（水利水电工程专业论文）竖井地下连续墙施工技术研究.pdf

摘要 在地下连续墙支护下竖井逆作法施工是一种常用的竖井施工工法。目前地下 连续墙技术广泛地应用于地铁、市政、水工、交通、建筑等领域，从深度和厚度 都发展较快，对地层的适应方面也要求较低，在深基坑工程中，地下连续墙支护 占据了很大一部分比例。可以说，我国的深基坑技术发展离不开地下连续墙技术 的提高。但由于地下连续墙对施工技术要求较高，施工中发生各种事故的机率也 较大，特别坍塌事故，因此保持槽壁稳定是施工中的重点。地下连续墙槽壁坍塌 原因很多，与成槽精度、护壁技术、成槽顺序、施工管理水平都有关系。在穿黄 工程北岸竖井地下连续墙施工中，通过数值计算，找出影响槽段侧壁稳定的主要 因素，如地下水位、泥浆液面高度、泥浆重度、地面超载、超深导墙等，然后确 定施工方案。成槽时机对于保持槽孔稳定也很关键，为此专门采用程序进行优化。 同时，对超长超重的钢筋笼制安技术、水下混凝土浇筑技术进行研究。 竖井施工期稳定问题其实就是深基坑稳定问题，由于本工程竖井较深，地下 水位较高，地下连续墙采用铣接头直接连接，因此施工期降水排水问题较为突出， 底板的隆起破坏及其它失稳都有可能发生。国内外对这方面的研究比较多，但在 许多已建的工程实例中发现，这些计算理论及计算公式都不同程度地存在着局限 性，本文通过对深基坑计算理论的分析研究，找出适合本工程的计算方法，同时 在研究过程中对基坑稳定计算理论进行探讨并提出见解。 关键词：竖井地下连续墙成槽技术逆作法深基坑抗隆起稳定分析 a bs t r a c t t h ei n v e r s ec o n s t r u c t i o nm e t h o dw i t ht h es u p p o r to ft h eu n d e r g r o u n dd i a p h r a g m w a l li sac o m m o nw a yt ob u i l das h a f t n o wt h et e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h e f i e l d so fs u b w a y , m u n i c i p a lp r o j e c t ，w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t ，t r a n s p o r t a t i o n ， a r c h i t e c t u r ea n ds oo n i th a sb e e nd e v e l o p i n gq u i c k l yi nv i e wo ft h ed e p t ha n d t h i c k n e s s ，a n di th a sl o wd e m a n do fa d a p t a t i o nt og r o u n d i nt h ep r o j e c to fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ，t h es u p p o r ta n dp r o t e c t i o nw i t ht h e u n d e r g r o u n dd i a p h r a g mw a l lo c c u p i e sav e r yh i g hp r o p o r t i o n i tc a nb es a i dt h a tt h e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o nd e p e n d so nt h ed e v e l o p m e n t o fu n d e r g r o u n dd i a p h r a g mw a l l b e c a u s et h eu n d e r g r o u n dd i a p h r a g mw a l lh a sah i 【g h d e m a n di nb u i l d i n g ，t h e r ei sah i 曲a c c i d e n t a lp r o b a b i l i t yi nt h ep e r i o do fc o n s t r u c t i o n ， e s p e c i a l l yt h ea c c i d e n to fg r o u n ds i n k i n g t h e r e f o r e ，m a i n t e n a n c eo ft h es h a f tw a l l s t a b i l i t yi st h ek e yp o i n t t h e r ea r em a n yr e a s o n sf o rs i n k i n go ft h eu n d e r g r o u n d d i a p h r a g mw a l l ，i n c l u d i n gp r e c i s i o no fs h a f