超深地下连续墙槽壁稳定性探讨

危 伟

（中铁二十四局集团有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

地下连续墙技术的应用较为广泛，但在实际应用过程中槽壁的稳定性问题没有得到较好地解决。由于地下连续墙槽壁的稳定性影响因素较多，且相关技术人员缺乏足够的认识，缺乏科学的预见性，导致无法有效地控制地下连续墙槽壁失稳现象。超深地下连续墙槽壁稳定性与工程整体的施工质量、施工效率有很大的关系，而泥浆质量与槽壁稳定性有着直接联系。本文借助有限差分技术，引入强度折减等相关概念，通过分析与计算，得出地下连续墙槽壁稳定性的对应安全系数。

1 超深地下连续墙槽壁失稳机理

1.1 整体稳定性

在超深地下连续墙开挖工程中，通过对槽壁失稳现象进行调查与分析可知，槽孔开挖深度一般在20m以上，槽壁失稳现象通常发生在10m~20m的土层中，导墙的正下方会出现土体鼓出的情况，并且在地表面沿着槽长布展，大多为椭圆形。通常情况下，当泥浆降至地下水位大概1m位置处会出现槽壁失稳现象，在槽壁失稳状态中，地基变形速率为0.1mm/h。根据泥浆护壁开挖槽段稳定的三维显示，越靠近地表，土体的稳定性越差，通过离心试验可知，当地面有超载现象时，更容易出现槽壁失稳情况。通过对三维数值的分析可知，当施工条件正常时，导墙对槽壁的稳定性没有较大的影响；泥浆液面和地下水位之间的高度差相对稳定时，地下水位越低，整体稳定性则变得越差。

1.2 局部稳定性

在地基土体中，如果出现软夹层，则会对局部稳定性产生较大的影响，甚至造成超挖情况，从而使得混凝土灌注充盈系统变大，大大增加施工的成本，并且施工难度也会随之增加。除了土体剪切强度之外，槽壁周边地基的渗透也会影响局部的稳定性。泥皮形成之前，泥浆的渗透会出现渗透力，以确保槽壁局部的稳定，一旦渗透力与槽壁的土压力无法保持平衡的时候，则会导致槽壁局部出现失稳现象。

1.3 土拱与时间效应

利用有限元法对槽段开挖周边地基土体的主应力分布进行分析，可知土拱效应对应力重分布有较大的影响，并且部分槽段的中部土压力会发生转移，从而降低失稳的压力，由此可见，土拱效应对开挖稳定性有一定的积极作用。同时，在时间的作用下，开挖卸荷引发的地基土体空隙应力会逐渐消散，从而使槽壁周边的土体发生位移，导致稳定性大大降低，与黏性土相比，高渗透的砂性土的发生时间会更短。所以，在具体施工中应加快施工速度，以确保稳定性。

2 超深地下连续墙槽壁稳定性的影响因素

2.1 地下水位

根据力学理论可知，当泥浆压力比地下水压力大的时候，并且可以与部分土压力处于平衡状态时，才能够充分发挥护壁作用。所以，泥浆液面和地下水位保持合理的高差是槽壁稳定性的有效控制条件。通常情况下，泥浆液面应比地下水位至少高出1m或者1.5m。离心模型、室内模型等都是根据增加地下水位、降低泥浆液面的高度等方法建立的，部分失稳现象的出现可能是由于断层、裂隙等情况导致跑浆，使得泥浆液面低于地下水位，从而造成失稳；也可能是洪水的出现使地下水位上升，并高出泥浆液面，从而造成失稳。地下水位和泥浆密度之间的关系如图1所示。地下水位越高，失稳的可能性就越大，平衡所需的泥浆密度则越大。

图1 地下水位和泥浆密度的关系

2.2 泥浆性质

通常情况下，护壁泥浆使用的是膨润土，主要由蒙脱石黏土组成，遇水会发生水化反应，没有添加剂的时候，在咸水中会发生絮凝现象。在开挖护壁中，弱胶结性质主要有两方面的作用，一方面，有助于使部分土颗粒悬浮，减少浮泥出现；另一方面，当泥浆向孔隙的周边渗透时，孔隙被黏土颗粒堵塞之后，便会快速在槽壁上形成泥皮，确保泥浆静态压力作用在槽壁上，对抗槽壁周边土体的水土压力[1]。

