靳利安 郭運華

文章編號：1006-0081（2019）09-0041-07

摘要：槽壁穩(wěn)定性控制是地連墻施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于傳統(tǒng)基于極限平衡的力學分析方法具有局限性，目前采用優(yōu)化泥漿配比參數(shù)的經(jīng)驗控制方法，但仍未解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題。基于泥漿滲透形成抗?jié)B泥皮的試驗結(jié)果，從泥漿成皮的滲透壓力條件及時間演化規(guī)律出發(fā)，研究了不同開挖階段泥漿有效護壁壓力的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：泥漿護壁壓力在槽壁上的“駝峰”型分布規(guī)律是開挖面附近泥漿護壁壓力不足的直接原因，使開挖面以上5-10m范圍成為穩(wěn)定性薄弱環(huán)節(jié)，通過降低開挖下切速度可有效提高槽壁穩(wěn)定性控制效果。以福州地鐵5號線建新南路站的中砂一黏土交互地層的穩(wěn)定性控制應用為例，對其進行了聲波檢測成像分析，結(jié)果表明該方法可有效控制富水砂-黏土-卵石富水地層60m深地連墻槽壁的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：泥漿護壁;壓力分布形態(tài);槽壁穩(wěn)定性控制;連續(xù)墻施工;福州地鐵

中圖法分類號：TU473.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.010

1研究背景

地下連續(xù)墻是一種常見的基坑圍護結(jié)構(gòu)型式，由于其施工場地占用小、施工過程對周邊環(huán)境影響小且易實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)與建筑外墻合一，在建設場地狹窄的城市重要區(qū)域工程建設中占有十分重要的地位。但地連墻施工需要開挖狹長的深槽，極易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)的工程事故，導致鄰近建構(gòu)筑物沉降超標或機械設備被掩埋。當前，槽壁失穩(wěn)的問題一直未得到很好地解決，成槽開挖和施工機械的使用主要靠經(jīng)驗控制為主，而對開挖過程的科學預見性不足。特別是地質(zhì)條件復雜地區(qū)的槽壁穩(wěn)定性控制是成槽施工的關(guān)鍵和技術(shù)難點。

有學者研究了泥漿護壁壓力的產(chǎn)生機制及穩(wěn)定性控制技術(shù)。李建軍等[1]研究了護壁泥皮的抗?jié)B性能，認為壓差越大，泥皮越致密，抵抗?jié)B透破壞的能力越強;泥皮形成時壓差越大，正、反向滲水的臨界水力梯度越大。劉成等[2]研究了添加輕質(zhì)砂的泥漿在砂性地層中侵入成膜的特征，認為適量添加粗粒材料可有效縮短成膜時間，并降低成膜濾失量，改善成膜效率，但添加量達到一定值時，其改善效果會降低。同時，可用曲線雙參數(shù)模型量化濾失量曲率、成膜時間和成膜階段等成膜特征。楊春鳴等[3]在粗粒土入滲面形成泥皮的基礎(chǔ)上，進行了泥漿滲入粗粒土膠結(jié)體、泥皮和混凝土防滲墻體等共同工作的抗?jié)B特性測試，認為粗粒土單粒平均孔隙體積越小，泥漿在土中滲透形成的泥皮越致密，抗?jié)B性能越好。周云等[4]針對施工中泥漿的性能指標與成槽時的沉渣厚度進行了統(tǒng)計研究。楊光煦[5]分析了槽壁穩(wěn)定機理，提出了判斷孔壁穩(wěn)定性的實用計算公式。葉偉濤等[6]以福州地鐵泥水平衡盾構(gòu)全斷面穿越中粗砂層掘進為工程背景，采用析因設計綜合分析了不同泥漿相對密度和黏度下的單位濾水量、成膜時問和泥皮形態(tài)，以及泥倉壓力和含砂率對泥漿成膜的影響。陳先威等[7]介紹了一種改進的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。上述研究闡述了泥漿工作原理的一些方面，揭示了泥漿單參數(shù)對護壁效果的作用機制，但尚未針對槽段開挖過程的泥漿護壁壓力在時間和空間上的動態(tài)演化過程進行研究。

針對這一現(xiàn)狀，本文結(jié)合開挖下切過程，研究了泥漿護壁壓力在空間上的分布及隨時間的演化過程，揭示了開挖面附近為槽壁穩(wěn)定的瓶頸區(qū)域，提出通過調(diào)整開挖速度控制槽壁穩(wěn)定的施工方法，并應用在福州地鐵5號線建新南站60m深地連墻施工中，檢測結(jié)果證明該方法可有效提高槽壁穩(wěn)定性控制效果。

