泥浆护壁压力分布形态及槽壁稳定控制方法研究

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文章编号：1006-0081（2019）09-0041-07

摘要：槽壁稳定性控制是地连墙施工的关键环节，由于传统基于极限平衡的力学分析方法具有局限性，目前采用优化泥浆配比参数的经验控制方法，但仍未解决这一关键技术问题。基于泥浆渗透形成抗渗泥皮的试验结果，从泥浆成皮的渗透压力条件及时间演化规律出发，研究了不同开挖阶段泥浆有效护壁压力的分布规律。研究结果表明：泥浆护壁压力在槽壁上的“驼峰”型分布规律是开挖面附近泥浆护壁压力不足的直接原因，使开挖面以上5-10m范围成为稳定性薄弱环节，通过降低开挖下切速度可有效提高槽壁稳定性控制效果。以福州地铁5号线建新南路站的中砂一黏土交互地层的稳定性控制应用为例，对其进行了声波检测成像分析，结果表明该方法可有效控制富水砂-黏土-卵石富水地层60m深地连墙槽壁的稳定性。

关键词：泥浆护壁;压力分布形态;槽壁稳定性控制;连续墙施工;福州地铁

中图法分类号：TU473.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.010

1研究背景

地下连续墙是一种常见的基坑围护结构型式，由于其施工场地占用小、施工过程对周边环境影响小且易实现围护结构与建筑外墙合一，在建设场地狭窄的城市重要区域工程建设中占有十分重要的地位。但地连墙施工需要开挖狭长的深槽，极易出现槽壁失稳的工程事故，导致邻近建构筑物沉降超標或机械设备被掩埋。当前，槽壁失稳的问题一直未得到很好地解决，成槽开挖和施工机械的使用主要靠经验控制为主，而对开挖过程的科学预见性不足。特别是地质条件复杂地区的槽壁稳定性控制是成槽施工的关键和技术难点。

有学者研究了泥浆护壁压力的产生机制及稳定性控制技术。李建军等[1]研究了护壁泥皮的抗渗性能，认为压差越大，泥皮越致密，抵抗渗透破坏的能力越强;泥皮形成时压差越大，正、反向渗水的临界水力梯度越大。刘成等[2]研究了添加轻质砂的泥浆在砂性地层中侵入成膜的特征，认为适量添加粗粒材料可有效缩短成膜时间，并降低成膜滤失量，改善成膜效率，但添加量达到一定值时，其改善效果会降低。同时，可用曲线双参数模型量化滤失量曲率、成膜时间和成膜阶段等成膜特征。杨春鸣等[3]在粗粒土入渗面形成泥皮的基础上，进行了泥浆渗入粗粒土胶结体、泥皮和混凝土防渗墙体等共同工作的抗渗特性测试，认为粗粒土单粒平均孔隙体积越小，泥浆在土中渗透形成的泥皮越致密，抗渗性能越好。周云等[4]针对施工中泥浆的性能指标与成槽时的沉渣厚度进行了统计研究。杨光煦[5]分析了槽壁稳定机理，提出了判断孔壁稳定性的实用计算公式。叶伟涛等[6]以福州地铁泥水平衡盾构全断面穿越中粗砂层掘进为工程背景，采用析因设计综合分析了不同泥浆相对密度和黏度下的单位滤水量、成膜时问和泥皮形态，以及泥仓压力和含砂率对泥浆成膜的影响。陈先威等[7]介绍了一种改进的泥浆循环系统。上述研究阐述了泥浆工作原理的一些方面，揭示了泥浆单参数对护壁效果的作用机制，但尚未针对槽段开挖过程的泥浆护壁压力在时间和空间上的动态演化过程进行研究。

针对这一现状，本文结合开挖下切过程，研究了泥浆护壁压力在空间上的分布及随时间的演化过程，揭示了开挖面附近为槽壁稳定的瓶颈区域，提出通过调整开挖速度控制槽壁稳定的施工方法，并应用在福州地铁5号线建新南站60m深地连墙施工中，检测结果证明该方法可有效提高槽壁稳定性控制效果。

