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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， 釆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一11.3m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；⑥ 3b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 最咼微承压水头标咼为1.74m；最底承压水头标咼0.62m2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） o2.2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：•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，在开挖槽孔吋，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 破坏区岀现的规律；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，分析该囚素对槽樂变形和产牛破坏的影 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♦ ♦18 22i9 *23（a）整体财林（b）m«局部放大图2有限元网格图形对于平面应变问题，每个节点有两个口由度，即可以同吋发牛水平和竖向位移，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 为口由表面。

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所示表1 土层计算某本参数土层名称y(kN/m')c(kPa)2(°)厚度（m）①2填土层19.82&89.43佥粉质粘土层19.516.99.95④粉质粘土层19.351714⑤粘土层19.2206.69⑥粘土层19.827.51326⑦粘土层20.014.422.723泥浆液面高度取地面以下lm,泥浆比重按照1 .lkg/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 = Y乙 其中Y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，可以釆用以下公式来计算初始应力场：Ozo=YhOxo=KoOzo （1）TxZO=O式中Gzo 初始有效竖向应力；Oxo 初始有效水平向应力；Txzo 初始剪应力；Y 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；Ko 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 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3540SO■星水平受形（・）示AHt宜度图3承压水作用对比图图4考虑承压水时欄壁的塑性区由计算结果可知，④层微承压水对丁槽壁的水平变形影响很大考虑承压水作用后，出丁④层上的粉 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•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）图5考虑施工附加荷载的计算简图出现最大水计算结果如图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, 平变形的位置上移，符合•般规律。

土体的塑性区主要集中在④层土的顶部和底部a 32 -a 27 -a 22 -0117 -a 12 -ao7-ao2童度红IKTbR不网离度下量性区城图7施工附加荷载引起的塑性区--50一 加衙披槽呈水卩受形（“图6 考虑施工附加荷載对比图（1:1）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/m2o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 模型最终计算结杲如图&图9所示图8负压位于开槽面下8-10m图9负压位于开権面下30 - 32m由计算结果可知，为负压产生丁开槽面卜• 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 值位丁第④层」:卜方位置。

两种情况S的位移比较如图10所示0.3 4125 412 -tt 15 71 -0.05 0• 0■・ ■・X / -5\ jg*「A十一-10.乂 -15f・ /. ■ -a）• • _ ■• k '25 »・ ; 菽: \ -30q .、 t• ♦ -35・ i■、 i、 ♦ «.般舒开I■面下・..\ 45•發簪开■面下 *、'—-GO位移（■）图10不同负压区域对槽壁稳定性的影响由计算结果可知，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，在抓取底部土方吋，由于长吋间的影响，10〜20m范围内土体极 易发生塌陷4）槽壁两侧土体加固效杲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 ZJ\ O-aoi -a006a asaoi a oi5a 02 a okill*203040-50—-oo位移（■）图门加固后的槽筌水平变形由计算结果可知，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lm 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，在抓取底部土方吋，由于长吋间的影响, 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lm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，对槽暉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[1] 中华人民共和国行业标准•建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）[S]・北京：中国建筑工业出版社，1999.[2] 中华人民共和国行业标准•建筑地基处理技术规范(JGJ79—2002)[S]・北京：中国建筑工业出版社，2002.[3] 建筑施工手册编委会•建筑施工手册(第四版)[M]・北京：中国建筑工业出版社，2003.[4] 王晓伟，童华炜，李志强•复杂环境下地下连续墙内支撑基坑监测分析[J]•施工技术，2009, 38 (5)・[5] 郑笑芳，金瓯•温州国贸中心深基坑支护技术[J]•施工技术，2009, 38 (1)・[6] 肖剑光•北京饭店深基坑降水对周边建筑物的影响分析[J]•施工技术，2008, 37 (11)・。