超深地连墙施工对软弱地层扰动现场试验研究

李惠丽，唐寅伟，刘 维，史培新

1)苏州大学轨道交通学院，江苏苏州 215137；2)无锡地铁集团有限公司，江苏无锡 214021

地下连续墙因具有刚度大、噪声小、整体性强、防渗性和耐久性好等优点，被广泛用于城市软土深基坑的开挖支护[1]．在过去的20年中，中国长江三角洲地区建造了约760座地铁车站，其中约650座采用了地下连续墙为基坑围护结构．在地连墙为围护结构的基坑施工过程中，地层变形主要发生在地连墙施工阶段、基坑开挖阶段以及基坑开挖完成后的土体固结和次固结阶段[2-4]．研究表明，如果控制不当，地连墙施工引起的地表沉降可达到总沉降量的30%～50%[5-7]，对周边建筑物和地下管线的正常运营造成隐患．因此，对地连墙施工引起的地层扰动进行研究显得尤为重要．

国内外许多专家都对地连墙施工进行了现场监测研究[3,5-13]. CLOUGH等[14-15]对许多工程监测数据进行统计，发现地连墙成槽施工引起的地面沉降平均约为槽深的0.08%，最大约为0.15%，沉降在平行槽段方向呈正态分布，而在垂直槽段方向随距离线性衰弱．MOHAMED[13]在CLOUGH等[14]的研究基础上对监测数据进一步补充和分析，发现单幅槽段施工引起的土体侧向位移最大可达20 mm，地表沉降平均约为成槽深度的0.09%．然而，已有的现场监测分析对地连墙施工过程中的地层变形的规律关注较少．

本研究以中国江苏省苏州地铁5号线某车站基坑工程为背景，通过测量土体侧向位移、地表沉降、土体深层沉降、建筑物沉降和土压力变化，研究了地连墙施工中地层扰动机理及地层变形规律．本研究可为类似软土地层中地连墙施工提供参考．

1 工程概况及监测方案

1.1 工程概况

如图1，苏州地铁5号线某车站基坑呈东西向．为便于施工，将车站基坑分为A、B、C 3个子基坑分段开挖，并采用地连墙作为围护结构．A基坑大致呈梯形布置，基坑东西长约86.0 m，南北宽约26.0 m．基坑北侧邻近建筑物，建筑物为框架结构，采用柱下独立扩展基础，基础埋深为-3.5 m．基坑北侧离建筑物最近距离为4.3 m．现场场地自上而下依次分布有 ① 杂填土、② 粉质黏土、③ 粉土夹粉砂、④ 粉质黏土、⑤ 粉土夹粉砂和⑥ 粉质黏土．各土层的厚度H、 重度γ、 弹性模量E、 有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′见表1．现场实测潜水初见水位标高为0.64～1.20 m，稳定水位标高为0.81～1.63 m，微承压水赋存于粉土夹粉砂土中，赋水性中等，该微承压水稳定水头标高为0.77 m．

A基坑北侧地连墙槽段采用4.5 m和6.0 m两种分幅长度，槽段深度均为48.0 m．地连墙穿越的土层抗剪强度低、压缩性大、灵敏性高，易受现场施工扰动．现场研究以幅长均为6.0 m的相邻3幅地连墙NQ-22、NQ-23和NQ-24施工为对象展开全程监测．

图1 基坑平面示意图(单位：m)Fig.1 Plane view of the site(unit：m)

土层H/mγ/(kN·m-3)E/MPac′/kPaφ′/(°)①3.518.58.44.012.0②14.019.011.311.014.2③5.019.118.710.027.4④13.519.121.227.523.1⑤10.018.625.44.024.8⑥—18.531.022.627.0

1.2 监测方案

监测方案布置如图2，测斜管CX-1布置在槽段北侧距离槽段2.0 m，深度为50.0 m；分层沉降管同样布置在槽段北侧距离槽段2.0 m，深度为45.0 m，分层沉降管中磁感应环安装深度分别为：-5.0 m(② 粉质黏土)，-12.0 m(② 粉质黏土)，-20.0 m(③ 粉土夹粉砂)和-29.0 m(④ 粉质黏土)．土压盒布置深度分别为-4.0 m(② 粉质黏土)，-11.0 m(② 粉质黏土)和-20.0 m(③ 粉土夹粉砂)．地表沉降观测点主要布置在槽段南侧，沿着垂直于槽段方向不等距布置，最远距槽段达到10.0 m．沿着沉降观测断面，在建筑物南北两侧各布置一沉降观测点B-1和B-2．