2.3 土质条件

地基土质抗剪强度指标对槽壁的稳定性有着较大的影响，土体的内摩擦角越小，槽壁便越容易出现坍塌现象，土体的密实度对槽壁稳定性也会有一定的影响。内摩擦角对安全系数的影响如图2所示，在4°~8°范围内，一般情况下内摩擦角越大，槽壁的稳定性越强。在泥浆护壁下，黏性土具有较高的密实度，很容易形成泥皮，当黏聚力越大的时候，泥浆容重则越小。对于非黏性土，其空隙比较大，在渗透土层一定距离之后，在胶凝作用下则会停止渗透，并在槽壁形成泥皮，由此可见，土质的条件、颗粒大小等，对槽壁稳定性有着较大的影响。当土质较差的时候，则没有中间颗粒，孔隙便会比较大，无法形成泥皮，而泥浆的渗透距离过长，造成一定的流失，大大降低了槽壁的稳定性。

图2 内摩擦角对安全系数的影响

2.4 施工因素

地下连续墙槽壁的稳定性和施工有着密切关系。首先，开挖机械重量、振动等对开挖稳定性有不利影响，在开挖之前，通常会埋设1m~2m的导墙，以把控开挖垂直度，确保临空面土体的稳定。如果开挖时间过长，或者槽孔静置过久，那么泥浆则会沉淀或者絮凝，容重相对变小，导致稳定性大大降低[2]。最后，形成超载情况，超载的重量及分布等都会影响稳定性。在施工过程中，地面的荷载、机械振动等所产生的动荷载，对槽壁稳定性非常不利。

3 超深地下连续墙槽壁稳定性的数值计算

3.1 强度折减法

超深地下连续墙槽壁的稳定性通常使用安全系数进行评价，其主要是在极限平衡状态分析方法基础上的一种评价指标，而数值计算则是与其并行的一种方法，比较侧重于破坏机理。超深地下连续墙槽壁稳定性的安全系数，指的是槽壁到达破坏的临界值时，实际的抗剪强度与临界破坏折减后的剪切强度两者之间的比值。该方法是通过对土体强度指标进行不断调整，直到临界破坏时得出折减系数，属于安全系数。FLAC3D是一种专业的岩土工程分析软件，计算功能非常强大，通过借助该软件求解安全系数的时候，先设定一个较大的黏聚力数值，改变土体应力，并找出力平衡的时步，然后对设定的安全系数执行时步。如果不平衡力、典型内力比率小于10-3，那么体系便达到了力平衡；如果比率大于10-3，则需要再次执行时步，一直到小于10-3时，开始新一轮的折减计算[3]。

3.2 数值计算模型

超深地下连续墙的宽度方向，构建对称平面计算模型，宽5m、高80m，总共为1560个单元。左边界属于对称边界条件，开挖宽度是0.5m，深度是67m；右边增加X向水平约束，前侧与后侧增加Y向的水平约束，在底部增加X、Y、Z固定约束。同时，第一层承压水头增加-4m~-17m的单元上面，第二层承压水头增加-17m~-33m的单元上。在具体施工过程中，地下连续墙从开挖至混凝土灌注，耗时较短，因此，槽壁稳定性只需要考虑静力平衡条件。

3.3 承压水与稳定性

承压水头对超深地下连续墙槽壁稳定性有着较大的影响，在-17m~-33m的地下连续墙槽壁中，受到承压水头的作用影响，出现坑内位移，且具有一定的流砂趋势，地下连续墙槽壁的稳定性较低。数值计算的结果与安全系数存在出入，主要是因为在计算安全系数的时候，从槽壁的整体压力与泥浆压力平衡方面着手考虑，在计算数值的时候，则从承压水作用下槽壁的局部稳定方面考虑，所以，FLAC3D的计算结果具有较高的可靠性。在无承压水的地层开挖时，槽壁会在泥浆压力作用下，逐渐向外挤压，泥浆和周围土体的压力则处于平衡状态。所以，当地层有承压水的时候，应调整泥浆容重、液面高度，以提升槽壁的稳定性[4]。

3.4 泥浆参数

通过对泥浆液面高度、容重的提升，加大泥浆的黏度，减小含砂率，有效提升泥浆护壁的效果。由于数值计算具有一定的相似性，对泥浆容重、液面高度等参数选择展开探究。地下连续墙槽壁稳定性的安全系数与泥浆液面高度、容重等呈近似正比关系。如果泥浆容重是12.5kN/m3，泥浆液面与地面持平的时候，安全系数为1.04；如果泥浆容重是14.5kN/m3，泥浆液面比地面高出2m的时候，安全系数为2.3。由于泥浆容重难以超过13kN/m3，通过调整泥浆液面的高度，泥浆容重配置为12.5kN/m3，并将泥浆液面高度增加1m左右，安全系数则会达到1.4，从而确保地下连续墙槽壁的稳定。