2工程特點與模型局限

2.1工程背景

福州地鐵5號線建新南路站為地下三層島式站臺車站，車站內(nèi)凈總長151.8m，標準段基坑寬度為24.1m，深度約為24.15m。車站基坑圍護結(jié)構(gòu)采用1m厚地下連續(xù)墻64幅，標準段地連墻頂標高5.3m，底標高-53.3/-54.3m，墻高58.6/59.6 m。

主要地層分布為：①雜填土。主要為人工堆填的黏性土，夾雜有碎石、磚塊、混凝土塊等建筑垃圾，局部含少量中粗砂和淤泥。②填砂。以礫粗砂、中粗砂同填為主，局部夾有少量填石和黏性土，層頂埋深1m（標高5.73m），層底埋深6.8m。③填石。以碎石塊為主，填石粒徑一般為5-35cm，最大粒徑大于130cm，填石含量約60%-90%，空隙由填砂及黏土充填，堆填不均勻。層頂埋深0-0.5m（標高6.42-6.97m），層底埋深1-5.7m。④粉質(zhì)黏土。局部夾少量碎石，層頂埋深1.8-3.3m（標高3.35-5.47m），層底埋深2.7-4.5m（標高1.92 -4.17m），層厚0.2-2.3 m。⑤淤泥夾砂。以黏粒為主，部分夾少量薄層細砂或混有少量砂，層厚2.8-16.0m。⑥（泥質(zhì)）中細砂。以（泥質(zhì)）粉砂和（泥質(zhì)）中砂為主，均含有少量淤泥，級配較差，層厚0.7-13.4m。⑦粉質(zhì)黏土。黏性較好，部分粉粒含量較高，土質(zhì)不均，局部含少量砂。層厚1.4-6.4m。⑧（含泥）中粗砂。粒徑不均勻，上部以中粗砂、礫粗砂為主，局部夾有粉細砂透鏡體及混有少量的淤泥，下部多含礫石、圓礫，層厚2.1-20.1m。⑨卵石。中密為主，飽和，卵石多呈橢球狀，磨網(wǎng)度較好，中等風化，粒徑一般為3-20cm，最大粒徑大于-50cm，含量為55%-85%。該層上部黏性土和礫石含量較高，下部主要為卵石，間隙主要南中粗砂充填。層厚14.6-24m。⑩強風化花崗巖（砂土狀）。風化強烈，巖石堅硬程度屬極軟巖，巖體完整程度屬破碎，巖體基本質(zhì)量等級分類屬V類。層頂埋深55.6-59.5m（標高-52.83 -48.91 m），層底埋深60.34-65.03m（標高-58.37--53.66In），層厚3.1-6.13m，平均厚度4.42m。

初見水位埋深為0.90-3.90m，穩(wěn)定水位埋深為1.50-4.70m。主要含水層為中粗砂和卵石地層，現(xiàn)場鉆孔提水試驗表明砂卵石層為強透水層。

研究區(qū)域的主要地質(zhì)特點是黏土-砂地層交互層疊，垂直方向分布不均勻，且富含地下水。

2.2經(jīng)典分析模型應用局限性

常用的槽壁穩(wěn)定性計算一般采用極限平衡分析方法[8]，一般分為整體穩(wěn)定性分析模型與局部穩(wěn)定性分析模型。

圖1為常用的整體穩(wěn)定性破壞分析模型，基于半網(wǎng)柱體模型的滑動面上極限平衡計算公式[9]為

γc=mz2γw/nz2+（P+W）（sinα-cosαtanφ）-2hc（b/3cosα+z-1htanα/2）/1nz2b（cosα+sinαtanφ） （1）式中，γc為泥漿重度，kN/m3;mz為地下水位到槽底的高度，m;nz漿液面到槽底的高度，m;yw為地下水重度，kN/m3;P為破壞體范圍內(nèi)的地面荷載;W為自重，kN;α為滑動面與水平面的夾角，（°）;φ為滑面摩擦角，（°）;b為泥漿槽段長度，m;h為破壞體厚度，m;z為破壞體高度，m。