te x c a v a t i o n ，t e c h n o l o g yo f w a l lp r o t e c t i o n ， s e q u e n c eo fs h a f te x c a v a t i o na n dl e v e lo ft h ec o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t i nt h e c o n s t r u c t i o no ft h eu n d e r g r o u n dd i a p h r a g mw a l li nt h en o r t hs h a f to ft h ey e l l o wr i v e r c r o s s i n gp r o j e c t ，w i t hm a t h e m a t i cc a l c u l a t i o n ，w ed i s c o v e r e dt h em a i nf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo ft h es h a f tw a l ls u c ha st h es u b s o i lw a t e rl e v e l ，m u dl i q u i d l e v e l ，m u ds p e c i f i cw e i g h t ，g r o u n do v e r l o a d ，e x t r ad e e pw a l la n ds oo n ，t h e nt h e c o n s t r u c t i o np l a nw a sd e c i d e d b e c a u s et h ee x c a v a t i o nt i m ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n s t a b i l i t y , w ei m p r o v e di tu s i n gas p e c i a lp r o g r a m a tt h es a m et i m e ，w ed i dr e s e a r c h o nt h ef a b r i c a t i o na n di n s t a l l a t i o n t e c h n o l o g yo ft h e e x t r a l o n g a n dh e a v y r e i n f o r c e m e n tc a g ea sw e l la st h et e c h n o l o g yo fs u b m a r i n ec o n c r e t ep l a c e m e n t i nf a c t ，t h es t a b i l i t yo fs h a f tc o n s t r u c t i o na c t u a l l yl i e sw i t ht h es t a b i l i t yo fd e e p f o u n d a t i o ne x c a v a t i o n b e c a u s et h es h a f ti nt h i sp r o j e c ti sp r e t t yd e 印a n dt h es u b s o i l w a t e rl e v e li sp r e t t yh i 曲，t h eu n d e r g r o u n dd i a p h r a g mw a l lu s e dt h ed i r e c tc o n n e c t i o n w i t ht h em i l lj o i n t t h e r e f o r e ，d r a i n a g ei nc o n s t r u c t i o ni sap r o m i n e n tp r o b l e m , a n d a b s t r a c t t h eb o t t o mu p h e a v a la n do t h e ri u s t a b l ec a s e sm a yo c c u r t h o u g ht h e r ea l em a n y r e s e a r c h e si nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s ，al o to fl i m i t a t i o n s 舡ef o u n di nt h e c o m p u t a t i o nt h e o r ya n df o r m u l a su s e db yo t h e rf i n i s h e dp r o j e c t s t h i st h e s i si st of i n d ag o o dm e t h o df o rt h i sp r o j e c tt h r o u g hs o