4 超深地下连续墙槽壁稳定性控制措施

4.1 制作导墙与型钢处理空槽

在软土层地带，应用现浇L形的钢筋混凝土导墙，标准的导墙深度为1.5m，深导墙的深度为2.0m~2.5m，其厚度大于0.25m。通过对地下连续墙的上方10m空槽进行有效处理，确保在临近连续墙施工的时候可以顺利成槽。一般情况下，使用混凝土在空槽位置进行浇筑，然后在开挖之后清除上方的混凝土。但是这样的方法不仅浪费资源，还浪费人力。当首开幅完成混凝土浇筑的时候，在型钢中间填充素土，然后在闭合幅施工完成之后，将空槽中的部分型钢进行回收[5]。

4.2 避免成槽机等设备的影响

在成槽机施工处与钢筋加工处，使用混凝土硬化。在成槽施工过程中，在停机处铺设4cm的钢板。在成槽过程中，应坚持慢放、平稳入槽与出槽等原则，尽量避免动荷载对槽壁造成较大的影响。在挖槽过程中，成槽机抓斗、导墙的中心线重合，抓斗一侧靠近画线处，确保设计的稳定，将导板面调整至能够顺利入槽。当挖深超出导墙的底部之后，开始注入泥浆，确保泥浆面和导墙的上部之间保留0.3m~0.5m的空间，当处于2.5m的开挖范围之内的时候，尽量不要移动机具，并随机纠偏，确保垂直度。

4.3 合理控制地下水位的高度

遇到软土层或者流沙层的时候，成槽过程应慢速推进，并适当增加泥浆的密度，保证槽段内部的液面比地下水位至少高出0.5m，当槽段成孔之后，放入钢筋，浇筑混凝土，缩减挖槽与混凝土浇筑之间的时间，使地下水位下降，以降低水流冲击。

4.4 严格把控泥浆质量与处理工艺

对于护壁泥浆的配比，水∶膨润土∶CMC∶纯碱=100∶（8~10）∶（0.1~0.3）∶（0.3~0.4）。当在复杂地质条件下，可以适当加大泥浆占比。若增加膨润土无法满足相应的需求时，还可以添加重晶石，从而提升泥浆的比重。在配置泥浆的时候，在搅拌机加水旋转之后，均匀加入膨润土，然后依次加入CMC、纯碱、定量水，在搅拌之后，添加膨润土水溶液再次搅拌，并在储浆池内放置24h后投入使用。

5 案例分析

以某地铁工程为例，某站总长为206m，标准段宽为19m，车站的埋深为18 m，地下连续墙的最大深度为40m，宽度为6m，厚度为1m，施工难度比较大，且地质中含有淤泥质土、黏土、液化砂层等。该位置初见水位的埋深是1.8m~4.1m，初见水位的标高是2.1m~5.1m，稳定位的埋深是0.3m~3.6m，稳定水位的标高是3.1m~6.5m。

在地下连续墙的施工过程中，在泥浆护壁情况下，使用挖槽机械开挖沟槽，当开挖到设定好的深度，并将沉淀物清除干净之后，将钢筋骨架调入沟槽里面，然后灌注混凝土到标高处，成为一个单元槽段，每一个单元槽之间使用接头连接，形成混凝土墙。

结合工程地质水文实际情况，合理控制槽段竖向分层、泥浆的配比。在成槽期间，由专门的工作人员使用量具测量槽深，依据竖向分层的情况，及时向槽内填充泥浆，增加相应的监测次数，并适当调整泥浆的指标，以保证在泥浆性能指标内。超深地下连续墙的成槽时间比较长，通常需要18h~24h之间，并且成槽机械较重，在成槽机等设备工作区域铺垫钢板，以此分散压力，防止地面超载造成土体侧压过大，使得槽壁出现坍塌现象。在深槽内开挖的时候，抓斗通常借助液压设备等进行抓土，如果土质过硬，挖土效率会大大降低。在地下水位比较高的砂土中，槽内泥浆液面较低或者性能指标差、槽壁受到震动等，会导致槽壁出现坍塌现象。因此，在抓斗入槽与出槽的时候，应保证匀速进行，控制好垂直度。在抓斗施工过程中，将速度控制在1m/s之内；在黏土或者砂土等土层开挖时，将下切速度控制在1m/h之内；在其他地层中，可以适当增加下切速度。针对特殊槽段，可以在其周边预先注浆进行加固；针对施工作业，通过合理把控施工进度，防止在成槽期间停工时间较久而出现坍塌现象。

6 结束语

复杂地质条件下超深地下连续墙槽壁的稳定性受到地下水位、泥浆性质、土质条件、施工技术等多种因素影响。通过利用强度折减法对槽壁稳定性的数值进行计算，并采取合理的应对措施，制作导墙与型钢处理空槽，控制泥浆质量与处理工艺，合理控制地下水位的高度等，防止槽壁失稳现象的发生，确保槽壁的安全。