原作者:福建省建筑设计研究院 吴铭炳 林大丰 陈金冰 出处:
【论文摘要】论述了薄壁地下连续墙在深基坑支护应用中的设计计算方法、施工工艺、挡土防渗效果和经济效益，并应用工程监测成果，对计算进行了验证对比。
1 前言
钢筋混凝土构筑的地下连续墙，墙体刚度大，不但能承受作用于墙面上的侧压力，还具有挡水防渗能力，且变形小，可以作为主体结构的地下室外墙或其一部分。地下墙施工的成槽机械主要有抓斗式和利用泥浆循环的掘削式设备，施工对周围土体和邻近建(构)筑物影响小，对于基坑开挖工程量大，工期长，或利用地下墙作为主体地下室外墙的工程，具有较好的综合经济效益。但对于一般基坑，由于施工技术复杂，造价较高，现有设备施工的地下墙墙体厚度较大(一般厚800mm左右)，故混凝土用量较大。因而，在一定程度上限制了它的推广应用。
采用射水法建造的薄壁地下连续墙，成槽设备较简单，它利用高压射源破坏地层结构，水土混合使泥砂溢出地面，并通过成型器(长方形350mm×1500mm)上下反复冲击运动，其下刀具进一步破坏土层，修整槽壁，槽孔中泥浆护壁，形成规格尺寸的槽段，经灌注水下混凝土建成单块槽段，单块槽段墙厚380mm，墙段宽1560mm左右，采用间隔跳打，当施工两槽段之间的槽板时，开启侧向射源，将邻近两槽板侧向泥土冲刷干净，这样，使单块槽板相互紧密衔接，形成一道完整的地下墙体，保持了传统地下连续墙的优点，减少砼用量，且这种地下墙单位体积综合价与(冲)钻孔灌注桩接近，从而大大降低了造价。
射水法建造地下连续墙适用于淤泥、粘性土、砂土、砂砾等土层。该法原用于土坝坝体防渗的防渗墙，近年来，该法应用于基坑支护，取得良好的效果，特别在砂土等透水性好的地层中，因其自身良好的止水防渗功能，可节省止水或降水费用，有利于保护环境，社会经济效益显著。
这种地下连续墙壁厚较小，故墙体在开挖深度上的跨度不宜过大，一般一层地下室要设一层支撑，但其整体好，矩形断面有利于抵抗弯矩，在实际应用中发现其变形并不大，完全可以满足支护要求。
2 薄壁地下连续墙的设计计算
地处福建漳州市闹市区的某工程，高20层，框架剪力墙结构，地下室两层，开挖深度8.5m(承台深度9.5m)，基坑占地面积45×37m2，场地西、北约4.0—5.0m外均为居民住宅楼，高1—4层，浅基，砖混结构，场地东侧6m外为某银行，高5层，天然地基，框架结构，场地南侧为街道，街道边埋设有地下管线，环境条件对基坑开挖要求高。场地土层及主要物理力学性质及其它有关设计计算指标见表1。
表1 场地土层主要物理力学性质指标
| 序 号 |
土层名称 |
厚度
h(m) |
天然容重
γ
(KN/m3) |
固结快剪 |
不固结快剪 |
m值
KN/m4 |
渗透
系数K
(m/d) |
| C(Kpa) |
φ(°) |
Cu |
φu |
| ① |
杂填土 |
2.5 |
17.0 |
5.0 |
21.0 |
|
|
4500 |
| ② |
粉质粘土 |
3.8 |
18.6 |
21.0 |
19.6 |
31.0 |
3.2 |
4200 |
| ③ |
含泥中砂 |
3.3 |
19.0 |
12.0 |
34.4 |
|
|
9500 |
| ④ |
粘土 |
0.6 |
17.7 |
15.0 |
16.5 |
21.0 |
3.5 |
4000 |
| ⑤ |
淤泥质粘土 |
1.4 |
16.9 |
9.0 |
13.4 |
16.0 |
2.4 |
3500 |
| ⑥ |
含泥砾粗砂 |
7.2 |
19.6 |
3.0 |
39.7 |
|
|
12000 |
3.72 |
支护结构采用薄壁地下连续墙加设两道钢筋砼角撑，4根立柱，连续墙厚380mm、长度12.5m，槽段宽1560mm，共有106块槽段，如图1所示。这种支护型式在漳州地区属首次应用，设计计算如下：
 