2工程特点与模型局限

2.1工程背景

福州地铁5号线建新南路站为地下三层岛式站台车站，车站内净总长151.8m，标准段基坑宽度为24.1m，深度约为24.15m。车站基坑围护结构采用1m厚地下连续墙64幅，标准段地连墙顶标高5.3m，底标高-53.3/-54.3m，墙高58.6/59.6 m。

主要地层分布为：①杂填土。主要为人工堆填的黏性土，夹杂有碎石、砖块、混凝土块等建筑垃圾，局部含少量中粗砂和淤泥。②填砂。以砾粗砂、中粗砂同填为主，局部夹有少量填石和黏性土，层顶埋深1m（标高5.73m），层底埋深6.8m。③填石。以碎石块为主，填石粒径一般为5-35cm，最大粒径大于130cm，填石含量约60%-90%，空隙由填砂及黏土充填，堆填不均匀。层顶埋深0-0.5m（标高6.42-6.97m），层底埋深1-5.7m。④粉质黏土。局部夹少量碎石，层顶埋深1.8-3.3m（标高3.35-5.47m），层底埋深2.7-4.5m（标高1.92 -4.17m），层厚0.2-2.3 m。⑤淤泥夹砂。以黏粒为主，部分夹少量薄层细砂或混有少量砂，层厚2.8-16.0m。⑥（泥质）中细砂。以（泥质）粉砂和（泥质）中砂为主，均含有少量淤泥，级配较差，层厚0.7-13.4m。⑦粉质黏土。黏性较好，部分粉粒含量较高，土质不均，局部含少量砂。层厚1.4-6.4m。⑧（含泥）中粗砂。粒径不均匀，上部以中粗砂、砾粗砂为主，局部夹有粉细砂透镜体及混有少量的淤泥，下部多含砾石、圆砾，层厚2.1-20.1m。⑨卵石。中密为主，饱和，卵石多呈椭球状，磨网度较好，中等风化，粒径一般为3-20cm，最大粒径大于-50cm，含量为55%-85%。该层上部黏性土和砾石含量较高，下部主要为卵石，间隙主要南中粗砂充填。层厚14.6-24m。⑩强风化花岗岩（砂土状）。风化强烈，岩石坚硬程度属极软岩，岩体完整程度属破碎，岩体基本质量等级分类属V类。层顶埋深55.6-59.5m（标高-52.83 -48.91 m），层底埋深60.34-65.03m（标高-58.37--53.66In），层厚3.1-6.13m，平均厚度4.42m。

初见水位埋深为0.90-3.90m，稳定水位埋深为1.50-4.70m。主要含水层为中粗砂和卵石地层，现场钻孔提水试验表明砂卵石层为强透水层。

研究区域的主要地质特点是黏土-砂地层交互层叠，垂直方向分布不均匀，且富含地下水。

2.2经典分析模型应用局限性

常用的槽壁稳定性计算一般采用极限平衡分析方法[8]，一般分为整体稳定性分析模型与局部稳定性分析模型。

图1为常用的整体稳定性破坏分析模型，基于半网柱体模型的滑动面上极限平衡计算公式[9]为

γc=mz2γw/nz2+（P+W）（sinα-cosαtanφ）-2hc（b/3cosα+z-1htanα/2）/1nz2b（cosα+sinαtanφ） （1）式中，γc为泥浆重度，kN/m3;mz为地下水位到槽底的高度，m;nz浆液面到槽底的高度，m;yw为地下水重度，kN/m3;P为破坏体范围内的地面荷载;W为自重，kN;α为滑动面与水平面的夹角，（°）;φ为滑面摩擦角，（°）;b为泥浆槽段长度，m;h为破坏体厚度，m;z为破坏体高度，m。

