浅谈地下连续墙槽壁稳定性控制措施分析 及成槽施工对周边环境变形影响的研究

摘要：以某项目地下连续墙成槽施工为背景，通过分析成槽参数对地连墙充盈系数的影响，研究软土层连续墙槽壁稳定的影响因素，掌握在施工过程中周边环境变形规律。并针对施工工艺参数加以优化论证，以达到有效控制成槽稳定性，减少成槽施工对周边环境变形影响的目的。通过分析表明，缩小单元幅宽，增加两幅地墙成槽距离可有效降低槽壁坍塌风险，对周边环境变化也能起到较好的保护作用；成槽速度与混凝土浇筑速度对槽壁稳定性有一定影响，但非主要影响因素；泥浆质量和液面高度符合要求时，成槽施工顺序和槽深对槽壁稳定性影响较小。

关键词：深基坑工程；周边环境；地下连续墙；影响因素；槽壁稳定性；施工控制；

0 引言

随着社会进步和经济的不断发展，人们对建筑使用功能的需求越来越多，如何充分利用地下空间结构已成为设计主流形式，尤其在发达城市，深基坑施工项目比比皆是。由此临近隧道、地铁、管沟等复杂环境下进行深基坑施工案例日益增多。如果采用的施工方法和保护措施不当，将影响其渗漏、变形等危害，严重的将威胁到正常安全运营。如何保证自身基坑安全的同时，有效保护周边设施环境已越来越受到施工单位重视。

地下连续墙因其结构整体刚度大，防渗水性能好，适应能力强等特点在深基坑工程中得到了大量运用。但在不同地质条件（软土层或砂土层）和施工工艺（包括成槽间距、成槽时间、混凝土浇筑时间）的差异下，极易发生塌孔、缩颈等影响槽壁失稳现象，也会对周边环境造成一定影响。据了解，很多专家学者从设计角度方面进行过模拟和数据分析，但结合工程实例经验总结较少。本文将针对工程实例，对地下连续墙成槽施工过程控制措施及在施工过程对周边环境变形影响加以分析总结，优化施工参数，以达到控制槽壁坍塌变形的目的，同时降低施工风险及成本，也为日后类似工程施工提供参照。

1.项目背景

1.1工程概况

上海市世博会地区会展及其商务区A片区A02B-01、A02B-02地块项目所涉及基坑开挖面积为14719㎡，基坑周长约488m，成矩形布置。地下三层，平均开挖深度为14.9m，最大开挖深度为16.1m。基坑周边环境极为复杂。北侧为地铁八号线隧道，隧道直径为6.6m，上行隧道埋深13.6m，距离基坑边47m，下行隧道埋深14.31m，距离本工程基坑地下室外墙最近距离为34.9m。

图1：地铁隧道与本工程基坑相对位置关系图

南侧世博能源管沟为钢筋混凝土箱涵。双仓管沟采用矩形断面，侧墙、底板、顶板厚度均为0.3m。仓身宽3.3m，高3.8m，埋深6m，距离地下室外墙最近距离为3.1m。

图2：地铁隧道与本工程基坑相对位置关系图

东侧为西藏南路隧道，盾构隧道最大直径为13.60m，中心埋深为20.50～22.50m。下行隧道距离基坑地下室外墙最近距离为10.9m。平行布置，按照隧道保护区范围要求，本工程所影响隧道长度范围为245m。

图3：西藏南路隧道与本工程基坑相对位置关系图

1.2地下土层情况

项目原为世博展馆，拆除后重建，地表下4m~5m处为杂填土，极为松散。地下主要为粉质粘土层和粉砂层。由于项目地处黄浦江畔，粘土层中夹杂江滩土和部分暗浜。各土层主要分部情况见下表1。其中②至④层淤泥质粘土显松散状，强度较低。⑤1粘土层成软塑流塑状态，⑤2砂质粉土含部分微承压水，部分与⑦、⑨承压水层相连。以上不良土层在地连墙成槽过程可能发生塌孔。

地下土层特性表

1.3围护结构形式

由于周边环境保护等级高，本工程基坑采用地下连续墙作为围护结构，并考虑对地铁八号线隧道的保护，基坑采用分坑设计。地下连续墙设计墙厚为1m，标准幅宽6m，个别幅宽6.5m至7m，考虑隔绝地下承压水影响，墙长设计为45.25m。分坑墙墙厚为800mm，墙长为29.4m，合计101幅。成槽护壁采用3φ850@600三轴搅拌桩，长度22.250m。内侧护壁采用拼接打法，每幅搅拌桩之间采用φ800高压旋喷桩填实。外侧护壁采用套打法，连续墙接缝处采用φ2000的MJS定角度大直径高压旋喷桩进行加固处理。

