注漿工藝在加強地下連續墻槽壁穩定性中的應用分析

辜 健

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

地下連續墻由于具有良好的地層適應性，抗彎剛度大，強度可以達到70 MPa，受土水壓力后變形小，可應用于超深基坑的圍護結構，且具有防滲阻水功能，甚至可以作為地下室“兩墻合一”的永久結構，經濟效益良好，因此在地下工程開發中得到廣泛的應用，在地鐵、水利工程基坑開挖、地下停車場建設、深隧排水工程中均有應用[2]。然而，地下連續墻的施作需要預先對土體進行銑刨、切割和攪動以形成空槽，不可避免地對槽壁造成擾動，對工程施工產生不利影響。特別是地質條件為軟弱松散土層時，受成槽機械的振動和碰擦，以及地下水的浸泡和軟化，槽壁很容易失去穩定性而發生塌陷，進而影響鋼筋籠下放和混凝土的澆筑，給基坑工程的施工造成潛在風險[3]。

1 地下連續墻槽壁穩定性影響因素

大量的實踐經驗表明，由于地下連續墻的槽壁穩定性受到眾多因素的影響，槽壁穩定性的理論計算結果經常與實測結果不一致。影響槽壁穩定性因素大致可以分為3類，即地質情況、施工方法以及泥漿護壁效果。正是這些復雜因素的相互耦合，各種因素相互制約，使得槽壁的穩定性計算仍然處于半理論半經驗狀態，導致有時槽壁穩定性理論計算結果是安全的但實際卻出現了失穩現象，或者是理論計算結果為失穩而實際卻沒有發生坍塌。因此，需要對影響地下連續墻槽壁穩定性的各個因素進行深入分析，以便在地下連續墻的成槽過程中確保槽壁的穩定、分析槽壁出現失穩的原因，為槽壁的加固提供基礎條件。

1.1 地質情況的影響

影響地下連續墻槽壁穩定的地質情況方面，主要涉及2個因素，分別是地下水和土體自身的物理力學指標。

在成槽過程中，成槽機械對土體進行切削和排出，土體壓力釋放，導致地下水向槽內滲流，沖蝕槽壁土顆粒，形成壓力差。為了平衡地下水壓力，往往在槽內注入泥漿。當泥漿壓力與地下水壓力相等時，槽壁穩定；當泥漿壓力大于地下水壓力時，槽壁穩定且有利于泥皮形成較大的厚度，形成保護膜；相反，當泥漿壓力小于地下水壓力時，則泥皮被地下水沖破，滲透膠結作用明顯削弱，槽壁失穩。因此，在實際的地下連續墻成槽過程中，因控制地下水位的變化，保持泥漿面高于坑外地下水位1.5 m，而當遇到承壓水層導致坑外水頭增加，或者遇到斷層破碎帶導致槽內泥漿滲漏壓力下降，則應采取降水加固措施，調整液面高度，以維持槽壁的穩定性[3-5]。

土體的物理力學指標是影響槽壁穩定最為直接的影響因素。由土壓力平衡理論可知，在清水無支撐狀態，槽壁的穩定性完全依靠土體的抗剪強度來維持，當剪應力大于土層的抗剪強度時，則發生剪切破壞，土體顆粒出現位移引起失穩[6]；在泥漿護壁條件下，槽壁的穩定除了泥漿液的壓力外，還存在泥皮固結膠結作用，增強了土體之間的黏聚力和范德華力。一般而言，抗剪強度指標大的土體，其天然密度大、顆粒間的咬合強度高、自穩能力強，水平側壓力小，槽壁穩定性高，相反則穩定性低。

1.2 施工方法的影響

影響地下連續墻槽壁穩定的施工方法方面，主要涉及3個因素，分別是施工振動、施工工序以及槽段劃分。

目前，地下連續墻的主要成槽方式有液壓抓斗成槽、銑槽機成槽、鉆抓結合法成槽和先抓后銑成槽，各個成槽方法的機械設備多樣，但無論何種方式的機械設備，其自重均可以達到100 t(包含成槽機、鉆頭以及輔助器材的重量)，這對于土體而言是頗為巨大的外荷載，施工時的刮碰振動即可使得土體失去穩定，特別是對于地表近2 m范圍內的土層，受到抓斗和成槽機的頻繁施壓，其穩定性更差。因此，一般通過在開槽前施作導墻的方式控制土體穩定性，也可以達到控制墻體垂直度的目的。另一方面，施工設備的成槽速度也是引起振動的主要原因。因為銑槽鉆頭在頻繁抓挖和往復升降的過程中，若是速度過快則引發真空抽吸作用，導致土體超孔隙水壓力上升，泥漿液的運動形式從層流變換為湍流，槽壁土樣受到沖刷進而引發土體顆粒的攜帶和崩塌[7-8]。