槽壁局部稳定性分析模型如图2所示。槽壁的抗局部失稳坍塌安全系数等于泥浆的人渗渗透压力作用在槽壁面上所产生的土体摩擦力与土颗粒的有效重度之比，有稳定性系数：

Fs=γwi0tanφf/γf-γs

（2）式中，φf为泥浆渗入后土体内摩擦角，（°）;in为泥浆渗入到土体中的滞留临界水力梯度;yf为泥浆渗入后土体容重，kN/m3;γn为泥浆容重，kN/m3。

上述分析模型并未考虑泥浆失水成膜逐步形成抗渗力的时间过程，式（1）将泥浆与地下水自重分量的合力当做护壁压力，实际上是假设泥皮的抗渗力为兀穷大;式（2）则是简单地将渗透压力等同丁护壁压力，实际上除渗透压力外，还与泥浆通过泥皮的抗渗作用提供的护壁压力存在一定差异，且研究区域的富水非均值地层不满足经典模型的假设条件。

3泥浆有效护壁压力的空间-时间效应

3.1泥皮成型环境与最大抗渗力关系

泥皮在成型过程中，其可承受的最大抗渗力与两个外部因素直接相关：①形成泥皮时的渗透压力;②泥皮静置时间，即随着时间增长，泥皮可承受的抗渗压力会逐渐增长直至极限值。根据粗泥土泥皮抗渗性能试验结果[10]，不同泥浆渗透压下形成泥皮的最大抗渗力满足以下幂函数规律：

Pmax= -0.0057D-0.92+0.35 （3）式中，Pmax为泥皮可承受的最大抗渗力，MPa;D为泥皮成型渗透压力，MPa。

粗砂地层在100kPa压力下不同静置时间泥皮可承受的最大抗渗压力满足以下幂函数规律：

Pt=-0.366t-0.17+0.49 （4）式中，Pt为泥皮可承受的最大抗渗力，MPa;t为泥皮成型时间，h。当t取无穷大时，Pt≈Pmax（Pmax=0.45）。在不同成皮条件下，泥皮抗渗能力随时间的增长曲线在形态上具有相似性，可将式（4）写为

Pt=-0.366t-0.17+0.49/0.45*Pmax

（5）

泥皮的抗渗力是成型渗透压力D与静置时间t的函数：

Pt=（1.08-o.81t-0.17）（0.35-o.0057D-0.92） （6）

3.2泥浆容重垂直递增分布的影响

根据福州地铁5号线工程不同槽段36个取样数据统计，由于泥浆的沉淀效应，沿深度方向每20m泥浆容重增加2%。假设地下水埋深2m，泥浆槽内液面高度在地面以下0.5m，则沿槽深不同高程泥皮成型渗透压力分布见图3。

由图3可知，槽内泥浆渗透压力随深度增加而增大;泥浆配制容重在10.5-12.5kN/m3范围内，同一深度泥浆的渗透压力随着泥浆容重的增加而增大，且深度越深，影响越明显。这说明泥浆配制容熏差异对控制浅层槽壁稳定性影响不大，但对于控制深层槽壁稳定意义重大。

3.3开挖下切速度的影响

由式（6）可知，Pt的大小与泥皮成型时间长短相关，若开挖下切速度快，则泥皮成型时间相对较短，初始阶段可提供的抗渗力就较小。随着静置时间增长，开挖面以上部位泥皮的抗渗强度逐渐增加。同时，泥皮成型渗透压力D与槽内深度有关，越深的部位，泥皮成型渗透压力越大，初始阶段可提供的抗渗力就越大，但能提供的护壁压力不会超过泥浆的静液压力。因此，槽内泥浆提供的护壁压力随开挖过程动态演化。