m ea n a l y s i sr e s e a r c h e so nt h ec o m p u t a t i o n t h e o r yo fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n a tt h es a m et i m e ，w ed i ds o m ed i s c u s s i o n si n t h er e s e a r c ha n do f f e r e ds o m eo p i n i o n s k e y w o r d s ：s h a f t , u n d e r g r o u n dd i a p h r a g mw a l l ，s h me x c a v a t i o nt e c h n o l o g y , i n v e r s e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，d e e pf o u n d a t i o np i t ，a n t i u p h e a v a l ，s t a b i l i t ya n a l y s i s 2 独创性声明 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 剃姗辫黼和7 年日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期： 7c 刁 日 导师签名： 彩叙 签字蹴习年么肭日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 南水北调中线穿黄工程经过多年论证后，确定采用隧洞方案穿越黄河。经水 力计算，需修筑两条洞径7 0 m 、长度4 - - - 5 k m 的隧洞。黄河底部地质条件复杂， 隧洞承受较大的内外水压力，特别是隧洞成洞条件差，地层主要为砂层、土层和 砂土混层，地下水位高，自稳能力差。为保证施工的安全、可靠、快速，经多年 论证，隧洞掘进采用泥水平衡式盾构机施工。盾构机在铁路、城市交通应用广泛， 但在水利工程上鲜有采用，只在万家寨1 1 、大伙房【2 】等工程采用t b m 机进行岩 洞( 硬岩) 钻进，目前采用盾构施工、基础为软基、在成洞后承受很大内水压力 的隧洞，国内还没有工程先例。因此，穿黄工程是整个南水北调中线工程中最具 技术难度的一项工程，施工中充满了风险，施工难点是盾构机首次在水利工程中 应用带来一系列前所未有的挑战，如盾构机选型设计、盾构始发井的修筑、盾构 始发方案、盾构河底掘进、隧洞衬砌结构、隧洞防渗问题等。 根据穿黄工程总进度计划，穿黄工程从2 0 0 5 年9 月开工，2 0 1 0 年3 月完工， 北岸竖井作为盾构机的始发井，计划2 0 0 7 年3 月底前完工，具备盾构机安装条 件。北岸竖井施工是穿黄工程开工以来所遇到的第一个难题，竖井深4 8 1 m ，位 于黄河北岸滩地，地下水位高，基础条件差，竖井方案为先施工地下连续墙，然 后再进行竖井开挖和钢筋混凝土内衬浇筑。地下连续墙深达7 6 6 m ，厚1 5 m ，是 国内最深最厚的地下连续墙，施工难度非常大，地下连续墙完工后，竖井内衬施 工采取边开挖边衬砌的从上至下“逆作法”浇筑方案，施工中存在较大的内部涌水 涌砂风险，竖井地连墙的稳定非常重要。虽然设计单位对地下连续墙及竖井本身 进行过大量的计算研究，但由于穿黄竖井地处中细砂层，地下水位高，施工期稳 定问题尤为突出，加上穿黄竖井结构复杂，施工工期紧张，国内还没有类似已建 工程成果可以借鉴，因为必须结合实际地质条件，对施工技术进行认真研究，选 择合适的施工机械和施工方法，并对施工期各阶段进行稳定分析，同时加强施工 管理，提高施工质量，才能确保地下连续墙及竖井施工的安全顺利。 穿黄工程北岸竖井施工中存在的重点问题有： 第一章绪论 ( 1 ) 如何保持地下连续墙槽壁稳定性； ( 2 ) 如何制安超长超重钢筋笼； ( 3 ) 水下混凝土浇筑技术研究； ( 4 ) 如何保持竖井结构在施工中的稳定性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地下连续墙技术 地下连续墙技术起源于意大利，1 9 5 0 年意大利米兰i c o s 公司首先采用了排 桩式地连墙。1 9 5 4 年这种方法传入法国、西德，1 9 5 6 年传入南美，1 9 5 7 年加拿 大开始使用，1 9 5 9 年传入日本，现今日本已成为世界上应用地连墙最多的国家。 1 9 5 8 年我国引进了此项技术并应用山东月子口水库的施工中，采用的是排桩式 素混凝土地连墙作为防渗心墙并取得成功。此后在水电工程得到了推广应用，继 水电部门之后，煤炭系统在竖井施工中，采用这种方法通过流砂层【3 卜【6 1 。 地下连续墙的施工方法是在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周 边轴线，依靠泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后在槽内吊放钢筋 笼，然后用导管法灌筑水下混凝土，筑成一个单元槽段，如此逐段进行，以特殊 接头方式，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁，作为截水、防水、承重、挡 土结构。