在施工工序上，地下連續墻成槽順序的正確安排可以有效降低由于振動和擾動造成的槽壁失穩。這是因為銑槽鉆頭在頻繁抓挖和往復升降的過程，其速度過快引發真空抽吸作用，不僅影響正在施作的槽壁，也會對相鄰槽段產生干擾，為了避免相鄰槽段施作時間過短導致土體開挖寬度過大和槽比的寬深比過大，實際工程中往往選擇間隔跳挖的方式來成槽，這也有利于土拱效應的形成。

在槽段劃分上，單元槽段的設計一般是經過大量的工程計算和工程經驗總結而得出的。地下連續墻單元槽的寬度、厚度和深度對土體的應力變化起決定性的作用。因為槽壁的寬度越大、深度越大，土體的應力釋放導致的應力重分布就越明顯，影響土拱效應的發揮，進而引發槽壁失穩。在現有的工程設計中，經過三維滑動力理論計算表明，槽壁的劃分長度一般以控制在6 m左右為宜，不僅對成槽設備的鉆頭要求可以達到標準化，而且可以避免由于槽段的寬度過大引發的槽壁失穩。

1.3 泥漿護壁效果的影響

泥漿護壁可以提供漿液柱壓力、滲透膠結作用以及電化學的吸附效應，以抵抗地下水壓力的作用。槽壁穩定的過程就是泥漿逐漸滲透土體形成泥皮的過程。調節泥漿的比重和液面高度可以有效抵抗地下水、土體的水平向壓力，減低槽壁的水平位移。有研究表明，泥漿的比重和液面的高度具有明顯的近線性關系，如圖1所示，具體表現為當維持一定的液面高度時，泥漿比重的配比越大，抵抗土體變形的能力就越強，相反則越低。

圖1 泥漿比重與液面高度的相互關系

在滲透膠結作用上，當泥漿壓力大于地下水壓力時，泥漿在滲透壓的作用下逐漸向槽壁內滲透，泥漿黏土顆粒吸附在土體顆粒上并形成凝膠，增加了土體的黏聚力和降低了土體的滲透率，達到增加槽壁穩定性的效果。一般而言，對于黏性土土層，其本身具有較好的黏聚力，且土體的密實程度較好，容易形成具有滲透膠結效果的泥皮；而對于砂土、圓礫土等非黏性土，由于土體顆粒的孔隙大，顆粒間無黏結，因此泥漿的比重要求大，且滲透膠結的厚度也要求大，才能維持槽壁的穩定。

在電化學吸附效應上，泥漿的黏土顆粒具有雙電層效應，在泥漿液柱與地下水的壓力差作用下，形成電滲效應吸附在土體表面，不僅可以降低成槽鉆頭升降引起的湍流作用，而且可以懸浮沉渣，使得沉渣在泥漿電化學吸附作用下形成團體，被逐步注入的新鮮泥漿置換而排出槽外，避免了由于沉渣過多需要多次清孔引發的槽壁擾動和失穩。

2 工程概況

河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程施工5標工程主要位于河南省焦作市武陟縣境內，項目包含一段新建穿沁河隧洞，和一段新建總干渠渠道。線路沿方陵村以北由西向東穿越沁河至南賈村以南敷設。進口連接段處設一座盾構始發井，位于方陵村以北農田中。

盾構始發井為矩形豎井，圍護結構采用厚度為1 000 mm的地下連續墻，地下連續墻外側尺寸為26 m×14.5 m，深度為26.0 m，共計12幅，豎井采用明挖順作法施工。出口檢修井作為盾構接收井，位于南賈村以南楊樹林中。檢修井為圓形豎井，圍護結構采用厚度為1 500mm的地下連續墻，地下連續墻外直徑為21.8 m，深度為76.0 m，共計16幅，豎井采用明挖逆作法施工。

場區地下水分為潛水和承壓水。據2019年5月至10月勘察期間水位觀測資料，沁河右岸地下水賦存于第層中細砂中，埋深為14.2～22.1 m，水位為77.83～82.08 m，具承壓性，承壓水頂板高程為73.3～78.24 m，巖性為第⑨層重粉質壤土或第⑩層重粉質壤土(局部為砂壤土)；實測高水位為82.08～84 m，預測高水位為83～84 m，實測低水位為77.8～78.24 m，預測低水位為76～77 m。沁河河床中，沁河河水、潛水和下部承壓水存在水力聯系，河水補給地下水，受沁河河水影響，地下水位較高，潛水位多位于第②粉砂、第③層細砂中，埋深為4.4～11.2 m，水位高程為87.02～93.64m，且自主河槽處向兩側水位漸低；承壓水隔水層為第④層粉質黏土和第⑤層重粉質壤土，頂板高程一般為74.3～80.07 m，賦存于第層中細砂層中；地下水位和沁河河水水力聯系密切，實測低水位為84.4～87.02 m，預測低水位為83.4～86.0m。沁河左岸地下水賦存于第層中細砂層中，埋深為9.2～19.8 m，水位為81.98～82.35 m，略具承壓性，承壓水頂板高程為77.95～80.22 m，巖性為第⑨、⑧層重粉質壤土；實測高水位為84.7m，預測高水位為83～86m，實測低水位為81.98m，預測低水位為80.0m。