2.槽壁稳定性控制分析

2.1槽段幅宽对成槽稳定性影响

针对本工程而言，所有周边环境中世博能源管沟变形量最为敏感，由于其埋深浅，距离基坑较近，且周边地表覆土为杂填土，极为松散，地墙开挖较宽对管沟影响极大。按照原设计6m幅宽进行成槽，地连墙出现塌孔现象较少，但7m幅宽地连墙槽段在顶部3m~6m深度范围均存在塌孔现象，槽壁过宽导致侧压力增大，以及护壁泥浆冲刷、绕流也是影响塌孔的关键。由此针对地连墙幅宽按照1m宽模数进行优化，按照5m幅宽进行施工，并根据先后施工的30幅地连墙声波检测塌孔数据进行比对分析。

表1：不同幅宽成槽作业塌孔分布概率（％）

从表中可见，0-10米表层覆土幅宽为7m的地连墙塌孔概率较高，按照5m幅宽成槽作业可有效降低表层土塌孔概率，由此可说明，优化地连墙开挖幅宽，是松散土层开挖控制槽壁稳定防止塌方的有效措施。

2.2成槽顺序对槽壁稳定性影响

地下连续墙采用跳挖法施工，分首开幅、连接幅、闭合幅。不同幅段开挖顺序对应混凝土浇筑时充盈系数分布不同。

以首开幅为例，其在成槽过程中，随着深度不断加深，槽壁两侧土压力不断增大，两侧槽壁挤压形成变形，混凝土充盈系数就会略大。闭合幅两侧地连墙施工完成，相比首开幅和连接幅而言侧压力变小，混凝土充盈系数相比固定。不同成槽顺序对应的连续墙混凝土浇筑充盈系数分布如表2所示。

表2 不同施工顺序连续墙充盈系数分布概率分析（％）

按照数据概率分析参数可以看出，首开幅混凝土浇筑充盈系数普遍较大，21.8％分布于1.00~1.10之间；连接幅充盈系数大于1.00，大部分分布在1.00~1.05之间；闭合幅偏差极小，充盈系数普遍小于1.00。充盈系数分部较为均匀，从而说明连墙成槽顺序对槽壁稳定影响不大。

2.3成槽距离对槽壁稳定性影响

成槽距离与成槽顺序不同，若由于进度需求采用两台成槽机同时作业,成槽机和土方运输车辆距离较近，荷载相对集中，对地下土层存在一定扰动影响，由此可知对成槽稳定性也会带来困扰。就此特针以15m、20m、25m、30m间距进行分析。

表3 不同成槽间距声波检测塌方概率分析（％）

两幅地连墙成槽间距在15m范围内的，对0-20米挖深影响较大，30-40米深度由于土层相比强度较高，变形低于上部土层。两幅地连墙随着成槽间距增大，整体变形影响趋势降低，间距控制在30m以上基本无影响。整体由于地表土较为松散，变形塌方比例较高。由此说明，在杂填土或软土层成槽开挖施工中，两幅地墙成槽间距控制在30m以上可有效控制塌方变形。

2.4成槽深度对槽壁稳定性影响

本工程地下连续墙主要墙深为45.25m（共85幅），分坑墙墙深29.4m（共16幅），其不同槽深连续墙充盈系数分部概率见表4。两种深度地连墙混凝土充盈系数差异变化较小，充盈系数主要分部与1.00至1.05之间，即槽深对充盈系数的影响变化不大。

表4 不同槽深连续墙充盈系数概率分析（％）

虽然槽深影响充盈系数变化不大，但前提与护壁泥浆质量有着至关重要作用。本工程采用优质泥浆护壁，泥浆组成采用膨润泥浆，加入CMC增黏剂、纯碱等辅助材料。泥浆指标检测每幅不少于三次，清基后不少于一次。成槽时泥浆液面控制也是非常重要的一个环节,槽内泥浆面不低于导墙顶0.3m，同时槽内泥浆面应高于地下水位1.5m以上，泥浆随着出土量及时补入，以保证泥浆液面在规定的高度。通过比对也证明本工程护壁泥浆比重与液面高度控制较为合理。