图2 监测布置图(单位：m)Fig.2 Instrumentation plane(unit：m)

地连墙工程采用“跳打法”进行施工．NQ-23从2017年4月21日10∶00开始成槽，持续12 h；从22∶00开始混凝土浇筑，持续8 h；22日06∶00施工结束．NQ-22从4月25日11∶00开始成槽，持续12 h；23∶00开始混凝土浇筑施工，连续施工12 h；26日11∶00施工结束．NQ-24从5月2日06∶00开始成槽施工，持续12 h；当天18∶00开始浇筑混凝土，持续8 h；施工至5月3日02∶00．地连墙施工过程中，现场监测频率为4 h/次．

2 监测结果分析

2.1 侧向位移

图3为3幅相邻地连墙施工引起的土体水平位移变化．其中，图3(a)显示NQ-23施工各阶段的土体侧向位移随深度变化包括成槽、混凝土浇筑和混凝土硬化．成槽阶段侧向位移明显，位移最大值发生在地表，约为20.0 mm；土体侧向位移随着深度增加逐渐减小，地表以下10.0 m范围内位移明显，10.0 m以下土体位移小于1.0 mm．混凝土浇筑阶段，由于混凝土对槽壁的挤压作用，土体侧向位移反向减小，地表侧向位移从20.0 mm减至7.5 mm，规律与成槽阶段相似．混凝土硬化阶段，侧向位移出现小幅增加，地表位移从7.5 mm增至12.5 mm，分布规律与前两施工阶段类似．

图3(b)为NQ-22施工时土体侧移规律，与NQ-23类似．成槽阶段最大位移从12.5 mm增至14.0 mm，位移主要发生在地表以下10.0 m范围内并且随深度增加而减小，10.0 m以下深度土体侧向位移较小．混凝土浇筑阶段，土体侧向位移反向减小，地表侧向位移从14.0 mm减至12.5 mm．混凝土硬化阶段，侧向位移出现小幅增加，从12.5 mm增至13.5 mm．

图3(c)为NQ-24施工时土体侧移分布规律，与NQ-23和NQ-22类似．地表侧移在成槽阶段从13.5 mm增至16.5 mm，土体侧向位移主要发生在地表以下10.0 m范围内且随着深度增加而减小，10.0 m以下深度位移较小．混凝土浇筑阶段，土体侧向位移发生反向减小，地表土体水平位移从16.5 mm减至12.5 mm．混凝土硬化阶段，侧向位移出现小幅增加，从12.5 mm渐增至15 mm．

总体而言，随着NQ-23、NQ-22和NQ-24的连续施工，土体侧移累积增大[16]，地连墙施工引起的浅层土体侧移也较明显，且位移随深度增加而减小．地表10.0 m以下土体侧移变化较小，这是因为浅层土体刚度较小，容易受到扰动，而深层土体刚度较大，不易受到扰动．

2.2 地表沉降

地连墙施工期间的地表沉降变化如图4．北侧沉降点距离槽段由近到远依次为N-1和N-2，南侧沉降点距离槽段由近到远依次为S-1、 S-2、 S-3和S-4．NQ-23施工地表沉降变化相对明显，如图4(a)．地表沉降最大值约为17 mm，发生在S-1处，且随离槽段距离的增加而减小．在成槽阶段地表沉降变化明显，约占NQ-23施工沉降的90%左右．在混凝土浇筑阶段，地表沉降继续累积但发展缓慢．混凝土硬化阶段，地表沉降则趋于稳定，变化微小．

图3 土体水平位移Fig.3 (Color online) Variation of lateral displacement

图4 地表沉降图Fig.4 (Color online) Development of ground surface settlement

NQ-22施工时地表沉降发展规律如图4(b)所示，最大地表沉降发生在S-1，随着离槽段距离的增加而减小．在成槽阶段，地表沉降迅速增大．混凝土浇筑阶段，地表沉降继续发展但增幅较小．混凝土硬化阶段， 地表沉降变化微小且趋于稳定． NQ-24施工时地表沉降规律与NQ-23和NQ-22类似．

