姚燕明 景 浩 杜云龍 夏 銘 狄宏規(guī)

（1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，315012，寧波；2. 宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，315048，寧波；3. 同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，正高級(jí)工程師）

城市地下空間開發(fā)與利用已成為提高城市容量、緩解城市交通、改善城市環(huán)境的重要手段。隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快，發(fā)展超深地下空間將成為未來城市建設(shè)的趨勢(shì)。城市軌道交通密集的線路與車站建設(shè)不可避免地對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。作為軟土地區(qū)成熟的基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻因其安全性和穩(wěn)定性被廣泛使用。但隨著基坑開挖深度的不斷加大，含有軟弱黏土和砂粉土的復(fù)雜地層中超深地下連續(xù)墻施工則面臨著成槽時(shí)間長、施工難度大、槽壁穩(wěn)定差等難題。

為明確超深地下連續(xù)墻施工所引起的地層擾動(dòng)，確保成槽精度，國內(nèi)外學(xué)者從施工技術(shù)、現(xiàn)場試驗(yàn)、模擬優(yōu)化等方面對(duì)超深地下連續(xù)墻的成槽過程展開了研究。對(duì)其施工技術(shù)的研究主要包括成槽施工方法、泥漿控制、鋼筋籠吊裝和水下混凝土灌注等［1-3］。也有部分學(xué)者在上海、天津、寧波等典型軟土地區(qū)進(jìn)行超深地下連續(xù)墻現(xiàn)場試驗(yàn)［4-6］，以評(píng)價(jià)軟土地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定性，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。此外，文獻(xiàn)［7］通過建立有限元模型還原槽段施工全過程，并研究槽段寬度、泥漿重度等參數(shù)對(duì)變形控制的影響。文獻(xiàn)［8］通過數(shù)值模擬，從地層條件、施工參數(shù)等方面研究了微承壓水地層中超深基坑地下連續(xù)墻的成槽穩(wěn)定性問題。文獻(xiàn)［9］基于庫侖理論提出了槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式。雖然目前對(duì)于超深地下連續(xù)墻成槽施工的研究已經(jīng)比較成熟，但對(duì)施工過程的模擬還較少。

為研究超深地下連續(xù)墻銑槽工藝對(duì)地層的擾動(dòng)，本文依托寧波城市軌道交通3 號(hào)線兒童公園站工程，開展110 m 超深地下連續(xù)墻現(xiàn)場試驗(yàn)，并通過通用有限元軟件模擬銑槽機(jī)成槽施工。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了超深地下連續(xù)墻成槽過程中引起的槽壁變形和地層擾動(dòng)，可為軟土地區(qū)超深地下連續(xù)墻成槽施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

寧波市軌道交通3 號(hào)線兒童公園站為地下3 層島式站臺(tái)車站，位于興寧路與中興路路口東北側(cè)，西側(cè)為中興路，采用明挖順作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻共計(jì)193 幅，其中19 幅深為50.41 m，171 幅深為76 ～77 m，3 幅深為110 m（即為試驗(yàn)槽段）。110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)槽段位置如圖1 所示。建設(shè)場地揭示其土層類別可分為黏土、黏土-粉砂互層土、粉細(xì)砂和全-中分化泥質(zhì)砂巖共4 大類。各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

擬建場地地下水類型主要為第四系孔隙潛水、孔隙承壓水。其中孔隙潛水主要賦存于淺部的填土、黏性土層中。表部填土結(jié)構(gòu)松散、空隙大、富水性差、透水性較好；淺部黏性土層的富水性、透水性均較差，地下水埋深的季節(jié)性變化幅度為1.0 m 左右，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.3 m ～2.7 m。對(duì)本車站基坑有顯著影響的主要是I-2 層孔隙承壓水，其賦存于8-1 層粉細(xì)砂中，滲透系數(shù)約為10-2cm/s，透水性屬中等，水量大，單井開采量為200 ～1 000 m3/d，系市區(qū)地下水主要開采層之一。

兒童公園站作為換乘車站，基坑埋深較深，不可避免地涉及到I-2 層承壓水的處理。考慮到該層承壓水深、厚，且涌水量大等特點(diǎn)，為減少基坑降水對(duì)周邊的影響，本車站采用超深地下連續(xù)墻來完全隔斷I-2 層承壓水。

