王中軍

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司,山西太原 030024)

0 引言

蘇州站改造工程屬于國鐵地鐵合建結(jié)構(gòu),地上兩層,地下三層,地下一層為進(jìn)出站口和地下廣場,地下二層為軌道交通 2號線的站臺層和軌道 4號線的站廳層,地下三層為軌道 4號線的站臺層?；娱_挖為坑中坑的結(jié)構(gòu)形式,國鐵大坑采用土釘加放坡進(jìn)行支護(hù),地鐵 2號、4號站基坑采用地下連續(xù)墻支護(hù)。地下連續(xù)墻墻體厚度 0.8m,深度 33～57m。其中 2號線站基坑深度 17m,連續(xù)墻入土(過基坑底)深度40m;4號線站基坑深度 23.4m,連續(xù)墻入土深度 28 m。地下連續(xù)墻作為地鐵站圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼做上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),屬復(fù)合式承重連續(xù)墻,其墻頂在自然地面以下 10m左右,存在大量異型連續(xù)墻如 L型、T字型等。

工程區(qū)域內(nèi)土層為第四系沉積疏松沉積物,以粘性土為主,間夾砂性土。各土層如圖1,受人類活動影響明顯的土層有淤泥層和填土層,呈流塑或松軟狀,埋深 1.5～4.7m,③2粉質(zhì)粘土層可塑為主,局部軟塑,④2粉質(zhì)粘土層為軟塑 ～流塑,④5粉質(zhì)粘土層為軟塑,局部為流塑,⑤2粉質(zhì)粘土層為可塑 ～軟塑,⑥3a粉質(zhì)粘土層軟塑為主,局部可塑,⑦2粉質(zhì)粘土層可塑,底部因粉粒含量高,呈流塑狀,對連續(xù)墻成槽影響較大。工程區(qū)域內(nèi)地表水系極其發(fā)育,常年水位(黃海標(biāo)高)1.10～1.30 m,其年變幅 1 m左右,地下水分為孔隙潛水、微承壓水及承壓水。微承壓水主要賦存于(4)及(4)1層粉質(zhì)粘土中,其透水性及賦水性一般 ～中等。承壓水含水層主要為粉土夾粉質(zhì)粘土,其透水性及賦水性一般 ～中等。微承壓水及承壓水對車站施工影響較大。

由于本工程復(fù)雜的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在槽壁施工中極易發(fā)生塌孔,造成槽壁失穩(wěn)。在此條件下施工可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)很少,需要我們自己探索。因此結(jié)合蘇州站改造工程地下連續(xù)墻工程,評價(jià)槽壁的穩(wěn)定性與安全性,研究地下連續(xù)墻施工槽壁加固技術(shù),具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 地下連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)機(jī)理

(1)整體穩(wěn)定性。對連續(xù)墻開挖工程中槽壁失穩(wěn)情況的調(diào)查和試驗(yàn)研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然槽孔的開挖深度通常都大于 20m,但是失穩(wěn)往往發(fā)生在表層或深度約 2～20 m內(nèi)的淺土層中,在導(dǎo)墻正下方的土體可以觀察到有膨鼓的現(xiàn)象,失穩(wěn)破壞在地表面上會沿整個(gè)槽長展開,基本呈橢圓形[1-2]。失穩(wěn)通常發(fā)生在泥漿高度降到地下水位以下約 1m的時(shí)候,失穩(wěn)時(shí)地基的變形速率在 0.1mm/h的量級。泥漿護(hù)壁開挖槽段穩(wěn)定性的三維分析顯示,在接近地表面位置土體的穩(wěn)定性最差。離心試驗(yàn)還顯示,地面有超載情況下,淺層失穩(wěn)更容易發(fā)生。因此,表層或淺層失穩(wěn)是泥漿護(hù)壁開挖的主要失穩(wěn)形式。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

(2)局部穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)鼗馏w有軟弱夾層時(shí),開挖的局部穩(wěn)定性將受到威脅,常常會引起超挖現(xiàn)象。導(dǎo)致后續(xù)灌注混凝土或防滲材料的充盈系數(shù)增大,增加施工成本和難度。除了受土體的剪切強(qiáng)度影響外,泥漿槽壁的局部穩(wěn)定性還受向槽壁周圍地基滲入的影響。在泥皮形成前,泥漿滲入將產(chǎn)生滲透力,以維持新開挖面即槽壁上土體的局部穩(wěn)定。當(dāng)滲透力無法與槽壁土壓力平衡時(shí),泥漿槽壁將產(chǎn)生局部失穩(wěn)[3]。