它特别适用于地下挡土防渗结构。 地下连续墙具有以下优点7 h 1 0 】： ( 1 ) 墙体刚度大，强度高，可承重、挡土，截水、抗渗，耐久性能好； ( 2 ) 用于密集建筑群中建造深基础，对周围地基无扰动，对相邻建筑物， 地下设施影响较小；可在狭窄场地条件施工，原有建筑物的最小距离可达0 2 m 左右；对附近地面交通影响小； ( 3 ) 可用于逆作法施工，使地下部分与上部结构同时施工，大大缩短工期； ( 4 ) 比常规方法挖槽施工可节省大量土石方，且无须降低地下水位； ( 5 ) 施工机械化程度高，劳动强度低，挖掘效率高； ( 6 ) 施工振动小，噪声低，有利于保护城市环境； ( 7 ) 在地面作业，无须放坡、支模，施工操作安全； ( 8 ) 多头挖槽机上装有自动测斜、纠偏、测深、测钻压、钻速、功率等装 2 第一章绪论 置，能保证成槽尺寸准确，成槽精度高，垂直偏差小，扩孔率低，表面平整、光 滑； ， ( 9 ) 可用于多种地质条件，包括淤泥、粘性土、冲积土、砂性土及粒径5 0 m m 以下的砂砾层中施工，深度可达5 0 m 。只不适于在溶岩地段、含承压水很高的细 砂、粉砂地层以及很软的粘性土层使用。 地下连续墙的缺剧1 1 】：施工需要较多的机具设备，一次性投资较高，施工工 艺较为复杂，技术要求高，质量要求严，需具有一定的技术水平，施工操作不善 易出现塌孔、混凝土夹层、超挖、表面粗糙、渗漏等问题，要有适用于不同地质 条件的护壁泥浆的管理方法以及发生故障时所要采取的各项措施【1 2 】。 近年来国内外地下连续墙的发展趋势【1 3 】【14 】： ( 1 ) 逐渐广泛地应用预制桩及板式地下连续墙； ( 2 ) 地下连续墙技术向大深度，高精度方向发展； ( 3 ) 聚合物泥浆已经实用化； ( 4 ) 废泥浆处理技术已经实用化。 目前我国已完成的规模较大的地下连续墙有：武汉阳逻长江公路大桥南锚碇 工程基础围护f 1 5 j ，采用厚1 5 米、深6 0 米、内径7 0 米圆形地下连续墙、逆作法 内衬工法，基坑开挖深度为4 1 5 m ，2 0 0 4 年4 月完工；江苏润扬( 镇江扬州) 长江公路大桥的南汊悬索桥北锚碇基坑【l6 1 ，采用厚1 2 m 的钢筋混凝土地下连续 墙及现浇钢筋混凝土内支撑支护，地下连续墙平均施工深度5 3 m ，基坑开挖最大 深度4 8 m ，2 0 0 1 年1 0 月完工。在国外，日本东京湾液化天然气储存库为圆筒形， 基坑内径6 8 m ，开挖深度4 6 m ，采用地下连续墙作为基坑的开挖支护结构，地下 连续墙采用混合桩柱法施工，墙深8 6 m ，墙厚1 2 m 。有资料显示，日本己开发 出钻深1 5 0 1 7 0 m ，墙厚3 2 m 的大深度，厚壁地下连续墙施工法【1 7 】。目前我国 也成功实施了一批5 0 m 以上深度的地下连续墙，墙体厚度最厚1 5 m ，受制于开 槽机械的限制，从数值上看地下连续墙规模与国外仍有差距，但许多工程的施工 技术难度，在国际上都是罕见的，现在我国地下连续墙的施工技术在整体上已达 国际先进水平。穿黄北岸地下连续墙从深度到厚度，在国内都处于前列。 第一章绪论 1 2 2 竖井基坑支护技术 施工中如何保持竖井的稳定问题实际上就是对板式支护基坑的稳定分析研 究，最早提出基坑围护分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在4 0 年代就 提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法；5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法；6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深 基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预估的准确性，并从 7 0 年代起产生了指导开挖的法规。6 0 年代末邓肯等人将有限元法用于深基坑开 挖分析，开创了数值模拟基坑开挖的先河。 从8 0 年代起，我国逐渐步入了深基坑设计施工领域，进入9 0 年代以来，基 坑围护问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一，有人称之为“基坑热”。 目前我国基坑及其围护状况总的来说具有以下特点： 深：基坑越挖越深。过去地下建1 2 层地下室还不算普遍，现在大城市特别 是沿海城市，地下3 n 4 层已很常见，5 - 6 层也不乏其者。基坑深度多在1 0 1 6 m 之间，上海吴泾、闵行污水处理工程顶管工作井基坑深达3 3 7 m 。 差：工程地质条件越来越差。这一点在某些沿地区更为突出，工程往往位于 填海、填湖、淤泥、泥塘或沼泽地，地质条件十分复杂。 密：基坑周围已建或在建高大建筑密集，各种地下管线密布或沿靠重要市政 设施。 