3 地下連續墻注漿施工關鍵技術

3.1 注漿施工工藝流程

在確保施工安全順利進行的前提下，制定地下連續墻注漿施工工藝流程，如圖2所示。

圖2 地下連續墻注漿施工工藝流程

槽段施工全過程均采用優質膨潤土泥漿進行護壁，新制備護壁泥漿比重為10.4～11.5 kN/m3，黏度為20～30。泥漿使用前，根據各槽段的不同地質條件按最易坍孔的土層進行泥漿配比的比重試驗，并經試驗槽段進行檢驗，見表1。

表1 成槽施工每立方米泥漿配比

3.2 預留注漿管

根據設計要求預埋注漿管，每幅地下連續墻需埋設2根注漿管，注漿管采用直徑為50 mm(外徑)、壁厚為3.5 mm 鋼管，注漿管之間采用螺紋套管連接，插入槽底不小于200 mm。注漿管和鋼筋籠桁架用鐵絲綁扎在一塊，注漿管處于鋼筋籠的厚度方向上的中間位置。如圖3所示。

圖3 注漿管的預先埋設

為了保證注漿管的螺紋套管連接位置的密封效果，在該位置處采用止水膠帶纏繞，在鋼筋綁扎過程中要避免對螺紋套管的碰撞和擠壓，注漿管路要能夠滿足2倍以上最大注漿壓力的要求，而注漿器配備單向閥功能，同時在地下連續墻鋼筋籠下方到位后，采用清水注入注漿管，并施加一定的壓力，觀測水壓力的變化以檢查注漿管的密封效果。如果水壓力穩定在一定范圍不出現大的變動幅度，表明注漿管的管路密封良好，否則需要采取一定的輔助措施對止水不良地方進行加固，以免在注漿過程中出現漿液滲漏。

3.3 漿液配置參數

根據設計要求，單根注漿量不大于2 m3，注漿壓力為0.20～0.40 MPa，終止注漿壓力不大于1.2 MPa，且墻頂抬高不得大于10 mm?？筛鶕{壓力做適當調整，注漿材料為PO.42.5普通硅酸鹽水泥，注漿水灰比為0.45～0.65。根據土層的實際需求確定漿液是否加入添加劑，同時為避免由于水泥團結對注漿管的堵塞，在配置漿液完成后輸入注漿泵之前，需要對漿液進行過濾處理，過濾網的網眼一般為3 mm×3 mm。

3.4 注漿過程

注漿加固槽壁穩定性的作用機理主要是通過對土體的置換和擠密，以及水泥漿液的硬化提高土體的抗剪強度。在注漿施工前，需要依據設計方案，對注漿管的長度、深度以及垂直度徑向檢查，并采用試注漿的方式，確定土層的注漿參數，控制注漿壓力，保證注漿量以及滿足土體加固的注漿流量要求，漿液輸漿系統也根據注漿進程進行實時調整。注漿過程中，對注漿壓力、土層土壓力和孔隙水壓力進行實時觀測，當出現壓力異常情況時，需對各個分項進行檢查，如注漿壓力過大，則分析地層條件是否變硬，可以減少注漿量，而注漿壓力突然泄壓則表明存在漿液滲漏的情況。另外，在注漿前可以采取其他一些輔助措施保證注漿效果，比如增加排水通道，以滿足注漿時土體超孔隙水壓力的消散，加速土層的固結。

3.5 注漿效果檢測

地下連續墻混凝土檢測墻段數量不少于總墻段數20%(6幅)，每個檢測墻段預埋φ50 mm聲測管4個，埋設于籠體4面中間位置，如有沖突則適當調整位置。對本項目的標準段、小里程盾構井段、大里程盾構井段點的地下連續墻穩定性檢測結果表明，加固效果可以大大降低槽壁失穩，具體統計情況見表2。

表2 加固前后槽壁失穩頻次統計

4 結束語

槽壁穩定是地下工程開發中地下連續墻施工中的難點問題，其涉及的影響因素眾多，且相互耦合，使得目前的穩定計算公式仍處于半理論半經驗狀態，導致經常出現計算結果與實際不符的情況。本文以實際基坑工程為例，分析了影響槽壁穩定性的影響因素，并采用注漿加固技術對槽壁進行加固穩定。研究結果表明，注漿加固有效地改善了土體的強度，降低了槽壁失穩的頻次。