图1 薄壁地下连续墙支护设计图
2.1 土压力计算
采用朗肯公式计算土压力，土的强度取固结快剪指标，被动侧粘性土取快剪指标〔1〕。
2.2 墙体嵌入深度计算与稳定性验算
场地顶部为杂填土、粉质粘土，利用其可自立深度，将第一道支撑降低至地面以下1.7m，支撑以上基坑外的土重、邻近建筑、施工荷载作为地面超载取P0=50Pa，则计算开挖深度为7.8m。
根据静力平衡法原理，计算连续墙嵌入深度〔1〕，第二层开挖力矩平衡所需的嵌入深度Ht=4.2m，设计嵌入深度Hd=1.1×Ht=4.7m，连续墙板块长度12.5m。
将上述方法确定的嵌入深度进行基坑抗隆起稳定性验算〔1〕，可得安全系数Kr=2.17＞1.3，满足要求；并进行整体稳定性验算〔2〕，安全系数Kt=1.59＞1.25，亦满足要求。
2.3 地下连续墙内力计算
地下连续墙内力取一个槽段计算，b=1560mm,h=380mm,保护层α=30mm，采用考虑支撑设置滞后面的m法〔3〕按四种工况计算：
表2为各工况弯矩、剪力、支撑力、位移计算结果，取各工况弯矩包络线计算配筋。
表2 薄壁地下连续墙计算结果 |
| 工 况 |
弯矩(KN/m) |
剪力(KN) |
支撑力(KN/m) |
位移(mm) |
| 最大值 |
深度m |
最大值 |
深度m |
第一层 |
第二层 |
最大值 |
深度m |
| Ⅰ |
开挖深度5.7m |
115.7 |
3.4 |
55.3 |
0.0 |
35.5 |
- |
3.42 |
3.4 |
| Ⅱ |
开挖深度9.5m |
157.6 |
5.5 |
121.7 |
3.4 |
13.3 |
82.4 |
7.08 |
5.5 |
| Ⅲ |
拆除二层支撑 |
160.6 |
3.4 |
66.0 |
0.0 |
42.3 |
- |
7.52 |
4.6 |
| Ⅳ |
拆除一层支撑 |
-75.5 |
4.3 |
-123.2 |
2.0 |
- |
- |
9.14 |
0.0 |
2.4 降水设计计算
本工程场地有两层承压含水层，上部含水层被连续墙止水，可不予考虑，下部承压水水位埋深1.4m，开挖后为防止坑底突涌，必须降低第二含水层的水头压力，满足：
h＜ΣrI.hI/rw/1.2
(1)
式中：h—含水层水头高度；rI—坑底土重度；hI-坑底土厚度；rw—水重度。
将已知值代入上式，得h＜2.7m，即应将第二层地下水位降低6.1m以上，取降至基坑底，S=8.1m。
根据/大井公式计算基坑涌水量：
Q=2.73K.M.S/〔lg(1+R0/r0)〕
(2)
式中：Q—基坑涌水量；K—含水层渗透系数；M—含水层厚度；S—水位降深；R—影响半径， ,R0=R+r0;r0—基坑等效半径；r0=0.29(a+b),a、b基坑长、宽。
将有关参数代入式(2)，得：Q=634.8m3/d，单井设计出水能力q=108m3/d，降水井井数n=1，1Q/q≈7(口井)。
2.5 基坑开挖监测布置
为了确保支护结构和周边安全，需进行监测，在连续墙中共布6个测斜管(与连续墙深度相同)，监测不同深度连续墙水平位移；布一个墙身钢筋应力测试断面，8只钢筋应力计；周边建筑每幢布4—8个沉降观测点监测建筑变形。
本工程基坑支护原设计采用(冲)钻孔灌注桩排桩加设一道圆拱形钢筋混凝土内支撑，圈梁与圆拱断面均为1500×800，8根立柱，排桩桩径 900mm，桩长19.6m，桩中心距1240mm，桩后打两排500mm、长14m粉喷桩止水，场地内注浆加固被动土(从基坑底向下3m，桩向外宽4m)。
与原设计相比，薄壁地下连续墙一种工艺就可达到原设计排桩、粉喷桩、注浆三种工艺的效果，可节省造价约182.5万元，新设计虽然采用两层支撑，但支撑造价仍比原设计节省5.5万元，两种支护形式经济指标对比见表3。
表3 两种支护设计经济指标对比 |