2 影響地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性因素分析

(1)微承壓水對于槽壁穩(wěn)定性的影響分析。含有粉性和砂性的土體在承壓水作用下,很有可能引起土體的流失,進(jìn)而發(fā)生塌孔。模擬兩種不同的工況,第一種工況不考慮④層中的微承壓水,第二種工況考慮④層中的微承壓水作用。由計(jì)算結(jié)果可得到,兩種工況槽壁變形如圖2?？梢钥闯?考慮承壓水作用后,由于④層土的粉砂性較重,引起槽壁出現(xiàn)很大的水平變形。同時(shí),由槽壁塑性區(qū)分布計(jì)算可知,④層土的槽壁周圍土體出現(xiàn)破壞,主要發(fā)生在④層的頂部和低部,而④層以上和以下土體的力學(xué)性質(zhì)較好,沒有出現(xiàn)明顯的破壞區(qū)。因此,④層土體的粉砂性以及微承壓水是引起槽壁塌孔的重要原因。

(2)施工附加荷載對于槽壁穩(wěn)定性的影響分析。一般在施工過程中都有成槽機(jī)在槽孔側(cè)部地面上施工,因此需要模擬該附加荷載的作用。附加荷載計(jì)算長度取為 15m,荷載值考慮到實(shí)際施工機(jī)具的重量,取 20 kN/m2。將荷載作用在槽孔一側(cè)。計(jì)算結(jié)果如圖3所示,由于施工附加荷載的作用,使得土體中的附加應(yīng)力增大,出現(xiàn)最大水平變形的位置上移,符合一般規(guī)律。同時(shí)土體的塑性區(qū)主要集中在④層的頂部和底部。

圖2 承壓水作用對比

圖3 考慮施工附加荷載對比

(3)泥漿性能對槽壁穩(wěn)定影響的分析。加大泥漿比重和提高泥漿液面的高度可以明顯的提高槽壁穩(wěn)定性,根據(jù)計(jì)算,安全系數(shù)隨泥漿密度和泥漿液面高度增大而線性增大的規(guī)律[4]。槽壁長度對槽壁穩(wěn)定性也有重要影響,對于矩形的孔,當(dāng)槽壁長度較小時(shí),由于孔壁周圍土體在挖槽過程中會產(chǎn)生拱效應(yīng),從而減少了主動土壓力,提高了穩(wěn)定安全度。

3 保證地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定的措施

根據(jù)以上對地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的理論分析,針對其在施工過程的關(guān)鍵位置和關(guān)鍵影響因素,采取有效的施工控制措施。

(1)制作標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)墻及型鋼圍擋處理空槽。在表層土軟弱的地帶采用現(xiàn)澆 L形鋼筋混凝土導(dǎo)墻,標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)墻深度 1.5 m,深導(dǎo)墻深度 2.0～2.5m,導(dǎo)墻厚不小于 0.25m。詳見圖4所示。

圖4 蘇州站改造工程導(dǎo)墻斷面(單位:mm)

由于連續(xù)墻頂不在地面,要對上部 10 m空槽進(jìn)行處理,以保證相鄰連續(xù)墻槽段施工時(shí)能夠正常成槽,通常做法是將空槽部分連續(xù)墻用素混凝土澆筑至地面,在開挖后將上部混凝土破除,這樣既浪費(fèi)混凝土,又浪費(fèi)人工。改進(jìn)方法是采用連續(xù)墻接頭相同型號的型鋼用來作為空槽兩邊的圍擋,在圍擋中間填土,很好的解決了空槽處理問題。具體做法是在鋼筋籠吊裝時(shí),將圍擋H型鋼下部與接頭 H型鋼通過卡板連接并固定,圍擋 H型鋼上部通過槽鋼在地表固定在導(dǎo)墻上。在首開幅連續(xù)墻混凝土澆筑完成后,在型鋼中間回填素土,待閉合幅施工結(jié)束后,收回空槽部分型鋼。