圖1 110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)槽段位置示意圖

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 110 m 超深地下連續(xù)墻成槽試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)布置

為探索銑槽機(jī)施工工藝在超深地下連續(xù)墻施工中的極限，驗(yàn)證百米級(jí)的超深地下連續(xù)墻在軟土、砂粉土等復(fù)雜地層中施工的可行性，掌握超深地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定及對(duì)周圍環(huán)境影響的控制方法，依托于寧波軌道交通3 號(hào)線兒童公園站基坑工程，共選取3 幅槽段進(jìn)行了110 m 超深地下連續(xù)墻成槽試驗(yàn)，槽段設(shè)計(jì)厚度1 m，具體分幅示意圖如圖2 所示。其中，一期槽段和二期槽段均通過兩次銑槽完成，對(duì)應(yīng)的槽段開挖寬度為4.6 m，第1 銑寬度為2.8 m，第2 銑在一邊實(shí)一邊空的情況下施工剩余1.8 m寬的槽段；待槽段銑槽結(jié)束后，下放鋼筋籠，澆筑混凝土。三期槽段在前兩期槽段施工結(jié)束后進(jìn)行，槽段開挖寬度為2.8 m，利用銑槽機(jī)直接切削已成槽段的混凝土，形成帶有細(xì)微鋸齒狀的粗糙混凝土接觸面，切割的混凝土（陰影部分）寬度為每側(cè)30 cm，最終銑槽完成后下放鋼筋籠并澆筑混凝土。試驗(yàn)過程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了成槽精度和土體沉降。

圖2 槽段劃分示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

三期槽段和前兩期槽段之間通過銑槽形成的粗糙混凝土接觸面提高了接縫的咬合程度，形成止水良好且致密的地下連續(xù)墻接頭。但110 m 超深地下連續(xù)墻接縫防水保證的前提是確保地下連續(xù)墻施工精度符合要求。通過超聲波檢測(cè)成槽質(zhì)量，整個(gè)施工過程將槽壁變形控制在9 cm 內(nèi)，即可滿足110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)的成槽精度為1/1 000（即11 cm）的要求?？紤]到實(shí)際施工過程中，地下連續(xù)墻沿著槽壁的橫向開挖，端頭變形隨著開挖的進(jìn)行被不斷抵消，因此施工中主要關(guān)注槽壁的側(cè)向變形。側(cè)向變形是指110 m 超深地下連續(xù)墻槽壁相對(duì)于設(shè)計(jì)厚度1 m（如圖2 所示）的附加變形。

對(duì)于成槽過程中引起的地表累積沉降，實(shí)測(cè)主要影響范圍在距110 m 超深地下連續(xù)墻5 m 左右，但總體來看引起的沉降較小。這主要是因?yàn)樵诔刹矍安捎盟嗤翑嚢铇秾?duì)地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行了加固。而在成槽過程中，最大地表沉降速率發(fā)生在成槽期間，隨著成槽完成，地表沉降速率開始減緩，澆筑混凝土期間，流態(tài)混凝土作用在槽壁上的力大于泥漿壓力，地表會(huì)出現(xiàn)少許上抬。一期槽段外累計(jì)最大地表沉降點(diǎn)在施工期間變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 110 m 超深地下連續(xù)墻一期槽段成槽引起的地表沉降

為進(jìn)一步了解110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)對(duì)各層土體的具體擾動(dòng)，于三期槽段中部外1 m、5 m、10 m 處設(shè)置3 處測(cè)孔，布置沉降磁環(huán)，以監(jiān)測(cè)土層分層沉降。因受施工條件限制，測(cè)孔深度僅設(shè)置到地表以下50 m 范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)所得各土層的豎向位移結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可見，各土層沉降主要發(fā)生在槽壁附近（即1 m 處的測(cè)孔），而稍遠(yuǎn)處沉降較小，10 m處基本沒有沉降。此外，相較于其他土層，2-2 淤泥質(zhì)黏土層和6-2 粉質(zhì)黏土層沉降更大，這主要是由于其土質(zhì)較差，如表1 所示，其變形模量均較小。另外，6-2 層作為第I2 承壓水層的上覆土層，因地下連續(xù)墻成槽導(dǎo)致承壓水泄壓，不可避免地會(huì)引起上覆土層的沉降。但總體而言，各土層的沉降量級(jí)較小，110 m 超深地下連續(xù)墻銑槽法施工對(duì)周邊土層豎向變形影響較小。