2.5成槽速度对槽壁稳定性影响

不同成槽速度地连墙充盈系数不同。成槽速度小于45m³/h的情况下，成槽速度越小，地墙充盈系数越大，当成槽速度小于15³/h时，充盈系数显著上升。

表5 不同成槽速度连续墙充盈系数分布概率分析（％）

分析说明成槽速度与护壁泥浆的质量有显著关系：成槽速度越慢，成槽所需时间越长，泥浆分层离析就越显著，泥浆护壁效果越差，地下连续墙成槽时槽壁稳定性就越差。同时，成槽过程中连续墙成槽速度与抓斗对槽壁的吸力存在正相关关系：成槽速度越大，成槽过程中抓斗对其周围槽壁土体的负压作用会增加，由此会造成槽壁失稳破坏。

2.6混凝土浇筑对槽壁稳定性影响

不同混凝土浇筑速度连续墙充盈系数分布概率见表。混凝土浇筑速度对连续墙充盈系数基本没有影响，混凝土浇筑速度发生变化时，充盈系数波动不大。

表6 不同施工顺序连续墙充盈系数分布概率分析（％）

混凝土浇筑速度显著增大时，混凝土侧压力也会增大，导致充盈系数增大。本工程连续墙混凝土浇筑速度波动较小，集中范围为7-11m/h能够满足图纸要求，因此不同混凝土浇筑速度下连续墙槽壁变形和稳定性差异很小。

3.槽壁塌孔位置统计

采用声波检测数据以及现场观察法相结合进行统计，记录地连墙液面骤降时成槽深度与声波数据进行比对，经观察导墙以下3m~6m液面降幅频次高，且幅度大。15m~25m处降幅较缓，为槽壁疑似塌孔位置。与声波统计数据基本吻合。

图7 槽壁塌孔位置分布概率（％）

以上统计法统计地连墙坍塌位置在20m内的占75％。其中10m以内占比40.6％，10至20m占比34.4％，根据土层分部情况看，主要在表层杂填土与流塑状粘土之间，该土层由于空隙过大，不利于泥浆形成泥皮，而且泥浆在土中渗透路径过长，造成泥浆过分流失，从而降低槽壁稳定性，引发了坍塌。

4.周边环境变形影响分析

本工程地铁、隧道及能源管沟通过对现状原始数据的采集，并与施工过程中监测数据进行比对分析，主要影响范围在能源管沟，其次为西藏南路隧道。基坑虽然在轨道交通八号线安全保护区范围内，但由于基坑距离相对较远，变形数据采集基本无影响。

4.1能源管沟变形影响分析

施工前对能源管沟现状进行摸排，记录原有渗漏点和变形值。同时对监测进行布点。其中沉降人工布点46处，自动化布点32处，净空收敛布点30处，裂缝监测布点16处。

成槽施工开始后沉降数据变化较大，成上升趋势，最大下沉变形达到6.7mm，已接近预警值，净空收敛变化在4.2mm，基本受控。管沟裂缝比原摸排时增加2处返潮点，渗透痕迹不明显，但可见有明显细裂纹出现。伴随管沟随沉降变形增大，管沟内上水管道位移量同比较大。通过对施工工艺参数的优化，采取一定保护措施后，管沟能够维持原有变形，未呈现大幅度上升趋势，最大沉降值维持在7.51mm，除沉降数据略有增大外，净空收敛和裂缝并未发生其他变化。

4.2西藏南路隧道变形影响分析

西藏南路隧道侧在成槽施工前对隧道现状进行摸排，调查发现裂缝主要位于侧石（二次结构构造）上，渗漏水主要位于环片上。渗水点发现主要为水渍和渗水，东线共65处，西线共25处；其中环片渗水东线东侧有18处，东线西侧有19处，西线东侧有3处，西线西侧有9处，其他均是环片上有水渍。侧石裂缝发现并留有原始数据的共176处，不影响结构使用。

成槽施工后对变化量数据进行分析，隧道结构垂直位移整体呈下沉趋势，但变化量不大，最大累计变形量为-0.6mm，整体影响较小。但通过对隧道现状的二次排查发现，侧石裂缝增加4处，渗漏点未增加，但与本工程基坑平行段隧道原有渗漏点，有2处渗流量有增大趋势。但整体受控，最终地连墙施工完成也未发现其他变形影响。

