地下连续墙在深基坑工程中的应用发展研究

朱 江，雷元新

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528000）

地下连续墙技术起源于欧洲，1958年我国在青岛月子口水库首先采用圆桩连锁式地下连续墙作为防渗墙。进入21世纪，随着城市地下工程的规模不断扩大，越来越多的结构类地下连续墙以其组合或变异方式，被有针对性地用于各种地质与环境条件下的超大型深基坑工程中。

1 地下连续墙支护体系的发展

最早出现的是素混凝土地下连续墙，主要作为深基坑的止水帷幕用于截水、防渗，由于没有钢筋笼或型钢，故不能作为结构构件来受力。当场地狭窄，大型地下连续墙施工设备难以操作，可采用柱列式地下连续墙，如图1所示。当在一个单元槽段内配置整片的钢筋笼时可形成板式地连墙，这是最常用的一种结构类地下连续墙形式。该地下连续墙受力和变形的整体性好于素混凝土柱列式。日本于1992年研发出一种高强、薄壁的预制箱形型钢地下连续墙，来满足对厚度薄、强度高的要求[1]。

板式地下连续墙在深基坑工程中应用最多，有直线形和折线形两种，形状如图2所示。

图1 柱列式地下连续墙

图2 板式地下连续墙

在城市密集区的深基坑工程中，由于采用内支撑困难较大，而外拉锚索的使用受到限制，过多地增加地下连续墙厚度并不经济，通过设置异型地下连续墙，如T形和π形等结构体系[2]，如图3a～b所示，增大墙体的抗弯刚度，适用于场地狭窄、基坑较深、变形控制较严的情况[3-5]。

对某些特殊体型的建（构）筑物、设备基础等，当采取沉井法或其他适当的施工技术工法时，则可将其支护做成圆形或方形节段化的地下连续墙，如图3c所示。对圆形节段化支护还可利用其拱圈效应，充分发挥混凝土抗压强度高的优势，减少基坑变形。

除了有平面布置上与壁板式地连墙不同的异型地下连续墙，还可以利用竖向构造不同的结构体系来形成异型地下连续墙。针对墙体嵌岩困难，为满足墙体的稳定性和变形控制要求，可在地下连续墙体下设置局部嵌岩的桩，形成支腿式地下连续墙[6]，如图3d所示。根据基坑深度及支承压力的大小需要，沿深度可采用变墙厚度地下连续墙，如图3e所示。

在某些特殊场地，需要墙体的抗弯刚度很大，但施工技术或加大墙体厚度受到限制，异型地连墙也不能满足要求时，可通过多个单元槽段在平面上进行组合，形成封闭的格构形地下连续墙，格构形地下连续墙的工作机理既利用墙体的抗弯能力，也利用墙体在宽度上的效应起到重力式挡土墙的作用，如图3f所示。

图3 异型地下连续墙

近年来，深基坑工程逐渐向着大、繁、杂转变[7]，悬臂式地下连续墙满足不了基坑的安全和稳定，因此，根据场地情况需要，出现了不同组合支护形式：地下连续墙+内支撑、地下连续墙+锚索等体系，如图4所示。此外，根据对基坑开挖周边场地复杂性以及经济效益的考量，出现了将地下连续墙作为地下室主体结构与基坑围护墙的结合，即两墙合一。不仅避免了临时基坑支护的浪费，而且还解决了施工占用宝贵场地问题，提高了土地的利用率，有利于可持续发展。地下连续墙的结合方式有单一墙、复合墙、迭合墙[8]，如图 5 所示。

图4 组合支护地下连续墙

复合墙是将主体结构的外墙组合在地连墙内侧，在两者中间填充隔绝材料（如衬垫材料），使地下连续墙和外墙竖直方向的变形互不影响，但水平变形相同。迭合墙是通过把地下连续墙内侧凿毛或用剪力块将其与主体结构外墙连接起来，形成整体，在结合部位传递剪力，墙体刚度大。由此，也就拓展了不同形式的地下连续墙在大型深基坑工程中应用前景[9]。

图5 地下连续墙的结合方式

2 地下连续墙结构分析方法

随着深基坑工程和计算机技术的发展，地下连续墙结构分析方法经历了不同的发展阶段，从早期的经典计算方法到现在常用的荷载结构分析方法，而发展方向是连续介质有限元分析方法[9]。