2.3 土体分层沉降

槽段NQ-24、NQ-23和NQ-22施工过程中，土体分层沉降发展规律类似，如图5所示．分层沉降点从浅到深依次为M1、M2、M3和M4．成槽阶段，分层沉降快速增大；混凝土浇筑阶段，分层沉降累计发展但增幅较小；混凝土硬化阶段，分层沉降变化很小，基本趋于稳定．相邻两幅地连墙施工引起的分层沉降变化相对较小，这表明分层沉降主要受到正对地连墙施工影响．在整个施工过程中，分层沉降明显小于地表沉降，且深度越深，分层沉降越小，说明地连墙施工对浅层土体扰动较大，使得地表沉降和浅层土体沉降较大，地连墙施工对深层土体扰动较小，深层土体沉降变化也较小．

图5 分层沉降图Fig.5 (Color online) Variation of subsurface settlement

2.4 建筑沉降

以建筑物两侧建筑沉降监测点为例，B-1距离槽段22.2 m，B-2距离槽段5.0 m．地连墙施工过程中的建筑沉降变化如图6．NQ-23施工时B-2处建筑沉降变化比B-1大．成槽阶段，B-2处建筑沉降由0发展至3.8 mm，B-1处建筑沉降由0发展至0.8 mm．混凝土浇筑阶段，建筑沉降继续发展但变幅较小，B-2处建筑沉降从3.8 mm发展至3.9 mm．混凝土硬化阶段，建筑沉降变化微小．

图6 建筑沉降Fig.6 Building settlement

NQ-22施工时建筑沉降规律与NQ-23类似，建筑沉降变化微小．在成槽阶段，B-1处建筑沉降由1.0 mm发展为1.4 mm，B-2处由4.7 mm增长为6.2 mm．混凝土浇筑阶段，建筑沉降继续累积但变化较小．在混凝土硬化阶段，建筑沉降变化则很小．

NQ-24施工时建筑沉降规律与NQ-23和NQ-22类似．在成槽阶段，B-2处建筑沉降从7.2 mm增至8.8 mm．在混凝土浇筑与硬化阶段，建筑沉降增幅很小．

与地表沉降相比，在整个施工过程中建筑沉降均非常小，这主要是由于建筑物采用桩基础，桩基础持力层沉降较小使建筑物沉降相应较小，另外建筑物的结构刚度对沉降控制起到了积极作用，建筑拥有自身调节沉降的能力．

2.5 建筑倾斜

在NQ-23地连墙施工结束后，建筑倾斜发展为0.11%，随着NQ-22的施工，建筑倾斜继续小幅增大，建筑倾斜达0.14%，NQ-24施工完成后，建筑倾斜趋近于稳定，建筑倾斜达到了0.16%．NQ-23施工对建筑倾斜影响最大，相邻槽段引起建筑倾斜较小．根据国家建筑规范[17]，该建筑的倾斜应小于规范允许值0.4%，现场建筑倾斜明显小于允许值，这表明现场地层变形控制较好，且建筑物自身的强度和刚度对建筑倾斜起到了抑制作用．

2.6 土压力

地连墙施工过程中不同深度处土压力变化如图7．泥浆压力随深度分布规律为

δs=γszs

(1)

其中，δs为泥浆重度；zs泥浆水头高度；γc为混凝土重度．

灌注混凝土侧向压力随深度满足双线性分布规律[18]：

(2)

其中，z为地面以下深度；γb为膨润土重度；hcrit为临界深度，根据现场土层情况，临界深度取5.0 m．

地连墙施工过程中，土压力在泥浆压力和混凝土压力之间波动，土压力在成槽开挖阶段呈下降趋势，在钢筋混凝土施工阶段下降趋势停止并出现显著上升，在混凝土凝固阶段，再次出现轻微下降并趋于稳定．

图7 土压力变化规律Fig.7 (Color online) Variation of earth pressure

NQ-22、NQ-23和NQ-24的土压变化规律见图7．由图7(a)可见，NQ-23成槽开挖引起地层应力释放，地表以下4.0 m深度处的土压力减小至初始应力(δhi)的79%；混凝土浇筑过程中，混凝土侧向压力对地层应力进行补偿，土压力迅速上升至初始应力的137%；混凝土硬化过程中，混凝土侧向应力逐渐消失，使得地层应力转而继续释放，土压力变为成槽前初始应力的96%．地表以下11.0 m和20.0 m处的土压力变化规律与地表以下4.0 m处相类似，-11.0 m处土压在成槽结束后，变为初始值的91%，混凝土浇筑完成后，上升至111%，混凝土硬化之后，土压力变为97%．-20.0 m处土压在开挖成槽结束后下降为97%，混凝土浇筑后，土压达到初始应力的103%，之后稳定为99%．浅层土压力变化比深层变化更明显，表明浅层土体受到扰动较大．