低：基坑工程的成功率低，目前在建筑界十分突出，经常有基坑失稳的报道。 调查表明，深基坑挡土支护体系失效或部分失效而导致安全问题和环境问题 的工程占总工程量的1 0 1 5 ，高地下水位软土地区可达2 0 ，个别地区失效 率更高，可见基坑工程成功率之低下【1 8 】。其直接结果造成巨大经济损失，尤其 在沿海地区，基础工程费用己达到或超过整个建筑工程费用的1 3 ，基坑失事往 往还伴有严重的安全事故。 基坑围护结构多种多样，应根据基坑形状、几何尺寸、支护所受的荷载、地 质条件、工程功能、建筑物的基础、上部结构要求及经济环境要求具体而定。下 表列出我国目前在基坑中常用的挡土支护结构的特性及适用条件。 4 第一章绪论 表1 1 我国目前常用基坑支护形式及适用条件 适用条件 围护结构类型开挖优缺点比较 场地及施工条件地质条件 深度 地下水位较高，临软土、淤泥 优点：有一定的挡水能力，施工 钢板桩近基坑边无重要建及淤泥质 1 0 m 迅速，能重复使用；缺点：打桩 挤土，在砂砾层及密砂中施工困 筑物或地下管线 土 难 深层搅拌水泥 基坑周围不具备放优点：桩体连续性好，既可挡土 坡条件，但具备挡 软土、淤泥 1 2 m又可形成止水帷幕；缺点：坑顶 桩挡土墙质土 墙的施工宽度 水平位移较大 内支撑排桩临近基坑边有深基 优点：适应能力强，易于实施现 ( 灌注桩或人础建筑物，或临近不限 2 5 m 场监测；缺点：挖土工作面不开 阔，支撑内力的计算值常与实测 工挖孔桩) 地下水需要保护 值不相符 锚杆排桩( 灌基坑周围施工宽度 锚杆的锚 优点：用锚杆替代内支撑可扩大 注桩或人工挖狭小，基坑用地红 固段需要 作业空间，便于机械化施工；缺 孔桩) 挡土结 线以外允许占用地 有较好的 3 0 m 点：基坑用地红线以外不允许占 土层，其余 构 下空间 用时，需采用拆卸式锚杆 不限 基坑周围施工宽度 优点：对周围环境影响小，适应 地下连续墙( +狭小，地下水位较 性强，抗弯刚度大，整体性能好； 锚杆或+ 内支高，临近基坑边有 不限 6 0 m 缺点：工期长，造价高，废液及 撑)建筑物或地下管线 废弃土体处理困难 需要保护 优点：以地下室的梁板作支撑， 逆作法或半逆 同上不限 l 七o ( 户h + q ) p i h a = ( 1 一2 ) 丘o p z + g ) 一p ；z j 了l 0 0 4 3 式中臌形基础承载力系数，对于矩形沟槽n = 4 ( 1 + b 1 ) ，b 、h 槽的长、宽、深。 后旷静止土压力系数，k o = u ( 1 - u ) ，取0 5 。 m 影响的地面或已有建筑物的均布荷载。k n m 2 。 p 。、p l 一分别为土和泥浆的有效密度。k e d m 3 。 胪一土的泊松比。 z 一考虑计算的深度，m 。 e 广土的压缩模量。 利用式2 1 5 ，便可求得成槽时所需要的临界泥浆密度。 ( 4 ) 槽壁应力计算 在槽壁上取单元土体，根据理论推导得 旷嚣( 1 - e - 2 k f y t a n p ) + 矿协唧 o x = 吒= k e o y ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) t ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 第二章地下连续墙及竖井基坑稳定性分析的基本理论 ( 3 ) 槽壁水平位移 由式2 1 7 和2 一1 8 可得应变公式为： 一( 仃，+ 仃：) 】 一( q + 吒) 】 一( 仃，+ o - ，) 】 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 将上式计算的应变值乘以适当的长度即可求出槽壁某点的位移值。需要注意 的是，土压力系数幻的选择非常重要，必须根据工程实际情况确定，当考虑土 拱效应及土体位移对应力影响时，幻介于静止土压力系数与主动土压力系数之间 【2 7 】 o 2 3 竖井基坑稳定分析基本理论 ( 1 ) 基坑抗倾覆稳定计算公式 常用的计算公式为： k ：丝 m d ( 2 2 2 ) 式中，一被动侧土压力对最下道支撑的力矩，尥一主动侧土压力对最下 道支撑的力矩。 ( 2 ) 圆弧滑动法抗隆起稳定计算公式 按圆弧滑动法计算基坑抗隆起稳定安全k 值，滑裂中一i i , 位于坑底与地下护 墙交点( 取基坑最下道支撑为圆心，k s 值计算公式略) ，k s 值的计算公式如下， 参见图2 4 。 m = e t a n 缈 ( 2 竽+ ) 。+ 三q f d 2 + 詈y 。3 + 铷伊( 4 q f d 2 + 詈y ) + c ( 肋+ 万d 2 ) + a 乙 ， ( 2 - 2 3 ) m = j 1 ( y h + g ) d 2 1 2 ( 2 2 4 ) q q 吒 上q上巳上巳 = = = 已 0 已 第二章地下连续墙及竖井基坑稳定性分析的基本理论 k ：丝 3 丝 ( 2 2 5 ) 式中，缸抗隆起稳定安全系数；m r - 抗滑力矩；m s - 滑动力矩； k a = m n 2 ( 4 5 0 - 1 9 0 2 ) ；y 、c 、妒土的加权平均容重、粘聚力和内摩擦角；g - 地面荷载； 妒开挖面深度处的竖向土压力值，旷畦，+ g ；d - 围护结构插入坑底下土体深度； 胁基坑挖深：m 围护结构抵抗弯矩。 