设计
方案 |
挡土结构 |
支撑系统 |
总计
(万元) |
| 类 型 |
造价(万元) |
第一层 |
第二层 |
排桩
粉喷桩 |
钻孔灌桩桩 |
235.5 |
34.0
(万元) |
-- |
350.0 |
| 粉喷桩 |
54.6 |
| 注浆加固 |
25.9 |
| 连续墙 |
连续墙 |
133.5 |
13.4 |
15.1 |
162.0 |
3 支护结构施工与基坑开挖及基坑降水
3.1 地下连续墙施工：
施工前，将场地标高降低1.4mm，夯实连续墙走向附近地面，水平安放轨道，使造墙机在同一电动轨道上行走，确保各槽段垂直度小于1/300，防止连续墙板块之间接触错位，影响止水效果。
每个槽段成槽时间约2—3小时，钢筋笼下笼，接头焊接及混凝土水下灌注共3—4小时，每日可施工3—4个槽段，本工程连续墙施工共43天。
3.2 基坑开挖：
采用机械自北向南退挖，分两层进行，第一层开挖至深度5.1m(南侧中段土预留，以便停放挖掘机)，第二层开挖至深度8.3m，配合少量人工开挖。支撑系统施工与基坑开挖共55天，总计98天，比原设计工期提前38天。
3.3 基坑排水、降水：
开挖第一层时，基坑内只有少量集水，采用明排，开挖第二层时，场地勘察孔冒水，随着开挖深度增大，基坑底部涌水量增大，于是在基坑内打7个降水井抽水，抽取含泥砾粗砂含水层中的地下水，将场地水位下降至基坑底以下。
施工期间，漳州受台风袭击，正在开挖的其它基坑都进水，唯独本工程基坑未进水。
3.4 存在问题及解决或改进办法：
(1)没有专门的清渣设备，故沉渣厚度不能有效控制，本次施工采用加深造孔深度0.3—0.5m作为预留沉渣空间，同时采用隔水栓进行混凝土灌注，加大混凝土初灌的冲击力，减少沉渣。
(2)由于连续墙较薄，灌注水下砼的导管口径较小，稍有不慎，就可能使管内存在空气，出现堵管现象，本次施工，采用的措施是在导管接头加垫密封圈，选用粒径较小的碎石或卵石(粒径小于10-30mm)。
(3)各连续墙板块之间大部分连接效果较好，但有少量粘性土部位连接不够理想，有夹泥现象，说明侧向喷嘴对粘性土不能有效清洗，应将槽段宽度改为1540mm，增加在粘土层的清洗时间，或侧向喷嘴由目前并排3个改为5个呈梅花形布置，加大侧向喷射强度；另外，成形器两端应改成弧形，使板块之间能更有效咬合。
4 应用效果验证
4.1 地下连续墙变形
图2为测斜点平均位移——深度平均曲线，连续墙最大位移在基坑开挖面附近，最大值4.6—17.4mm，计算变形稍偏小，主要是由于计算无法考虑时间效应，实际土体在开挖期间存在蠕变。
图2 连续墙位移—深度曲线对比图
4.2 地下连续墙弯矩
实测深度6.9m(圈梁顶之下5.2m)连续墙钢筋最大拉应力114.9MPa，最大压应力40.6MPa。根据矩形断面钢筋砼受力平衡条件，可计算出薄壁地下连续墙实际弯矩(如图3所示)，与计算弯矩对比(测试时基坑周边没有堆载，故作为对比的理论计算不考虑施工超载20KPa)，从图中可以看出：各工况弯矩变化规律基本相同，但计算值一般偏大，偏于安全。
图3 连续墙弯矩对比曲线图
4.3 邻近建筑沉降
邻近建筑沉降一般为3—5mm，未见任何开裂破坏痕迹。
5 结论
(1)本工程采用薄壁地下连续墙，变形较小，墙身钢筋应力仍有较大安全储备，止水防渗效果好，对周边影响甚微，说明这种支护安全可靠。
(2)薄壁地下连续墙厚度小，混凝土用量小，兼具挡土防渗功能，造价较低。本工程与原设计的排桩支护结构相比，节省造价53.7%；如果利用薄壁地下连续墙作为地下室外墙的一部分，经济效益更加显著。
(3)射水法建造地下连续墙，施工方法简单，施工速度快，对周边影响小。
(4)应对成形器进行适当改进，形成不同厚度规格的成形器，以适用于不同条件的基坑支护，两端呈园弧形，以增强板块之间的咬合。 |