(2)減小成槽機(jī)等設(shè)備的影響。成槽機(jī)施工區(qū)域及鋼筋加工場地采用混凝土進(jìn)行硬化,成槽機(jī)成槽施工時(shí),在該停機(jī)位置下應(yīng)鋪設(shè) 4 cm厚的鋼板。在成槽過程中遵循“慢提慢放、嚴(yán)禁滿抓,平穩(wěn)入槽,平穩(wěn)出槽”的原則,減少動荷載對槽壁的影響。挖槽時(shí)成槽機(jī)抓斗中心線與導(dǎo)墻中心線重合,抓斗一端緊靠劃線位置,并保證成槽機(jī)平穩(wěn),導(dǎo)板面調(diào)整到能自然入槽。待挖深超過導(dǎo)墻底后再往導(dǎo)墻內(nèi)輸送泥漿,隨挖隨注入泥漿,使泥漿面與導(dǎo)墻頂保持 0.3～0.5 m的距離。在 2.5m的挖掘范圍內(nèi),不準(zhǔn)移動機(jī)位、更換司機(jī),隨時(shí)進(jìn)行糾偏,以保證垂直度。

(3)合理控制地下水位標(biāo)高。在軟弱土層或流砂層成槽時(shí),應(yīng)采取慢速掏進(jìn),適當(dāng)加大泥漿密度,控制槽段內(nèi)液面高于地下水位 0.5 m以上,槽段成孔后,緊接著放鋼筋籠并澆筑混凝土,縮短挖槽時(shí)間和澆筑混凝土間隔時(shí)間,降低地下水位,減少沖擊和高壓水流沖刷。

(4)采用高壓旋噴樁加固。對連續(xù)墻槽壁兩側(cè)采取加固處理可有效避免基槽坍塌問題的發(fā)生。槽兩側(cè)土體各采用 Ф800@600高壓旋噴樁加固,加固深度 24m(加固至第 4層土下 2 m范圍)。在加固之前,運(yùn)用有限元軟件對加固土體進(jìn)行了計(jì)算,由計(jì)算結(jié)果可知,加固后槽壁的最大水平變形僅 2.05 cm,能有效滿足施工要求,發(fā)生在加固底部 1m范圍內(nèi)。

(5)嚴(yán)格控制護(hù)壁泥漿原料和制作及處理工藝。由試驗(yàn)確定,一般可按下列質(zhì)量配合比試配:水∶膨潤土∶CMC∶純堿 =100∶(8～10)∶(0.1～0.3)∶(0.3～0.4)。在特殊的地質(zhì)和工程的條件下,泥漿的比重需加大,如只增加膨潤土的用量不滿足要求時(shí),可在泥漿中摻入重晶石,達(dá)到增大泥漿比重的目的。

制備泥漿用攪拌機(jī)攪拌過程為:攪拌機(jī)加水旋轉(zhuǎn)后緩慢均勻地加入膨潤土,分別加入 CMC、純堿和一定量的水,充分?jǐn)嚢韬蟮谷肱驖櫷恋乃芤褐性贁嚢杈鶆?。攪拌后流入儲漿池待溶漲 24 h后使用。

4 施工效果

按上述控制措施組織實(shí)施,加固后的連續(xù)墻成槽施工很順利,對地下 15m處加固后開挖出的土體土體與前期沒有加固時(shí)開挖出的土體進(jìn)行對比,土體形狀有明顯改善。還對槽段進(jìn)行了超聲波檢測,結(jié)果表明槽壁沒有發(fā)生塌方現(xiàn)象。

5 結(jié)論

結(jié)合工程復(fù)雜地質(zhì)和成槽施工工藝,分析了連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)的機(jī)理,重點(diǎn)應(yīng)用土力學(xué)理論和有限元分析方法,分析微承壓水、施工附加荷載、泥漿性能等對連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性影響。在此基礎(chǔ)上,制定有效的施工控制措施,取得了良好施工效果,保證連續(xù)墻成槽施工質(zhì)量,為同類工程施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]王軒.矩形地下連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)機(jī)理及分析方法研究[D].南京:河海大學(xué)土木工程學(xué)院,2005.

[2]王立彬,燕喬.深厚覆蓋層防滲墻槽壁穩(wěn)定影響因素及提高穩(wěn)定性措施[J].災(zāi)害與防治工程,2008(2):27-31.

[3]劉海卿,于海峰,于波.深層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定機(jī)理研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2006,6(8):1011-1013.

[4]雷國輝,王軒,雷國剛.泥漿護(hù)壁開挖穩(wěn)定性的影響因素及失穩(wěn)機(jī)理綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(1):82-86.