2.1 经典计算方法

经典计算思路是先计算出地下连续墙体上的水、土压力，并假设墙体、支撑的小变形不会对水、土压力产生影响。计算方法如下：通过经典土压力理论（朗肯土压力及库伦土压力理论）计算来确定地下连续墙的荷载（包括土压力、水压力等）；进行一些边界条件的合理假定；确定出地下连续墙的嵌固深度；按力学模型计算出地下连续墙的最大弯矩值以及最大弯矩所在截面，据此来计算出配筋量并对截面按强度完成配筋设计。经典计算方法包括静力平衡法、单支点等值梁法、多支点等值梁法等。日本学者山肩帮男考虑基坑开挖过程中对地连墙内力的影响变化，提出“山肩帮男法”[10]对经典计算法进行修正和完善，其他代表方法还有弹性法和弹塑性法。经典计算方法对土压力大小和边界条件的确定与实际工程情况有一定差距，难以满足复杂基坑工程的设计要求。

2.2 荷载结构分析方法

目前，常用的地下连续墙荷载结构分析方法为平面弹性地基梁方法。其假定地下连续墙结构为平面应变问题，取单位宽度的挡墙作为一个竖放的地基梁。此模型将墙体看作支撑在弹性支座上的梁，墙前土层以及作用在墙体上的约束用一系列弹簧代替。土对地下连续墙结构的地基反力用土弹簧模拟，地基反力大小与挡墙变形有关。

取长度为b0的地下连续墙结构作为分析对象，列出变形微分方程

其中，EI为围护结构的抗弯刚度；y为围护结构的侧向位移；z为深度；ea（z）为z深度处的主动土压力；m为地基土水平抗力比例系数；hn为第n步的开挖深度。

平面弹性地基梁法模型不能反映具有空间效应的基坑三维变化规律。空间弹性地基板法是在竖向平面弹性地基梁基础上发展起来的空间分析方法，建立基坑三维支护体系计算模型并采用有限元方法求解，可以解决具有明显空间效应的深基坑支护结构变形问题[11-12]。荷载结构分析方法能较好地反应基坑开挖和回填时支护结构的变化情况，但该法将墙后土体压力值假设为恒定值，没有考虑墙体的位移对土压力的影响。

2.3 连续介质有限元分析方法

采用连续介质有限元方法模拟整个地基的应力和应变随基坑开挖的变化情况，由此可以得到三维空间地下连续墙支护结构的内力、变形以及周边土层变化等信息，过去通常采用二维平面问题求解[13]，随着计算机技术的发展，国内外学者已开始采用三维有限元方法来考虑基坑开挖中的时空效应[14]。其优点是不需要对土压力进行计算，更真实可靠地模拟土体与结构的共同作用，同时模拟地下连续墙在各种约束条件、不同施工工况的墙体内力和变形。弥补经典计算方法和荷载结构方法的不足。现在，工程结构分析中应用的有限元软件有ABAQUS、PLAXIS等。

3 地下连续墙施工技术发展

3.1 成槽设备和工法的发展

最初始的地下连续墙成槽施工工具是冲击钻，20世纪50年代，意大利研发出在轨道上行走的蚌式转斗，用于成槽施工；20世纪50年代后期，又出现单头回转钻机。20世纪60年代，日本研制出多头回转钻机，并在深基坑工程中得到广泛推广。20世纪70年代后期，意大利、德国、日本相继开发出了双轮铣槽机。根据工作原理的不同，常用的成槽机械设备可以分为挖斗式，冲击式和回转式三类。各成槽工法的优缺点见表1。

表1 各成槽工法的优缺点

在地下连续墙开挖过程中，成槽施工是整个施工过程中重要的一环，地下连续墙成槽施工流程一般包括导墙施工、沟槽开挖与泥浆护壁、清渣与泥浆置换、钢筋笼吊放、混凝土浇筑、墙段接头处理6个阶段，通过对成槽过程的环境影响及控制分析[15-16]，得到影响槽壁稳定的主要因素为:泥浆比重、槽壁土体性质、地下水位、地面超载等。因此，槽壁的稳定是保证地下连续墙墙体施工质量好坏的关键。为了防止槽壁失稳，可采用以下控制措施：1）减小槽段长度；2）对不良地层进行预加固，增加土体的黏聚力；3）提高泥浆的质量（选用粘度大，失水量小的泥浆）；4）抬高泥浆液面或降低水面以增大槽内外的液面高差；5）缩短成槽至地下连续墙混凝土浇筑成形的时间。

3.2 导墙的作用与形式

地连墙在成槽之前，应先构筑导墙，确定地连墙的轴线和控制其标高。作用有：成槽导向、稳定上部土体、防止槽口坍塌等。常见断面形式3种：倒L形、“][”形及L形，如图6所示。