槽壁局部穩(wěn)定性分析模型如圖2所示。槽壁的抗局部失穩(wěn)坍塌安全系數(shù)等于泥漿的人滲滲透壓力作用在槽壁面上所產(chǎn)生的土體摩擦力與土顆粒的有效重度之比，有穩(wěn)定性系數(shù)：

Fs=γwi0tanφf/γf-γs

（2）式中，φf為泥漿滲入后土體內(nèi)摩擦角，（°）;in為泥漿滲入到土體中的滯留臨界水力梯度;yf為泥漿滲入后土體容重，kN/m3;γn為泥漿容重，kN/m3。

上述分析模型并未考慮泥漿失水成膜逐步形成抗?jié)B力的時間過程，式（1）將泥漿與地下水自重分量的合力當做護壁壓力，實際上是假設泥皮的抗?jié)B力為兀窮大;式（2）則是簡單地將滲透壓力等同丁護壁壓力，實際上除滲透壓力外，還與泥漿通過泥皮的抗?jié)B作用提供的護壁壓力存在一定差異，且研究區(qū)域的富水非均值地層不滿足經(jīng)典模型的假設條件。

3泥漿有效護壁壓力的空間-時間效應

3.1泥皮成型環(huán)境與最大抗?jié)B力關(guān)系

泥皮在成型過程中，其可承受的最大抗?jié)B力與兩個外部因素直接相關(guān)：①形成泥皮時的滲透壓力;②泥皮靜置時間，即隨著時間增長，泥皮可承受的抗?jié)B壓力會逐漸增長直至極限值。根據(jù)粗泥土泥皮抗?jié)B性能試驗結(jié)果[10]，不同泥漿滲透壓下形成泥皮的最大抗?jié)B力滿足以下冪函數(shù)規(guī)律：

Pmax= -0.0057D-0.92+0.35 （3）式中，Pmax為泥皮可承受的最大抗?jié)B力，MPa;D為泥皮成型滲透壓力，MPa。

粗砂地層在100kPa壓力下不同靜置時間泥皮可承受的最大抗?jié)B壓力滿足以下冪函數(shù)規(guī)律：

Pt=-0.366t-0.17+0.49 （4）式中，Pt為泥皮可承受的最大抗?jié)B力，MPa;t為泥皮成型時間，h。當t取無窮大時，Pt≈Pmax（Pmax=0.45）。在不同成皮條件下，泥皮抗?jié)B能力隨時間的增長曲線在形態(tài)上具有相似性，可將式（4）寫為

Pt=-0.366t-0.17+0.49/0.45*Pmax

（5）

泥皮的抗?jié)B力是成型滲透壓力D與靜置時間t的函數(shù)：

Pt=（1.08-o.81t-0.17）（0.35-o.0057D-0.92） （6）

3.2泥漿容重垂直遞增分布的影響

根據(jù)福州地鐵5號線工程不同槽段36個取樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計，由于泥漿的沉淀效應，沿深度方向每20m泥漿容重增加2%。假設地下水埋深2m，泥漿槽內(nèi)液面高度在地面以下0.5m，則沿槽深不同高程泥皮成型滲透壓力分布見圖3。

由圖3可知，槽內(nèi)泥漿滲透壓力隨深度增加而增大;泥漿配制容重在10.5-12.5kN/m3范圍內(nèi)，同一深度泥漿的滲透壓力隨著泥漿容重的增加而增大，且深度越深，影響越明顯。這說明泥漿配制容熏差異對控制淺層槽壁穩(wěn)定性影響不大，但對于控制深層槽壁穩(wěn)定意義重大。

3.3開挖下切速度的影響

由式（6）可知，Pt的大小與泥皮成型時間長短相關(guān)，若開挖下切速度快，則泥皮成型時間相對較短，初始階段可提供的抗?jié)B力就較小。隨著靜置時間增長，開挖面以上部位泥皮的抗?jié)B強度逐漸增加。同時，泥皮成型滲透壓力D與槽內(nèi)深度有關(guān)，越深的部位，泥皮成型滲透壓力越大，初始階段可提供的抗?jié)B力就越大，但能提供的護壁壓力不會超過泥漿的靜液壓力。因此，槽內(nèi)泥漿提供的護壁壓力隨開挖過程動態(tài)演化。

