水及墙体过大变形现象，为下步工作创造了良好条件，受到甲方的好评。

三、结束语

通过该地下连续墙的实践表明，正确分析地下连续墙槽壁产生失稳的原因，并采取相应的技术措施，槽段长度控制在5m内、严格控制泥浆的配比、选用合适的泥浆材料、掺加合适的混合材料的外加剂、加快施工速度、适当调整泥浆的配合比、缩短工序间的衔接时间、完善地下连续墙施工工艺、完全可以控制槽壁失稳的产生，为地下连续墙的整体施工的顺利进行创造良好条件。