复杂地质地下连续墙塌槽原因分析及措施

复杂地质地下连续墙塌槽原因分析及措施

【摘要】针对苏州火车站地铁围护结构地下连续墙成槽过程中出现槽壁失衡、塌槽，造成抓斗被埋的原因，采用弹塑性模型及有限元法分析了微承压水、施工附加荷载及抓斗吸力对槽壁稳定性的影响。并从理论上论证了槽壁两侧进行旋喷加固，对于减小槽壁水平变形和控制破坏区的有效性。

【关键词】地下连续墙；塌槽；原因分析；加固措施

1工程概况

苏州火车站是一个集火车、地铁、长途客运、城市公交为一体的立体交叉的交通换乘站。地上为火车站，地下1 层为综合乘车换乘层，地下2 层及地下 3 层为地铁换乘层。

地铁部分周边采用800mm 宽、40～50m 长的地下连续墙围护结构。连续墙顶标高为－11.3m。

场地位于太湖冲湖及泻湖相沉积的平原区，地势平坦，第四系覆盖层深度较大。100m 以内土层为第四系全新世至上更新世沉积的疏松沉积物，以粘性土为主。按各土层的物理力学性质、沉积环境、成因类型，自上而下分别为：①1淤泥层；①2填土层；③1粘土层；③2粉质粘土层；④2粉质粘土层；④3粉质粘土夹粉土层；④5粉质粘土层；⑤1粘土层；⑤2粉质粘土层；⑥2粉土夹粉质粘土层；⑥3a粉质粘土层；⑥3b粉质粘土夹粉土层；⑥3c粉质粘土层；⑥4粉质粘土夹粉土层；⑦2粉质粘土层。

地下水分为孔隙潜水、微承压水及承压水。微承压水主要赋存于④2及④3层中，由于④2、④3层水平向差异性较大，局部夹较多粉质粘土，其透水性及赋水性为一般～中等。该含水层埋深及厚度均有一定变化，埋深在6.80～12.20m 之间，厚度在1.30～6.50m，对车站施工影响较大。据区域资料，苏州市历年最高微承压水头标高为1.74m；最底承压水头标高0.62m。

2施工问题及原因分析

2.1地下连续墙槽壁塌孔情况

在苏州轨道交通4号线连续墙施工的成槽过程中，连续出现塌孔现象，对工程施工安全、施工质量及施工成本带来不利影响。为此，对地下连续墙成槽用超声波进行了检测（见图1）。

2.2事故原因分析及研究思路

塌槽部位主要在地面以下10～15m 范围，经分析，主要原因有二：

一是由于该地下连续墙深度较大，其槽孔需要穿越第④层粘土层，而该土层粉砂性较重，根据上海地区连续墙施工经验，该土层较容易出现槽壁塌孔的情况。而且该土层存在有微承压水，埋深10m，水头最高标高为1.74m，更加剧了槽壁的不稳定性。

二是该地下连续墙的施工工程量较大，在开挖槽孔时，抓斗频繁上下抓土，带动槽内泥浆，对槽壁反复冲击，产生挤压力及吸附力，在槽壁泥浆护壁上吸附出孔隙，槽壁外围地下水被吸入槽内，同时带动砂层内的粉砂进入槽内，形成局部凹陷的滑动面，造成上面土体整体坍塌，埋住抓斗，导致抓斗脱落。

针对以上原因，对以下内容进行进一步理论分析：

1）分析④层土中微承压水的作用：对比分析不考虑和考虑承压水作用两种情况下，槽壁的水平变形及破坏区出现的规律；

2）由于现场施工机具较多，槽顶作用有较大的施工附加荷载，分析该因素对槽壁变形和产生破坏的影响；

3）分析抓斗的吸力对槽壁稳定性的影响；

4）针对以上分析，考虑在槽壁两侧进行旋喷加固，模拟该措施对减小槽壁水平变形和控制破坏区的有效性。

3有限元计算的实现及结果分析

3.1模型尺寸及边界条件

连续墙在纵向上可以认为无限长，属于平面应变问题，因此采用平面有限元的方法计算。槽壁处于半无限体的地层中，横剖面左右和下方的边界均在无穷远处，根据一般的力学原理，在边界效应的影响可以忽略的前提下选取合适的计算区域。水平方向上取为80m（槽壁两侧留出20m），长度方向取80m。对需要重点分析的区域，单元网格予以加密，如图2 所示。

对于平面应变问题，每个节点有两个自由度，即可以同时发生水平和竖向位移，为模拟实际情况，认为在80m深度处边界节点在两个方向上不能发生位移；两侧边界的节点在水平方向不发生位移；上部地表为自由表面。