图6 常见导墙断面形式

3.3 泥浆护壁

3.3.1 泥浆的性能与作用

在天然土体状态下，若垂直向下开挖会破坏土体的平衡，槽壁容易发生坍塌。性能良好的泥浆能确保成槽时槽壁的稳定，防止坍方，同时对保证混凝土的浇灌质量起着极其重要的作用。泥浆护壁机理，如图7所示。护壁泥浆应具有以下性能：物理稳定性、化学稳定性、适当比重、较好触变性、泥皮良好的形成性。泥浆的性能从护壁功能发展到冷却和润滑钻机、携渣、和抗污染等多种功能。其材料从最初的黏土自然造浆发展到膨润土等多种外加剂的组合。泥浆种类见表2。

图7 泥浆的作用机理

表2 常见泥浆种类

3.3.2 泥浆处理

地连墙成槽至成墙过程中，泥浆会受到污染而使质量恶化。因此，需要对泥浆进行处理。处理方法因成槽方法而异。具体分为物理再生处理和化学处理[9]，物理再生处理又分为重力沉淀和机械处理两种，重力沉降处理是利用泥浆与土渣的相对密度差使土渣产生沉淀的方法，机械处理是使用用专业除砂除泥装置回收。

3.4 钢筋笼吊装技术的发展

地下连续墙钢筋笼不仅要满足结构强度的要求，还需要在加工、存放、运输、吊立竖直过程中有足够的刚度，不会发生过大的弯扭变形，同时要有足够的混凝土保护层厚度，避免发生露筋现象。常见吊装步骤：1）使用双机抬吊法将钢筋笼水平吊起；2）升主吊，放副吊，将钢筋笼凌空吊直放入槽段内，如图8所示。随着地下连续墙的开挖深度越来越深，厚度也越来越大，所需的钢筋笼质量也越来越大，吊装难度也增加[17]。为了解决刚度小、质量大、垂直度高的巨型钢筋笼吊装入槽问题，可考虑采用有限元软件对整个吊装过程进行数值模拟和对比分析，并结合常规计算，编制出最优吊装方案[18]。

图8 钢筋笼吊装示意图

3.5 接头形式的发展

3.5.1 施工接头

由于地下连续墙是分槽段或分环节浇筑，槽段或节段单元连接处就成了墙体中的薄弱部位，易出现渗漏及水土流失现象，所造成的地层损失甚至会危及周边建筑的安全。另外，当地下连续墙受力呈现空间效应时，即地连墙的接头将承担竖向、水平方向的剪力以及横向弯矩等，这就要求地下连续墙接头应有一定的抗剪、抗弯强度和足够的刚度。因此，合理地设计地下连续墙接头形式尤为重要。

近年来，出现了许多地下连续墙的施工接头形式，按槽段竖向拼接有[19-21]：锁口管接头、预制接头、工字形钢板接头、接头箱接头，如图9所示。按环节段水平方向拼接的，除将竖向受力钢筋进行搭接、对接焊、套筒驳接外，辅以止水的接头有：平口预埋止水带接头、楔口式接头、平（楔）口中嵌遇水膨胀止水条、楔口压力注浆式接头，如图10所示。采取沉井法施工时，这些接头可参考水平施工缝的接头设计。

图9 竖向施工接头形式

图10 水平向施工接头形式

锁口管接头是地下连续墙应用中较多的一种，优点是造价比较低，但其在施工中顶拔比较困难，止水效果不好。预制接头沉放后无需顶拔，简化施工流程；但在施工过程中螺栓孔位易出现偏差，造成接头偏斜。工字形钢板接头施工方便，止水效果优于锁口管，但是造价较高。接头箱接头优点是止水效果好，但成本较高。关鹏提出了一种新型改良后的填混凝土箱式接头，如图11所示，对施工性能做了一些改良[22]，在武汉地区应用成功，并降低了造价。

图11 填混凝土箱式接头

3.5.2 结构接头

结构接头是当地下连续墙作为永久结构的一部分或全部的时候，为了传递剪力和弯矩，需要与结构梁、楼板、混凝土隔墙（剪力墙）有效连接而在地下连续墙体内预埋或预留构件。接头质量的好坏关系到整个建筑物能否正常使用。