圖4、圖5給出了泥漿容重為10.5kN/m3與11.5kN/m3時泥漿護壁壓力沿深度的分布規(guī)律（忽略滲透壓力），總體呈“駝峰”型分布。槽壁頂部附近護壁壓力直線增加，為泥漿容重的函數(shù);以下部位受泥皮抗?jié)B強度的影響，成弧形分布形態(tài);開挖面附近則迅速衰減，護壁壓力大小受開挖速度控制。開挖速度由1m/h變化到5m/h時，開挖面上1m處的有效護壁壓力隨開挖速度的衰減規(guī)律如圖6所示。

由圖4-6可得出：

（1）開挖面的護壁壓力隨開挖速度的提高而迅速降低，且開挖速度的影響遠大于泥漿容重的影響。

（2）增大泥漿容重可以有效提高開挖面10m以上范圍泥漿的有效護壁壓力，但對開挖面附近的護壁壓力影響不大。

（3）槽段頂部以下5m范圍內(nèi)的泥漿護壁壓力取決于泥漿容重，基本不受泥漿靜置時間影響。

3.4抓斗運動速度的影響

在開挖過程中，挖斗的形狀、循環(huán)往復的提升和下降速度會影響挖槽中泥漿的流動，使槽壁周圍地基土體的孔隙水應力上升，當泥漿的流動從層流過渡為湍流時，槽壁上的泥皮或土顆粒將會受到?jīng)_蝕，增加局部破壞的可能，甚至有整體失穩(wěn)的風險。根據(jù)挖斗的操作速度Vw、開挖槽口的面積Ak和挖斗所占面積Aw，可以計算出赫斯特羅姆數(shù)為[9]

Hc=tsρs/μs2（4（Ak-Aw）/Pkw）2

（7）式中，（Ak-Aw）為泥漿流的斷面面積，m2; Pkw為泥漿流的濕潤周長，即泥漿與槽壁和挖斗接觸的邊界線周長，m;ρs為泥漿密度，t/m3;t泥漿剪切屈服應力，kN;μs2為泥漿黏滯度系數(shù)，N.S/m2。雷諾數(shù)為

Re=4Awvwρs/μsPkw （8）

將赫斯特羅姆數(shù)相對應的臨界雷諾數(shù)與式（8）對比，即可確定挖斗操作的極限速度。一般來說，直徑為1m的挖斗的操作速度大于1m/s時，就可能發(fā)生湍流，從而影響槽壁穩(wěn)定。

4超深地連墻槽壁穩(wěn)定控制方法

4.1黏土-中砂交互地層失效機制分析

地層中粉質(zhì)黏土、淤泥夾砂、中細砂層的淤泥層、黏土層、砂層呈軟硬交互層疊形態(tài)，且中粗砂和卵石地層為含水強透水地層，埋藏深，厚度大。采用FLAC3d模擬槽段三維開挖，研究槽壁穩(wěn)定性破壞模式。模擬槽段長8m，寬0.8m，模型以槽段短邊中點連成的矩形為對稱面，取一半的槽段及周邊地層，短邊外側(cè)延伸6m，長邊外側(cè)延伸19.6m，槽段深60m，模型深度方向取70m。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，槽壁節(jié)點上按深度方向施加“駝峰”型護壁壓力，采用剪切應變率分析潛在的深層滑移帶，以分析黏土一砂互層層條件下的潛在破壞模式。計算參數(shù)取值見表1。

采用摩爾一庫倫模型，地下水位以下采用浮重度計算槽壁內(nèi)部剪切應變，根據(jù)剪切應變分布判斷土體深層滑移帶形態(tài)。當泥漿護壁壓力不足時，計算的槽壁潛在失穩(wěn)模式見圖7。潛在的破壞存在3個區(qū)域：①頂部的滑移破壞模式;②中砂一黏土交互層區(qū)域，首先出現(xiàn)在淤泥夾砂層，逐漸擴展到中砂層，剪切滑移帶頂部被粉質(zhì)黏土層隔斷;③卵石層，剪切滑移帶被粉質(zhì)黏土層隔斷。計算剪切位移大小依次為區(qū)域①>區(qū)域②>區(qū)域③。

4.2護壁泥漿參數(shù)指標

根據(jù)以上研究，確定福州地鐵5號線泥漿配制應以中砂一黏土交互層的穩(wěn)定性控制為依據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計資料[11]，不同土質(zhì)條件下的泥漿參數(shù)選用范圍見表2。

泥漿黏度對泥皮抗?jié)B強度的增加類似于泥漿靜置滲透時間的效果，但黏度大于30s之后，泥皮抗?jié)B能力增加效果逐漸降低。泥漿相對密度可參考表3選用。

泥漿含砂率可按砂性地層小于5%、黏土地層小于3%的標準配制。參照上述選用及本工程實踐，最終擬定指標為：比重1.06-1.08g/cm3、黏度25-30s、含砂率小于4%、pH值8-9。