图4、图5给出了泥浆容重为10.5kN/m3与11.5kN/m3时泥浆护壁压力沿深度的分布规律（忽略渗透压力），总体呈“驼峰”型分布。槽壁顶部附近护壁压力直线增加，为泥浆容重的函数;以下部位受泥皮抗渗强度的影响，成弧形分布形态;开挖面附近则迅速衰减，护壁压力大小受开挖速度控制。开挖速度由1m/h变化到5m/h时，开挖面上1m处的有效护壁压力随开挖速度的衰减规律如图6所示。

由图4-6可得出：

（1）开挖面的护壁压力随开挖速度的提高而迅速降低，且开挖速度的影响远大于泥浆容重的影响。

（2）增大泥浆容重可以有效提高开挖面10m以上范围泥浆的有效护壁压力，但对开挖面附近的护壁压力影响不大。

（3）槽段顶部以下5m范围内的泥浆护壁压力取决于泥浆容重，基本不受泥浆静置时间影响。

3.4抓斗运动速度的影响

在开挖过程中，挖斗的形状、循环往复的提升和下降速度会影响挖槽中泥浆的流动，使槽壁周围地基土体的孔隙水应力上升，當泥浆的流动从层流过渡为湍流时，槽壁上的泥皮或土颗粒将会受到冲蚀，增加局部破坏的可能，甚至有整体失稳的风险。根据挖斗的操作速度Vw、开挖槽口的面积Ak和挖斗所占面积Aw，可以计算出赫斯特罗姆数为[9]

Hc=tsρs/μs2（4（Ak-Aw）/Pkw）2

（7）式中，（Ak-Aw）为泥浆流的断面面积，m2; Pkw为泥浆流的湿润周长，即泥浆与槽壁和挖斗接触的边界线周长，m;ρs为泥浆密度，t/m3;t泥浆剪切屈服应力，kN;μs2为泥浆黏滞度系数，N.S/m2。雷诺数为

Re=4Awvwρs/μsPkw （8）

将赫斯特罗姆数相对应的临界雷诺数与式（8）对比，即可确定挖斗操作的极限速度。一般来说，直径为1m的挖斗的操作速度大于1m/s时，就可能发生湍流，从而影响槽壁稳定。

4超深地连墙槽壁稳定控制方法

4.1黏土-中砂交互地层失效机制分析

地层中粉质黏土、淤泥夹砂、中细砂层的淤泥层、黏土层、砂层呈软硬交互层叠形态，且中粗砂和卵石地层为含水强透水地层，埋藏深，厚度大。采用FLAC3d模拟槽段三维开挖，研究槽壁稳定性破坏模式。模拟槽段长8m，宽0.8m，模型以槽段短边中点连成的矩形为对称面，取一半的槽段及周边地层，短边外侧延伸6m，长边外侧延伸19.6m，槽段深60m，模型深度方向取70m。采用摩尔-库伦本构模型，槽壁节点上按深度方向施加“驼峰”型护壁压力，采用剪切应变率分析潜在的深层滑移带，以分析黏土一砂互层层条件下的潜在破坏模式。计算参数取值见表1。

采用摩尔一库伦模型，地下水位以下采用浮重度计算槽壁内部剪切应变，根据剪切应变分布判断土体深层滑移带形态。当泥浆护壁压力不足时，计算的槽壁潜在失稳模式见图7。潜在的破坏存在3个区域：①顶部的滑移破坏模式;②中砂一黏土交互层区域，首先出现在淤泥夹砂层，逐渐扩展到中砂层，剪切滑移带顶部被粉质黏土层隔断;③卵石层，剪切滑移带被粉质黏土层隔断。计算剪切位移大小依次为区域①>区域②>区域③。

4.2护壁泥浆参数指标

根据以上研究，确定福州地铁5号线泥浆配制应以中砂一黏土交互层的稳定性控制为依据。根据统计资料[11]，不同土质条件下的泥浆参数选用范围见表2。

泥浆黏度对泥皮抗渗强度的增加类似于泥浆静置渗透时间的效果，但黏度大于30s之后，泥皮抗渗能力增加效果逐渐降低。泥浆相对密度可参考表3选用。

泥浆含砂率可按砂性地层小于5%、黏土地层小于3%的标准配制。参照上述选用及本工程实践，最终拟定指标为：比重1.06-1.08g/cm3、黏度25-30s、含砂率小于4%、pH值8-9。

