深基坑地下连续墙槽壁稳定性分析及施工技术研究*

2014-09-20

建筑施工 2014年10期

中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院北京 100083

1 工程概况[1-9]

本项目为北京市最高建筑物（高528 m）的基坑工程，基坑平均深度为38 m，最大深度达42 m。施工中需穿越层间潜水和承压水二层地下水，成槽时易造成大量的地下水涌入，采用井点降水法排水不足以满足施工要求。地下连续墙具有截水、防渗、挡土等功能，同时根据北京市建设工程施工降水管理要求，基坑工程要严格限制施工降水，以保证水资源不被污染和浪费。本工程地下连续墙总宽度60 m，墙厚800 mm，最大墙身48 m，由于地下连续墙成槽深度较大，如何保持其稳定性是本工程难点。

根据岩土工程勘查报告，按地层沉积年代和成因类型，地下连续墙深度范围55.0 m内包含6 种土层，且沿深度各土层的名称为素填土、粉黏土、砂粉土、粉黏土、细砂、卵石、黏土、粉黏土、细砂、卵石、黏土、粉黏土、卵石、黏土、粉黏土。

工程拟建场区位于北京市区浅层地下水水文地质分区的Ⅱb亚区。根据勘察实测水位情况，结合“北京市区浅层地下水长期观测网”的资料和Ⅱb亚区水文地质特征分析，拟建场区地表至地下55.0 m左右的深度范围内分布有二层浅层地下水：第一层地下水分布于第⑤层细砂和第⑥层卵石层中，为层间潜水；第二层地下水分布于第⑨层细砂和第⑩层卵石层中，为承压水。

2 地下连续墙槽壁稳定性分析

2.1 地层参数确定

2.1.1 土层的加权平均内摩擦角φ、加权平均内聚力C、加权平均重度γ

计算公式[10]为：

式中：φ——加权平均内摩擦角（°）；

φi——相应土层的内摩擦角（°）；

hi——相应土层的厚度（m）；

C——加权平均内聚力（kPa）；

Ci——相应土层的内聚力（kPa）；

γ——加权平均重度（kN/m3）；

γi——相应土层的重度（kN/m3）。

将数据带入（1）、（2）、（3）得：

φ=26.86°，C=11.5 kPa，γ=18.58 kN/m3。

2.1.2 地下连续墙嵌固结深度计算

由经验公式法计算嵌固结深度，公式[10]为：

式中：D——墙体嵌固结深度（m）；

H——基坑开挖深度（m）；H’=H+q/γ，地表荷载q=10 kN/m2；

[δ]——容许变量，且[δ]=0.1H/100；

γ——加权平均重度（kN/m3）；

C——加权平均内聚力（kPa）；

φ——加权平均内摩擦角。

当基坑开挖深度取最大深度H=42 m时，地下连续墙底到自然地面深度H’=42+10/18.58=42.54 m。

地面总埋深H总=H+D=42+9.35=51.35 m。

2.2 地下连续墙槽壁稳定性分析

2.2.1 抗隆起稳定性计算

采用同时考虑C、φ值的抗隆起法，按普朗特地基承载力公式[11]进行计算。

式中：KL——抗隆起稳定安全系数，取值范围一般采用KL≥1.2；

γ——坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权平均值（kN/m3）；

γD——坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值（kN/m3）；

D——嵌固结深度（m）；

C——加权平均内聚力（kPa）；

Nq、Nc——地基极限承载力的计算系数。

2.2.2 槽壁整体稳定性计算

地下连续墙成槽过程中，槽内充满泥浆，槽壁受到泥浆的支撑护壁作用，处于相对稳定状态。泥浆与砂层间被不透水膜所隔开，滑动面为AB，如图1所示。

图1 深槽稳定性计算示意

根据图1（a），有：

由（6）和（7）得：

式中：G——槽壁重力（N）；

γs——砂的重度（kN/m3）；

θ——ABC滑块即将滑动时与槽底夹角（°）；

Pf——泥浆对槽壁的作用力（N）；

γf——泥浆的重度（kN/m3）。

根据图1（b），有：

式中：Pf——泥浆对槽壁的作用力（N）；

G——槽壁重力（N）；

φ——ABC滑块即将滑动时与槽底夹角（°）；

α——滑动面法线与槽反作用力R的夹角（°）。

由（8）和（9）得：

当θ=45°+α/2时，α为最大，此时为最容易滑动的状态。

将θ=45°+α/2代入公式（10），得：

槽壁安全系数K可按公式计算：

于是可得：

式中：K——槽壁安全系数，必须大于1；

γs——砂土的重度（kN/m3）；

γf——泥浆的重度（kN/m3）；

φs——砂土的内摩擦角（°）。

3 地下连续墙施工技术

3.1 地下连续墙成槽施工技术

工程采用厚800 mm地下连续墙围护结构，共10 幅。地下连续墙施工均采用工字钢的接头形式，水下混凝土强度等级C30，并在每幅地下连续墙接缝处外侧增设3 根Φ600 mm@500 mm高压旋喷桩止水。

挖槽的精度是保证地下连续墙的质量关键之一，施工前应进行成槽检验，确定施工工艺流程，选择操作技术参数。成槽采用液压抓斗按照“跳一挖一”的顺序进行施工，首先施工一序槽，然后施工二序槽，最后施工三序槽（图2）。

图2 槽段跳槽时分段

3.2 泥浆配制技术

泥浆的正确使用是保证挖槽和成槽质量的关键，泥浆在地下连续墙挖槽过程中的作用首先是护壁、携碴、冷却机具和切土润滑。其中护壁又分静止式和循环式二种，工程中由于采用了液压抓斗成槽，主要利用了泥浆的静止式护壁和切土润滑两种作用。

针对工程施工特点，结合工程地质水文情况，泥浆制备采用自来水、膨润土、黏土、CMC（钠羧甲基纤维素）增黏剂和Na2CO3碱性分散剂等，取得良好的止水效果。

3.3 钢筋笼吊放技术

钢筋笼吊装方案根据工程实际中的钢筋笼的大小、质量和主副吊等因素选择了“整体制作、整体吊装、空中整体回直、一次入槽”的方案。

3.4 水下混凝土浇筑技术

导管安装完成后，利用导管输送混凝土并使之与环境水隔离，依靠管中混凝土自重，压管口周围的混凝土在已浇筑的混凝土内部流动、扩散，以完成混凝土的浇筑。

3.5 施工效果分析

地下连续墙槽段采用超声波进行测试，地下连续墙垂直度10 个检测点的监测数据均小于0.14，在国家规范安全范围内，说明本工程地下连续墙稳定性设计符合安全要求；同时钢筋骨架和预埋件的安装无松动和遗漏，标高、位置准确，接缝渗水点24 处，小漏水点5 处，同时未发现较大漏水点，及时采用常规堵漏法封堵，未影响结构正常施工，工程实际证明地下连续墙止水效果良好，满足施工要求。