q 地面荷载 n，i i ，t 日k | f k | | 心 i a n i i - o i e i 口7 = r 卜1 + 口 i e 基坑雇面0 i t i - t ，i t n l 胍胍胍漱 i 。 i 裂 、 c 。 图2 _ 4 圆弧滑动法计算简图 取基坑最下道支撑为圆心，k s 值的计算公式为： q f = y h j + q 鸠= ( 1 y h 2 + q h ) k ot a n 妒拼+ 吉q d 2 胁吐( q 心) 一三i ( s m 2 吃- s i n 2 a , ) 一百1y d 3t a i l 札( s i n 2t z 2c o s 一s i n 2 叩。s ) + 2 ( c 。s 口：一c 。s q ) + i 1g - r 疋d 2t a 皿缈 ( - - o r l ) + ( s i i l 口2c o s 口2 一s i n 口lc o s 口1 ) 一i 1 归3 k ot a n g ( c o s 3 ：l f 2 - - c o s 3q ) + c d 2 ( 口：一q ) + 心 f 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) d g +h ，上丝心 ，一2 = = ， = ， k m 第二章地下连续墙及竖井基坑稳定性分析的基本理论 式中，日，至最下道支撑处基坑深：其余各符号意义同前。 ( 3 ) 墙底地基承载力法抗隆起稳定计算公式 汪炳鉴将墙底面作为极限承载力的基准面，参照p r a n d t l 和t e r z a g h i 地基承 载力公式，不考虑基坑尺寸的影响推导的公式，抗隆起稳定安全系数的计算公式 为： k ，：y 2 d n q + c n c 乃( 日+ d ) + g 1 4 ( 2 - 2 8 ) 第三章南水北调穿黄工程概况 第三章南水北调穿黄工程概况 3 1 穿黄工程北岸竖井结构型式 穿黄工程北岸竖井的作用一是作为隧洞施工的盾构机始发井，隧洞施工时盾 构机在井内安装并从此始发，施工过程中泥浆、管片等材料也由此输送，二是隧 洞完工后，对竖井进行改造，内部再浇筑混凝土弯管，成为连接隧洞与明渠的过 水通道。 穿黄隧洞( 见图3 1 穿黄隧洞结构图) 从北岸向南岸掘进，北岸竖井( 见图 3 2 北岸竖井结构图) 位于黄河北岸的滩地内，平面上为两个圆形的竖井结构， 内径1 6 4 m ，内衬厚0 8 m ，外衬( 地连墙) 厚1 s i n ，两竖井中心相距2 8 m 。竖 井顶高程满足防洪需要，为1 0 6 m ，施工平台高程为1 0 5 6 m 。竖井底部考虑盾构 始发需要，高程为5 5 5 m 。竖井外衬，即地下连续墙结构，为竖井内衬施工时的 外围支护，厚度1 5 m ，深度要满足稳定要求，向下部插入一定的深度，至2 9 o m 高程，这样地连墙深度为7 6 6 m 。竖井井口设有3 m 高，2 7 m 宽的冠梁，内衬3 m 一节，与地连墙紧贴一起。在7 5 5 m - 7 2 5 m 高程设一道宽1 5 m 的腰梁，底板高 程5 7 5 m ，厚板厚2 m 。 地连墙底部设有帷幕灌浆，深至1 2 m 高程，深入下部的粘土岩层，竖井底 板以下l o m 范围布置高压旋喷桩加固，竖井始发侧及背始发侧，也布置有高压 旋喷桩。地连墙外l o m 处，还有一道封闭的圆形挡水帷幕，帷幕布置呈跑道形， 厚0 8 m ，为自凝灰浆墙结构，深度达3 4 m 高程。 3 2 边界条件 3 2 1 设计条件 ( 1 ) 工程等级：穿黄工程为一等工程，穿黄隧洞及北岸竖井结构均为1 级 建筑物，竖井施工基坑为一级基坑。 *趟峨犁斗蚓半*嘏单衅巾牟舭惟 i $ 匝霉蛞辱攫韫静三匝 ； 皿恒幂蜒囤鲁希蚕 霉率馨卜搬赫孽暑*诞抖川舔 卜一 团蜒蛞杀崮世暑n-c匝 tlif引llil 墨恒军v-l卑姆f斟警ht辞 湖i i i i 塾 乡77 夕 二= 二： 矗 啊 型 2 悬枣娶上般酞器票*证艟舔 第三章南水北调穿黄工程概况 ( 2 ) 洪水标准：穿黄主体工程采用的黄河洪水标准为3 0 0 年遇洪水设计 q ：1 4 9 7 0 m 3 s ，相应天然水位1 0 4 2 7 m ；千年一遇洪水校核q = 1 7 5 3 0 m 3 s ，相应 天然水位1 0 4 4 7 m ：导流标准采用全年2 0 年一遇洪峰流量q = 1 1 2 1 0 m 3 s ，相应天 然水位1 0 3 9 3 m ( 3 ) 地震烈度：场址区地震基本烈度为度，5 0 年超越概率l o 和5 对 应的基岩面加速度峰值分别为0 1 1 9 9 和0 1 5 8 9 。 ( 4 ) 主河床断面冲刷深度：主河床水面以下最大冲刷深度分别按2 0 m 考虑。 ( 5 ) 建筑物及开挖边坡稳定安全系数 建筑物允许抗滑、抗浮、抗倾及开挖边坡抗滑稳定安全标准详见表3 - 1 。 