常见与结构梁接头形式有预埋连接钢筋接驳器、预埋连接钢板，如图12所示。与结构楼板接头形式有预埋连接钢筋和预埋剪力连接件[23-24]，如图13所示。与地下室隔墙连接方式有预埋连接钢筋和预埋剪力槽[25]，如图14所示。其他接头形式还有钻孔钢筋连接和套管连接，如图15所示。钢筋预埋法的优点是构造简单，施工方便，但对直径大的钢筋扳直困难。预埋连接钢板法接头受力性能较好，但是需要现场焊接。钻孔钢筋法定位准确，又不会损坏墙体内钢筋，可用来处理其他方法无法解决的部位。

图12 与结构梁接头形式

图13 与结构板接头形式

图14 与混凝土隔墙接头形式

图15 其他结构接头形式

4 地下连续墙技术现状分析

4.1 设计现状分析

国内地下连续墙设计模型主要采用弹性地基梁法进行分析计算，并结合数值模拟进行验证[26]，对于基坑平面形状复杂，宜考虑空间效应的三维分析，采用三维弹性地基法计算更为合理。荷载结构法的关键要获取准确的m值，而工程中m值的选取多凭工程经验，缺乏理论支撑[27]。此外，该法不能较好模拟基坑的实际工况。有限元法中由于土的本构关系及参数的选取比较复杂，缺乏适应各种土质的本构模型。因此，如何合理选取模型参数依然重要。

针对特殊基坑场地的开挖以及支护结构选型计算受限于现有的计算理论，异型组合地下连续墙结构形式的设计需要结合工程师的工程经验和理论进行，同时需要有限元进行模拟验证，以及监测数据的支持。

4.2 地下连续墙施工现状分析

现阶段，地下连续墙施工只有地方性规范，如广东地区的《地下连续墙规范》，尚无全国统一性的施工规范。施工操作不当易造成槽壁失稳和墙体渗漏，影响基坑稳定。因此，施工机械的精准度和施工人员的操作水平要进一步提高。针对异型地连墙沟槽的开挖，需要与之相适应的施工机具设备。不合适的施工设备会影响施工效率，增加工期。深基坑工程周边场地条件复杂，易出现突发状况，施工人员要根据实际情况合理调整施工方案。

5 地下连续墙工程技术的发展趋势

5.1 组合体系发展趋势

作为挡土止水的组合支护地下连续墙的结构形式将越来越丰富。目前，出现了T型地下连续墙与锚杆等的组合支护结构形式。根据地下连续墙的承载和渗透稳定要求，今后地下连续墙墙体的断面形式不再局限于长条形，可以出现上厚下薄的断面形式[28]。受力的地连墙可以越来越厚，但作为防水结构的地下连续墙越来越薄。根据实际工程需要和成本控制，会出现更多的不同刚度和强度的地下连续墙。

5.2 设计发展趋势

地下连续墙的计算理论正在不断发展中；三维有限单元法中实用土的本构模型以及参数合理选取方法正在逐步完善；组合地下连续墙结构受力特点及计算理论正逐步发展并应用到工程实际中。

5.3 施工发展趋势

随着地下连续墙往深大方向发展，其成槽精度、防渗防漏及成墙混凝土表面质量等要求也越来越高，施工方式将向信息化转变，BIM技术因其可以利用预先搜集到的土性参数模拟地下连续墙的施工工况和工期，提高基坑工程的安全性，在深基坑工程施工中将得到重视[29]。成槽施工工具将向更先进的、乃至可调节成槽宽度尺寸的铣槽机等设备发展[17]，以满足超薄、超深甚至是变厚度的地下连续墙的施工要求。随着地下连续墙墙底嵌固、墙身拼接与连接构造技术的成熟和突破，预制地下连续墙将得到推广和应用[30]。施工接头的好坏直接影响地下连续墙的防渗性能，图13所示CXJ接头（新型柔性橡胶接头），因其防渗效果好、施工便捷、成本经济，在地下连续墙墙支护中有着良好的应用前景[31]。

图16 CXJ接头

6 结语

随着地下空间的开发利用的需要，超大、超深基坑将会大量涌现，采用普通及变异型式地下连续墙或组合式地下连续墙作为基坑的支护体系也会越来越多，由于支护形式及支护体系的改变，对现有的计算理论及设计方法提出了新的挑战，设计者要对不同组合支护体系的地下连续墙结构进行分析，构建出适合其受力特征的计算模型，将是设计中极为重要而又关键的难点环节，需要下足功夫钻研才能解决。在特殊场地条件下，对包括以地下连续墙为基本支护结构的各种组合支护体系开展适应性研究，有着非常重要的工程意义和较高的工程应用价值。