圖4 三期槽段測(cè)孔的分層豎向位移累積示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為進(jìn)一步分析110 m 超深地下連續(xù)墻銑槽工藝對(duì)槽壁變形及地表沉降的影響，在上述現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用Plaxis 3D 有限元計(jì)算軟件對(duì)成槽過程進(jìn)行施工模擬。模擬包括3 幅110 m 超深地下連續(xù)墻槽段、加固區(qū)及周圍一定范圍土體。具體的數(shù)值模擬步驟見表2。

表2 數(shù)值模擬步驟

土層采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型（HSS），土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。采用面荷載來模擬泥漿護(hù)壁時(shí)槽壁的壓力，即面荷載取為γb·h（其中γb為泥漿重度，h 為開挖深度）。而對(duì)于混凝土澆筑階段流態(tài)混凝土對(duì)槽壁壓力的模擬則基于目前廣泛使用的流態(tài)混凝土壓力雙線性分布模式［9］，其示意圖如圖5 所示。

流態(tài)混凝土壓應(yīng)力分布表達(dá)式如下：

式中：

σ——泥漿護(hù)壁時(shí)槽壁的壓應(yīng)力；

γcon——流態(tài)混凝土重度；

hcrit——流態(tài)混凝土靜水壓力分布臨界深度，通常選為H/3（H 為槽段最終開挖深度）。

圖5 泥漿護(hù)壁及混凝土澆筑階段面荷載模擬示意圖

圖6 混凝土終凝時(shí)槽壁的整體側(cè)向變形模擬示意圖

圖7 各階段槽段側(cè)向變形對(duì)比

3.2 槽壁側(cè)向變形

圖6 為開挖結(jié)束后，混凝土終凝時(shí)槽壁的整體側(cè)向變形模擬，可以看出，槽壁上半部分在側(cè)向向外變形，而在下半部分則向槽內(nèi)方向變形。這主要是因?yàn)樵谀M混凝土澆筑階段時(shí)，在hcrit以上流態(tài)混凝土壓應(yīng)力分布的斜率取為混凝土的實(shí)際重度（γcon=23.0 kN/m3），其大小要大于槽壁后的水土壓力，從而擠壓槽壁向外變形；而hcrit以下流態(tài)混凝土的壓應(yīng)力分布的斜率則與泥漿重度（γb=11.0 kN/m3）一致，此時(shí)隨著開挖深度的不斷加大，流態(tài)混凝土所提供的壓力不足以抵擋周圍的水土壓力，從而槽壁向內(nèi)變形。

在本試驗(yàn)槽段中，三期槽段槽壁的最大變形主要發(fā)生在80 ～100 m 深處（即9-1B 細(xì)砂層），三期槽段的最大側(cè)向變形要明顯小于前兩期槽段?？紤]到一期槽段和二期槽段成槽方式上基本一致，而三期槽在一、二期槽段澆筑完混凝土一段時(shí)間后才進(jìn)行施工，相當(dāng)于對(duì)三期槽段兩端進(jìn)行了“加固”。模擬所得一期槽段、二期槽段和三期槽段在混凝土終凝時(shí)所對(duì)應(yīng)的槽壁最大側(cè)向變形分別為9.36 cm、9.16 cm 和2.39 cm。