5.地连墙槽壁稳定性控制措施

通过对上述影响槽壁稳定性因素的分析，以及结合周边环境变化情况，可以总结出提高软弱土层槽壁稳定性的控制措施：

（1）地表覆土为杂填土且分布较厚时，对地连墙幅宽必须进行优化，严格控制幅宽不得超过6m，如按照6m幅宽施工仍对周边环境造成影响，则按照1m模数优化至5m幅宽，可有效控制浅层土体塌方，进而减少对周边环境的影响。

（2）两台成槽机同步成槽作业时，保证两幅地墙成槽间距大于30m，可有效减少互相扰动问题，两幅地连墙随着成槽间距增大，整体变形影响趋势也会随之降低。

（3）松散土层放慢出土速度，其他土层适当加快出土速度。成槽时出土速度宜控制在30~45m³/h，若速度低于该区间，成槽时间过长，泥浆离析现象约严重，影响护壁效果。若高于该区间出图速度对充盈系数影响有限，且抓斗下放和提升时速度过快会加大动荷载，同时会对抓斗附近土体产生吸力，影响槽壁稳定。

（4）成槽深度对槽壁稳定性的影响主要取决于护壁泥浆，合理控制护壁泥浆配合比及制作工艺，同时严格控制泥浆的液面高度，保证泥浆液面不低于导墙顶以下30cm处。液面下落应及时补浆。

（5）选取合适的混凝土浇筑速度，尽量减少槽壁暴露时间和对槽壁的扰动。混凝土浇筑速度不宜小于7m/h，浇筑时间过长会使泥浆分层明显，对地下连续墙上部槽壁稳定性造成不利影响。混凝土浇筑速度也不宜过快，否则混凝土侧压力过大，充盈系数也会增大。条件允许混凝土浇筑速度应控制在7-11m/h，能够满足设计要求。

6.结论

（1）当土层极为松散且不稳定时，控制单元幅宽为5m，同时降低松软土层成槽速度，且增加两幅地连墙成槽距离大于30m，在保证进度同时，可有效降低槽壁坍塌风险，对周边环境变化也能起到较好的保护作用。

（2）成槽速度、混凝土浇筑速度对槽壁稳定有一定影响，但影响范围不大。成槽速度宜控制在30~45m³/h范围内，混凝土浇筑速度控制在7-11m/h且波动不宜过大。

（3）当护壁泥浆的容重与液面高度均较为合理时，成槽深度对槽壁稳定影响较小，施工顺序对连续墙槽壁稳定影响也较小。

（4）地下联系强槽壁失稳主要发生在3-6m范围的软弱土层，针对这一情况，应采取提高泥浆高度，加固槽壁两侧土体等措施加以解决。

7.施工建议

（1）针对暗浜、杂填土等不良地质条件下，土体尽可能碾压密实，除土体加固外，还可以选择深导墙，导墙与硬化道路连接成整体，提高整体强度。同时注意在成槽周边10m范围内不得堆载，严禁超载，对埋深较浅的周边设施保护有明显效果。

（2）护壁泥浆需提前配制，保证具有足够浓度。泥浆性能的优劣直接影响地下连续墙成槽时槽壁稳定性，是一个很重要因素。为了确保槽壁稳定，选用黏度大、失水量小、能形成护壁泥皮的优质泥浆。在成槽过程中进场监测槽壁变化情况，并及时调整泥浆性能指标，适当增加循环泥浆测试次数，不符合比重要求的泥浆严禁使用。

（3）对周边环境增加信息化监测频次，施工过程及时了解变形情况，如发现变形曲线骤变需及时采取补救措施。

8.结束语

地下连续墙不仅是保证基坑安全最有利的一道防线，也是对周边环境变形控制最有利的保障。通过分析总结说明，影响槽壁稳定性因素较多，对于施工单位来说，在熟悉理论同时，还需进一步根据工程地质条件以及施工工艺进行摸索，调整适用于本项目的有效经验。本文仅针对工程实例列举出部分经验总结进行分享，希望通过此次总结可以为类似工程提供借鉴。

参考文献：

[1]徐永刚，魏子龙，周冠南，孙玉永《地下连续墙成槽施工参数对槽壁稳定的影响研究》，2011年。

[2]张毅，甘璐，刘斌《深基坑地下连续墙槽壁稳定性分析及施工技术研究》，2014年；

[3]王革《地下连续墙施工中的槽壁稳定性影响因素分析及控制措施》2015年；