如图7(b)，NQ-22和NQ-24的土压变化规律与NQ-23类似，但变化幅度较小，NQ-23施工时土压力波动比NQ-22和NQ-24施工阶段更为明显，说明正对槽段施工对地层影响较大，相邻槽段施工影响较小．现场土压力变化规律较好地揭示了地层变形机理．

3 监测结果对比

MOHAMED[13]对以往土体水平位移监测数据进行分析，将土体水平位移变化分为3个区域．其中区域Ⅰ的土层以黏土为主，地层变形较小；区域Ⅱ以砂性黏土与粉质黏土居多，产生一定的土体水平位移；区域Ⅲ主要为砂性土，位移较大．通过两条拟合曲线把区域分开，区域Ⅰ位于下边界以内，区域Ⅱ处于上下边界之间，区域Ⅲ位于上边界以外，下边界为

(3)

上边界为

(4)

其中，H为深度；Hmax为槽深．本研究土体侧向位移监测数据主要位于下边界以内，土层变形控制较好，在H/Hmax<0.1范围内，位移处于上下边界之间，说明浅层土体扰动较大，这与现场土层条件相吻合．本研究依托地连墙工程的土体水平位移研究与MOHAMED[13]所得结果的对比可通过扫描论文末页右下角二维码查看．NQ-23成槽开挖过程中土体水平位移变化最为明显，H/Hmax<0.2范围内浅层土体产生了明显侧向位移，且随深度增加，位移渐减，最大位移发生在地表；H/Hmax>0.2范围内的土体侧向位移较小．在浇筑混凝土阶段，由于混凝土对槽壁的挤压作用，土体水平位移减小．在混凝土硬化阶段，土体水平位移发生小幅增长并趋于稳定．该工程地连墙成槽施工中深层土体刚度较大[5-6]，受到扰动较小，浅层土体受一定程度扰动且引起地层变形，变形程度在控制范围内，这说明成槽过程中采用的地层控制措施产生了一定的积极作用．

基于CLOUGH等[14]的研究，分析地表沉降分布规律，对比以往监测研究发现，在CLOUGH等[14]建议曲线之外，沉降较大，土层主要为砂性土；在CLOUGH等[14]建议曲线之内，土层条件主要为黏土与粉质黏土，沉降相对较小．本文对依托地连墙工程的地表沉降研究与CLOUGH等[14]研究的数据对比可通过扫描论文末页右下角二维码查看．NQ-23成槽开挖过程中，地表沉降变化最为明显，将地表某处距地连墙槽段的水平距离定义为L， 在L/Hmax<0.4的范围内，随着水平距离的增加，地表沉降迅速减小，当L/Hmax>0.4时，地表沉降趋近为0，这表明地连墙成槽施工对地表沉降的影响范围是有限的．在混凝土浇筑与硬化阶段，沉降变化较小并趋于稳定．与以往研究对比发现，现场地表累积沉降均在CLOUGH等[14]建议之内．这表明地连墙成槽开挖过程中，土体受扰动所产生的地层变形在控制范围内，现场采取的地层控制措施在一定程度上有效抑制了土体位移和地层变形，这与本研究现场地层条件相吻合．

结 语

本研究以苏州地铁5号线某车站地连墙施工为工程依托展开监测，研究了相邻地连墙连续施工对周边地层变形的影响．地连墙施工对地层扰动的影响可大致分为3个阶段：成槽阶段、钢筋混凝土施工阶段和混凝土凝固阶段．成槽阶段地层应力释放，地层变形较大；混凝土施工阶段，混凝土浇筑对地层应力有补偿作用，使土体变形减小；混凝土凝固阶段，地层应力继续释放并趋于稳定，地层变形很小．研究发现，地表以下H/Hmax<0.2范围内的浅层土体受到施工扰动较大，土体变形较明显；随着深度的增加，土体变形迅速减小；深层土体受到的地层扰动较小，土体变形也较小．研究表明，3幅相邻地连墙施工过程中，正对槽段地层变形明显，约占总变形的70%左右，相邻槽段施工对地层变形累积增加，但变化幅度较小．