表3 1 建筑物及开挖边坡稳定安全 计算项目建筑物稳定标准开挖边坡渠道堤坡 分类抗滑稳定抗浮稳定抗倾稳定 抗滑稳定抗滑稳定 建筑物级别 l23 、4 、5 标准标准安全标准安全标准 基本组合 1 3 51 3 01 2 51 1 01 5 01 2 51 5 特殊组l 1 2 01 1 51 1 01 0 51 3 01 1 51 3 厶 i i1 1 01 0 51 0 51 2 01 0 51 1r - - i 注：特殊组合i 适用于施工、检修及校核洪水位情况；特殊组合适用于地震情况； 开挖边坡抗滑稳定安全标准相应的计算方法为瑞典圆弧法： 填筑边坡抗滑稳定安全标准相应的计算方法为毕肖甫法。 3 2 2 地质条件 北岸竖井处于黄河滩地，黄河河床及漫滩地下水为孔隙水和基岩孔隙裂隙 水，孔隙水分布于河槽、漫滩及冲积平原的第四系砂层中，主要为潜水。基岩孔 隙裂隙水赋存于第三系胶结不良的砂岩、砂砾岩中，因粘土岩阻隔作用表现为多 层含水层，该含水层水量较丰富，其补给、排泄均为地下径流。 区内地下水及河水多为微硬水硬水，矿化度一般小于1 o g 1 ，为淡水，地 下水对混凝土均不具腐蚀性。 根据初步设计地质报告，隧洞北岸竖井段地质状况为：中上部为9 中等 强透水的粉细砂、含砾中砂，须采取隔水防渗和固壁措施，下部为q j 壤土层( 顶 板高程4 4 2 m ，厚1 5 m ) ，可利用其隔断地下水后再行施工。标准贯入试验表明， 第四系砂层由上部的松散状往下密度逐渐增加，到9 7 变为中密密实，9 7 下布的砂层均为密实状态，各层力学参数见表3 2 。 第三章南水北调穿黄工程概况 表3 2 穿黄隧洞出口建筑物物理力学指标建议值表 时代层岩性天然状态下物理指标压缩指标抗剪强度承载渗透 序力系数 含水率 干重度 孔隙比比重压缩 压缩凝聚 内摩 系数模量力擦角 e g s ae sc d f k k v 0 1 - 0 2 k n m 3m p a 1口ak p a k p ac m s a l q 4 2 l砂壤土1 4 8 01 4 9 5o 8 0 82 7 0o 1 61 0 2 22 2 02 8 01 2 0 2 粉砂 2 1 1 41 5 0 0o 8 3 32 7 00 1 78 8 78 72 8 41 3 01 1 1 矿 3 细砂 1 9 7 71 5 3 0o 7 6 42 6 90 1 51 0 1 86 72 9 01 4 01 3 1 0 4 4 中砂 1 8 4 91 6 3 0o 6 5 72 6 90 1 21 4 2 06 63 0 51 8 02 6 l o - 3 a l q 4 1 5细砂 2 0 2 61 6 4 1 0 6 4 52 6 9o 1 31 2 0 0 6 0 3 0 0 1 7 01 0 1 0 。3 1 0含砾中2 2 3 31 6 8 90 6 0 02 6 90 1 21 3 3 14 83 2 83 0 02 0 1 砂0 。2 a l q 3 1 2细砂2 3 2 01 6 2 70 6 5 32 6 9o 1 31 2 3 81 0 03 0 02 2 03 3 l o 。3 1 5粉质壤2 7 4 91 5 5 60 7 4 82 7 2o 3 84 5 93 2 82 0 32 0 07 6 1 土 0 。6 3 3 工程施工难点 穿黄工程北岸竖井圆形地连墙设计内圈直径为1 8 m ，外圈直径为2 1 m ，墙厚 1 5 m ，墙深7 6 6 m ，地连墙施工轴线周长6 1 2 6 m 。北岸竖井地层条件大部分为中 细砂层，自稳条件差，地下水位高。根据国内外施工地下连续墙的经验，施工难 点在于保持开挖后槽孔的稳定性，同时长钢筋笼制作安装及水下混凝土浇筑也有 相当的技术难度。 地下连续墙完成后，进行竖井逆作法施工。井内开挖深度达5 0 m ，井外地下 水位也近5 0 m ，竖井施工中底板隆起导致竖井失稳的危险性是存在的。国内外对 深基坑稳定的计算理论很多，但都不同程度的存在一定的局限性和适应性，因此 必须结合本工程实际情况，进行认真分析研究，选取合适的计算方法，通过计算 分析确定施工方案。 1 9 五董嚣喜蛏舞兰出：三哥耳嫠辐静c-n匪 矗鼙聪一韫骶薯善鼍证世豫 第四章地下连续培侧壁稳定性分析 第四章地下连续墙侧壁稳定性分析 保证地连墙槽壁稳定是施工申的难点之一因此有必要对影响连续墙槽壁 稳定的因素进行定性和定量分析，以便确定地连墙成槽方案。 41 泥浆重度对檀壁横向变形的影响 由于泥浆本身具有一定的比重，当槽内泥浆波面高出地下水位时，泥浆就对 槽内土壁产生一定的静水压力，相当于起着液体支撑的作用，可以抵抗作用在槽 壁上的倒向水压力和土压力；另外，泥浆受压力作用后泥浆中的部份水份会渗 入土层中在槽壁上形成一层透水性很低的泥皮从而可使泥浆的静水压力作用 在槽壁上并防止地下水渗入，有效地维护士壁的稳定。 现主要针对泥浆因素中很重要的重度指标采用s i g m a 软件进行有限元分 析以确定泥浆重度对槽壁侧向变形的影响，计算模型见图4 _ l 。泥浆可看作液 体压力施加于槽壁上( 如图示) ，液面距并r n2 0 e r a 两侧约束其水平向位移底 部约束其竖向位移。 图舡i 有限元计算模型 泥浆容重分别为l o5 、1 1 0 、1 1 5 、1 20 、1 2 5 、1 30 k n m 3 时，槽壁侧向变 形见图4 - 2 。 