4.3开挖速度的控制

控制开挖速度是槽壁稳定控制的关键。抓斗作业过程中，运动速度不得大于1m/s，砂一黏土地层开挖下切速度不宜大于1m/h，必要时可采用静置1-2h后再继续开挖的调控方法，其他地层可加快下切速度，但也不宜高于3m/h。

4.4强渗透卵石层应急预案

对于强渗透卵石层，在成槽过程中，可能出现泥浆大量漏失、引起槽孔坍塌的情况。可采用以下4种应对措施：①预灌浓浆。根据强漏失地层分布情况，预先布置灌浆孔，灌注黏土水泥浆或黏土水泥砂浆，封闭强漏失地层渗漏通道。②投放堵漏材料。准备好黏土、碎石土、锯末、水泥等堵漏材料，一旦发现漏浆较大，应及时堵漏。③投放单向压力封闭剂。单向压力封闭剂对孔隙及微裂隙漏失，堵漏速度快，效果好，能迅速形成具有一定强度的非渗透性带，阻止泥浆进入孔壁地层，显著降低泥浆滤失量，又不影响泥浆流变性能。④在泥浆中添加重晶石粉。重晶石粉能够增大泥浆密度，并且具有较强的封闭孔壁功能，而且不易沉淀。

5工程应用效果

建新南路站直型墙56幅，L型墙4幅，Z型墙4幅，设计地连墙宽0.8m。选取A-15、A-19、B-30进行工艺试验，各槽段长分别为5.4m、5.4m、6m。采用传统的三抓依次成槽一次到底施工工艺，成槽机定位抓斗平行于导墙面，抓斗的中心线与导墙的中心线熏合，抓斗靠其白熏缓速下放，并避免放空冲放。每槽段成槽挖土过程中，抓斗中心每次对准放在导墙上的孔位标志物，以保证挖土位置准确。抓斗闭斗下放，开挖时再张开。控制抓斗升降速度小于1m/s，每斗进尺深度控制在0.3m左右。根据地层地质条件，在深20-35m范围内，控制下切速度不得超过1m/h。同时在槽孔混凝土未灌注之前严禁重型机械在槽孔附近行走产生振动。对已经实施的64个槽段全部进行超声波检测，声波检测结果表明：由于控制了下切速度，虽然在20-35m范围内部分泥浆渗入中砂地层，该段泥皮成型密实，槽段稳定性及垂直度均得到有效控制。64幅地连墙无塌孔现象，且地连墙垂直度均不大于1/300，合格率100%。

6结语

地连墙成槽施工的技术关键是槽壁稳定性控制，其中护壁泥浆的质量控制是核心，目前主要依靠工程经验。研究了开挖过程泥浆成皮条件及泥皮抗渗强度的演化规律，揭示了泥浆护壁压力作用与槽壁的空间分布、时间演化规律，对提高槽壁稳定控制技术水平具有熏要意义。研究了槽壁不同高程泥皮抗渗强度随开挖过程的演化规律，结果表明，由于泥浆成皮效果受渗透压力与时间双重影响，沿槽壁深度方向，泥浆护壁压力呈“驼峰”型分布，与传统的三角形护壁压力的假设完全不同。研究还发现，槽壁稳定性的薄弱环节位于开挖面以上5-10m范围内，主要受开挖下切速度影响，对于危险地段，采用降低开挖下切速度的方法能有效提高泥浆护壁压力。研究结果表明，开挖下切速度是控制开挖面附近槽壁稳定的关键。

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收稿日期：2019-04-08

作者简介：靳利安，男，高级工程师，主要从事城市轨道交通工程技术及项目管理等方面的工作。E-mail： 361381292@qq.com