3.2有限元参数选取

结合本课题中地层分布情况，并在参考相关土层试验参数的基础上给出计算参数如表1 所示。

泥浆液面高度取地面以下1m，泥浆比重按照1.1kg/cm3选取。模拟中，泥浆压力采用换算等效荷载代替，具体计算公式为：P = γZ，其中γ为泥浆重度；Z为深度。

3.3土体初始应力场计算

计算初始应力场的目的是为了确定开挖前土体的初始应力和位移，以便在第一步分析中能够平衡掉这一部分应力的影响，使得最后的结果能够准确地反应由于开挖引起的变形。对于无限大的水平地面，在任意面上均无剪应力，可以采用以下公式来计算初始应力场：

σZ0=γh

σx0=K0σZ0 （1）

τxZ0=0

式中σZ0———初始有效竖向应力；

σx0———初始有效水平向应力；

τxZ0———初始剪应力；

γ———土的容重，在地下水位以上的是湿容重，地下水以下的为浮容重；

h———计算点深度；

K0———静止侧压力系数。

3.4计算结果分析

1）微承压水对槽壁稳定性的影响分析含有粉性和砂性的土体在承压水作用下，很有可能引起土体的流失，进而发生塌孔的现象。该项研究模拟了两种不同的工况，第一种工况不考虑④层中的微承压水；第二种工况为考虑④层中的微承压水作用。其中在第二种工况中，为模拟微承压水的影响，将④层土体的力学指标予以适当降低。其计算结果如图3 和图4 所示。

由计算结果可知，④层微承压水对于槽壁的水平变形影响很大。考虑承压水作用后，由于④层土的粉砂性较重，引起槽壁出现很大的水平变形，槽壁周围土体出现破坏，主要发生在④层的顶部和底部，而④层以上和以下土体的力学性质较好，没有出现明显的破坏区。因此，④层土体的粉砂性以及微承压水是引起槽壁塌孔的重要原因。

2）施工附加荷载对槽壁稳定性的影响分析

一般在施工过程中都有成槽机在槽孔侧部地面上施工，因此需要模拟该附加荷载的作用。附加荷载计算长度取为15m，荷载值考虑到实际施工机具的重量，取20kN/m2（见图5）。

计算结果如图6 和图7 所示。由于施工附加荷载的作用，使得土体中的附加应力增大，出现最大水平变形的位置上移，符合一般规律。土体的塑性区主要集中在④层土的顶部和底部。

3）抓斗吸力对槽壁稳定性的影响分析

由于该槽的深度较大，因此成槽机的抓斗频繁抓土，容易在抓斗下方局部范围内引起负压力。长此以往，对槽壁稳定性造成不利影响。

由于负压影响，抓斗下方2m 范围内泥浆对槽壁的压力进行适当折减。当抓斗位于开槽面10m 范围以上时，将泥浆压力减为0；当抓斗位于开槽面10m 范围以下时，将泥浆压力在原压力的基础上减小100kN/m2。

取两个典型断面进行分析。产生负压范围分别位于开槽面下8～10m 和30～32m 范围，建立有限元模型。最终计算结果如图8、图9 所示。

由计算结果可知，当负压产生于开槽面下8～10m时，负压所在区域产生的位移较大，对该处槽壁的稳定性产生不利影响；当负压产生于开槽面下30～32m 时，负压所在区域位移虽有所增加，但位移最大值位于第④层土下方位置。两种情况下的位移比较如图10所示。

由计算结果可知，在抓斗频繁抓土过程中，会对10～20m范围内土体产生不利影响。由于本工程连续墙开挖较深，抓斗取土次数频繁，因此，在抓取底部土方时，由于长时间的影响，10～20m 范围内土体极易发生塌陷。

4）槽壁两侧土体加固效果分析

对连续墙槽壁两侧采取加固处理，可有效避免基槽坍塌事故的发生。有限元模拟中开槽两侧土体各采用85cm长的加固，加固深度24m（加固至第4 层土下2m范围）。计算得槽壁侧水平变形如图11 所示。

由计算结果可知，加固后槽壁的最大水平变形仅2.05cm，能很好地满足施工要求，发生在加固底部1m 范围内。因此，槽壁两侧土体加固可有效避免槽壁坍塌问题。

4结论

1）考虑承压水作用，由于④层土的粉砂性较重，该层的上部和下部土体均出现明显的破坏区。④层土体的粉砂性以及微承压水是引起槽壁塌孔的重要原因。

2）施工附加荷载的作用，使得土体中出现最大水平变形的位置上移；土体的塑性区主要集中在④层土的顶部和底部。

3）由于本工程连续墙开挖较深，抓斗取土次数频繁，因此，在抓取底部土方时，由于长时间的影响，10～20m范围内土体极易发生塌陷。

4）加固后槽壁的最大水平位移仅2.05cm，能很好地满足施工要求，发生在加固底部1m范围内。因此，加固土体可有效避免槽壁坍塌问题。

总之，第④层土体较严重的粉砂性和施工机具频繁的扰动，是造成槽壁塌孔的主要原因。为了满足施工安全及质量要求，需对槽壁两侧进行加固。计算分析表明，该措施可有效地避免槽壁坍塌。

根据以上分析，对槽壁进行了高压旋喷桩加固。加固后，塌槽问题得到了较好地解决。

参考文献

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