2 i 第四章地下连续墙侧擘稳定性分析 0 1 0 加 3 0 吕 运4 0 醛 5 0 6 0 7 0 8 0 侧向变形( c m ) - 505 1 0 1 5扣为 图4 - 2 泥浆重度对槽壁侧向变形影响的有限元计算结果 计算结果表明：槽壁侧向变形随着泥浆重度的增加而逐渐减小，当泥浆容重 为1 0 5 k n m 3 时，槽壁最大侧向变形达到3 0 1 c m ，当泥浆容重达到1 1 0k n m 3 时，槽壁最大侧向变形为2 6 3 c m ，当泥浆容重达到1 2 0k n m 3 时，槽壁的最大 侧向变形为1 8 5 e r a 。当泥浆容重达到1 3 0k n m 3 时，槽壁的最大侧向变形为 10 7 e r a 。 鉴于泥浆重度对槽壁侧向变形的影响显著，在施工中应适当调整泥浆重度以 保持槽壁的稳定，实际采用了密度为1 1 5 1 2 0 k n m 3 泥浆进行循环，有力的保证 了槽壁稳定。 4 2 泥浆液面高度对槽壁横向变形的影响 施工过程中往往由于管理不善或因泥浆流失导致液面下降而使槽壁产生严 重坍塌。泥浆液面越高，所需泥浆相对密度越小，从而槽壁失稳可能性越小。地 基与基础工程施工及验收规范( g b j 2 0 2 - - 8 3 ) ) ) 也明确规定槽内泥浆面必须高于地 下水位0 5 m 以上【2 8 】。现对本工程泥浆液面对槽壁侧向变形的影响进行有限元分 析。 计算模型见图l ，泥浆比重取1 2 0 ，在对槽壁施加泥浆液体压力时，分别取 泥浆液面与井口平齐，距井口距离分别为0 2 m 、1 0 m 、1 t m 和2 4 m ，所得槽壁 的侧向变形如图4 3 所示。 第四章地下连续墙侧壁稳定性分析 侧向变形( c m ) 图 3 泥浆液面埘变形影响的有限元计算结果 泥浆警4 距井：2 础与井”+ 紫8 变”芋“靴： 图4 0 泥浆波面距井口2 4 m 比与井口平齐侧向变形增加帚 由图4 - 3 和图4 - 4 可以看出： ( 1 ) 槽壁的侧向变形随泥浆液面的升高而逐渐减小； ( 2 ) 泥浆液面的高低对槽壁上部的侧向变形影响较大，对下部的影响较小； ( 3 ) 对于槽壁侧向变形减小的幅度，泥浆液面与井1 ：3 平齐所产生的槽壁侧 向变形比泥浆液面距井口24 m 时最多要小5o e m 。 因此，在施工中，应尽量提高泥浆液面的高度并要及时的进行朴浆。 一e 一避翳 言一掣$ 第四章地下连续墙侧壁稳定性分析 43 地下水压力对槽壁横向变形的影响 本工程地下水位标高为9 80 最大水头压力达6 9 m ，地下水位高，水量丰富 在地下水的压力作用下，容易造成粉细砂的液化和坍塌导致槽段破坏。 地下水对槽壁侧向变形影响的分析计算模型见图斗5 ，取泥浆比重为l2 0 ， 泥浆液面距井口距离2 0 e r a 调整地下水位的高程，分析不同水位埋深对槽壁侧 向变形的影响，分别对水位埋深2o m 、35 m 、4 o m 、5 o m 、6o m 、7 0 m 、1 2o m 、 1 6o m 、2 1o m 和2 6o m 的侧向变形进行计算分析，图4 _ 6 给出了各水位埋深相 对于水位埋深2o m 的槽壁侧向变形碱小量。 图舡5 地下水对变形影响的计算模型 第凹章地下连续墙悄蹙稳定性分析 目f m 4 w z 自女m t 十口) 5 o1 7 , 5 t $ o o 图4 南地下水位对槽壁侧向变形影响的有限元计算结果 从图“9 可以看出地下水位的高低对槽壁侧向变形的影响较为显著并且 随着地下水位埋深的增加，槽壁侧向变形呈减小的趋势，水位埋深2 6o m 的侧向 变形较水位埋深2o m 展大减少2 15 m ，因此在成槽施工中可考虑采用降低地 下水位的措施以保证槽壁的稳定。 4 4 地面超载对槽壁横向变形的影响 在连续墙成槽施工中，靠近槽壁的地面将承受主要来自铣槽机的荷载地面 超载将增加侧向土压力，对槽壁的稳定有一定的影响，因此有必要对地面超载对 槽壁侧向变形的影响进行计算分析，以确定是否需要采取特别措施减小地面荷 载。 计算模型见图4 _ 7 ，泥浆重度取12 0 ，液面距井口距离2 0 c m 取侧向荷载范 围为距外侧槽壁5 2 m 以内，分别计算地面荷载为o k p a 、2 0 k p a 、4 0 k p a 、6 0 k p a 、 8 0 k p a 、l o o k p a 时的槽壁侧向变形，计算结果见图4 - 8 所示。 第四章地下连续墙侧晕稳定性分析 0 1 0 2 0 加 t 话4 0 聪 m 肿 _ 圉4 4 地面超载对变形影响的计算模型 俩向变形( c ) os1 0” 圈蚰地面荷载对槽壁侧向变形影响的有限元计算结果 从图4 - 8 可以看出： ( i ) 地面荷载对槽壁上部的影响较大，槽壁的侧向变形随着荷载的增大而 逐渐增加，地面荷载为l o o k p a 时的侧向变形要比o k p a 时虽多增加57 c m ； ( 2 ) 地面荷载对槽壁的下部几乎不产生影响，而槽壁的最大侧向变形是发 生在下部，因此可以说地面荷载对槽壁的稳定影响很小； 第四章地下连续墙侧壁稳定性分析 ( 3 ) 鉴于以上两点，在施工中对铣槽机底部铺设钢板作适当处理即可 图 9 超株导墙对变形影响的计算模型 第四章地下连续墙侧壁稳定性分析 勺 v