4.3開挖速度的控制

控制開挖速度是槽壁穩(wěn)定控制的關(guān)鍵。抓斗作業(yè)過程中，運動速度不得大于1m/s，砂一黏土地層開挖下切速度不宜大于1m/h，必要時可采用靜置1-2h后再繼續(xù)開挖的調(diào)控方法，其他地層可加快下切速度，但也不宜高于3m/h。

4.4強滲透卵石層應急預案

對于強滲透卵石層，在成槽過程中，可能出現(xiàn)泥漿大量漏失、引起槽孔坍塌的情況?？刹捎靡韵?種應對措施：①預灌濃漿。根據(jù)強漏失地層分布情況，預先布置灌漿孔，灌注黏土水泥漿或黏土水泥砂漿，封閉強漏失地層滲漏通道。②投放堵漏材料。準備好黏土、碎石土、鋸末、水泥等堵漏材料，一旦發(fā)現(xiàn)漏漿較大，應及時堵漏。③投放單向壓力封閉劑。單向壓力封閉劑對孔隙及微裂隙漏失，堵漏速度快，效果好，能迅速形成具有一定強度的非滲透性帶，阻止泥漿進入孔壁地層，顯著降低泥漿濾失量，又不影響泥漿流變性能。④在泥漿中添加重晶石粉。重晶石粉能夠增大泥漿密度，并且具有較強的封閉孔壁功能，而且不易沉淀。

5工程應用效果

建新南路站直型墻56幅，L型墻4幅，Z型墻4幅，設計地連墻寬0.8m。選取A-15、A-19、B-30進行工藝試驗，各槽段長分別為5.4m、5.4m、6m。采用傳統(tǒng)的三抓依次成槽一次到底施工工藝，成槽機定位抓斗平行于導墻面，抓斗的中心線與導墻的中心線熏合，抓斗靠其白熏緩速下放，并避免放空沖放。每槽段成槽挖土過程中，抓斗中心每次對準放在導墻上的孔位標志物，以保證挖土位置準確。抓斗閉斗下放，開挖時再張開?？刂谱ザ飞邓俣刃∮?m/s，每斗進尺深度控制在0.3m左右。根據(jù)地層地質(zhì)條件，在深20-35m范圍內(nèi)，控制下切速度不得超過1m/h。同時在槽孔混凝土未灌注之前嚴禁重型機械在槽孔附近行走產(chǎn)生振動。對已經(jīng)實施的64個槽段全部進行超聲波檢測，聲波檢測結(jié)果表明：由于控制了下切速度，雖然在20-35m范圍內(nèi)部分泥漿滲入中砂地層，該段泥皮成型密實，槽段穩(wěn)定性及垂直度均得到有效控制。64幅地連墻無塌孔現(xiàn)象，且地連墻垂直度均不大于1/300，合格率100%。

6結(jié)語

地連墻成槽施工的技術(shù)關(guān)鍵是槽壁穩(wěn)定性控制，其中護壁泥漿的質(zhì)量控制是核心，目前主要依靠工程經(jīng)驗。研究了開挖過程泥漿成皮條件及泥皮抗?jié)B強度的演化規(guī)律，揭示了泥漿護壁壓力作用與槽壁的空間分布、時間演化規(guī)律，對提高槽壁穩(wěn)定控制技術(shù)水平具有熏要意義。研究了槽壁不同高程泥皮抗?jié)B強度隨開挖過程的演化規(guī)律，結(jié)果表明，由于泥漿成皮效果受滲透壓力與時間雙重影響，沿槽壁深度方向，泥漿護壁壓力呈“駝峰”型分布，與傳統(tǒng)的三角形護壁壓力的假設完全不同。研究還發(fā)現(xiàn)，槽壁穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)位于開挖面以上5-10m范圍內(nèi)，主要受開挖下切速度影響，對于危險地段，采用降低開挖下切速度的方法能有效提高泥漿護壁壓力。研究結(jié)果表明，開挖下切速度是控制開挖面附近槽壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。

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收稿日期：2019-04-08

作者簡介：靳利安，男，高級工程師，主要從事城市軌道交通工程技術(shù)及項目管理等方面的工作。E-mail： 361381292@qq.com