進(jìn)一步對(duì)成槽過程進(jìn)行分析，對(duì)比泥漿護(hù)壁、混凝土澆筑和混凝土終凝3 個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的槽壁側(cè)向變形，如圖7 所示。考慮到泥漿所能提供的壓力大部分與土體中的水壓力相抵消，對(duì)于各期槽段，在泥漿護(hù)壁階段，槽段總體向內(nèi)變形；而在混凝土澆筑后，在流態(tài)混凝土的作用下，槽段相較于泥漿護(hù)壁階段向槽壁外側(cè)變形；最后在混凝土終凝時(shí)，由于流態(tài)混凝土因凝固而不斷喪失其靜水壓力，在水土壓力作用下混凝土被擠壓，槽壁又向內(nèi)側(cè)稍微變形，但由于混凝土強(qiáng)度迅速提高，故變形很小。因此，在成槽過程中，每階段的變形控制都影響著最終混凝土終凝時(shí)的成槽精度。尤其在泥漿護(hù)壁階段，對(duì)于超深地下連續(xù)墻，由于其開挖深度大，當(dāng)開挖達(dá)到一定深度后，泥漿的壓力可能無法抵抗水土壓力而導(dǎo)致槽壁坍塌，其多見于砂土層。因此在實(shí)際施工中，通常隨深度增加而增大泥漿密度以確保槽壁穩(wěn)定。在本次110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)中，施工至60 m 以下時(shí)，即加大泥漿密度，并減緩下銑速率來確保成槽精度。

3.3 地表沉降

作為泥漿護(hù)壁成槽過程中槽壁整體失穩(wěn)的主要形式，施工過程中更應(yīng)關(guān)注淺層失穩(wěn)。在110 m 超深地下連續(xù)墻試驗(yàn)過程中采用φ850 mm@600 mm 水泥土攪拌樁在地下連續(xù)墻兩側(cè)加固槽壁，加固深度為15 m。成槽過程中引起的地表累積沉降如圖8 所示。地表沉降測(cè)點(diǎn)分別位于一期槽段外2 m、5 m、10 m處，模擬所得結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，累計(jì)沉降曲線呈漏斗狀，靠近槽段下沉量較大，往兩側(cè)蔓延影響逐漸減小。通過對(duì)槽壁兩側(cè)有無加固進(jìn)行對(duì)比可以明顯地看出，在對(duì)地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行加固后，地表累積沉降量可減小35%左右，一定程度上說明了槽段加固的必要性。除此以外，在實(shí)際施工過程中，考慮到淺地層均為極軟弱的淤泥土（約在地面下4 ～15 m 范圍），并且此工藝成槽時(shí)間較長（一般一期槽、二期槽為2.5 ～4.0 d，三期槽為1.5 ～3.0 d），在施工機(jī)械及地表局部超載等因素的作用下，成槽過程中這部分土易塌方，因此在成槽前對(duì)槽段兩邊作加固很有必要。

圖8 110 m 超深地下連續(xù)墻施工結(jié)束引起的地表累積沉降

4 結(jié)語

本文依托寧波軌道交通3 號(hào)線兒童公園站基坑工程，結(jié)合110 m 超深地下連續(xù)墻成槽試驗(yàn)，分析了土體沉降等實(shí)測(cè)結(jié)果，并通過數(shù)值模擬研究了超深地下連續(xù)墻成槽過程中所引起的地層擾動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：

1）銑槽工藝可以很好地控制成槽過程引起的地層擾動(dòng)，成槽精度可達(dá)到1/1 000；槽施工引起的地表累計(jì)沉降曲線呈現(xiàn)漏斗形狀，靠近槽段下沉量較大，往兩側(cè)蔓延影響逐漸減小，各土層分層沉降穩(wěn)定，總體沉降量較小。

2）在泥漿護(hù)壁階段，槽段向槽壁內(nèi)側(cè)變形，而在混凝土澆筑階段，槽壁的上部變形向槽外，最終凝固后向槽內(nèi)方向產(chǎn)生少許變形。在所使用的銑槽工藝下，三期槽的槽壁側(cè)向變形明顯小于前兩期槽，槽壁側(cè)向變形的控制效果主要取決于對(duì)前兩期槽的控制；槽段深度越大，槽壁側(cè)向變形控制效果越差。

3）110 m 超深地下連續(xù)墻的最大變形主要發(fā)生在細(xì)砂層，實(shí)際開挖過程中需嚴(yán)格控制泥漿密度，防止砂土層塌孔?？紤]到110 m 超深地下連續(xù)墻成槽深度大、時(shí)間久的特點(diǎn)，在成槽前需對(duì)槽段兩側(cè)地表軟弱土層進(jìn)行加固，還應(yīng)在施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿的密度、黏度、含砂率、pH 值等關(guān)鍵指標(biāo)，必要時(shí)及時(shí)補(bǔ)充新泥漿，以確保成槽的穩(wěn)定性。