馬 坤

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

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深厚卵石層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析及對鄰近地鐵隧道的影響研究

馬 坤

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

文章以成都某工程地下連續(xù)墻施工項目為例，進(jìn)行地下連續(xù)墻開挖的穩(wěn)定性數(shù)值模擬，分析地下連續(xù)墻槽壁自身穩(wěn)定性及成槽施工對鄰近11 m的地鐵隧道的影響。分析結(jié)果表明：該工程深厚卵石層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性是較為理想的，且對鄰近11 m的地鐵水平位移影響均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

深厚卵石層； 地下連續(xù)墻槽壁； 穩(wěn)定性； 地鐵隧道

所謂的地下連續(xù)墻也即借助護(hù)壁泥漿的作用，利用成槽機械在地面下挖出一定厚度、深度和長度的溝槽，并用混凝土澆筑而成的地下連續(xù)墻體，在承重壓力、抵擋土體和防止?jié)B水中發(fā)揮著重要作用[1-2]。盡管當(dāng)前地下連續(xù)墻的成槽技術(shù)在不斷進(jìn)步，然而在施工中仍可能發(fā)生接縫夾泥夾碴、墻身混凝土局部疏松、槽壁局部坍陷等危害，尤其當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻開挖過程中還存在的槽壁失穩(wěn)、坍塌的隱患，甚至也會危及相鄰建筑的安全[3]。鑒于此，掌握地下連續(xù)墻開挖中的墻槽壁穩(wěn)定性及對相鄰建筑的變形影響特性尤為重要。

本文以成都某工程地下連續(xù)墻施工項目為例，應(yīng)用三維數(shù)值分析進(jìn)行地下連續(xù)墻開挖的穩(wěn)定性模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地下連續(xù)墻槽壁自身穩(wěn)定性和對鄰近11 m多的地鐵隧道的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程背景

某工程基坑支護(hù)型式采用地下連續(xù)墻，基坑?xùn)|南側(cè)為弧形地鐵隧道，東側(cè)為已有建筑，北側(cè)為已拆遷的空曠場地，工程與鄰近建筑相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工程與鄰近建筑相對位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料，地下連續(xù)墻開挖范圍內(nèi)的土層由上而下分別為：①第四系全新統(tǒng)人工堆積層、②粉質(zhì)黏土、③細(xì)砂、④卵石層、⑤白堊系灌口組。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。地下連續(xù)墻墻底進(jìn)入風(fēng)化巖層不少于1 m。

場地地下水類型有第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，其中第四系松散巖類孔隙潛水為主要的地下水類型，對基礎(chǔ)施工影響較大。

在地下連續(xù)墻開挖階段，槽段內(nèi)泥漿液面高度至少要高于地下水位0.5 m，且槽段內(nèi)外的水頭高差較小。本次模擬中忽略地下水的滲流影響，即假設(shè)地下連續(xù)墻槽壁的土體為固結(jié)不排水狀態(tài)。

2 深厚卵石層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析

2.1 槽壁穩(wěn)定性計算

2.1.1 計算模型

圖2為深厚卵石層地下連續(xù)墻成槽開挖過程中槽壁的剖面模型。為分析開挖過程深厚卵石層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性，選取成槽區(qū)域典型地質(zhì)條件，建立地下連續(xù)墻單槽幅理想模型，模型單幅墻厚1 m、長6 m，深度約為33 m。模型中設(shè)置x、y、z方向分別為地下連續(xù)墻長度方向、厚度方向、深度方向。模型中土體模型的底面固定約束，頂面設(shè)為自由界面，左右邊界為水平約束。利用ABAQUS軟件劃分土體網(wǎng)格時，對地下連續(xù)墻槽基礎(chǔ)部分和開挖部分的土體進(jìn)行加密劃分網(wǎng)格。

圖2 地下連續(xù)墻開挖剖面模型

地層編號巖土名稱天然重度r/(kN·m-3)壓縮模量Es/MPa變形模量Eo/MPa承載力特征值fak/kPa內(nèi)聚力標(biāo)準(zhǔn)值c/kPa內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φ/°基準(zhǔn)基床系數(shù)kV/(MN·m-3)(1-1)雜填土18//////(2-1)粉質(zhì)黏土198/1602516/(3-1)細(xì)砂1855100020/(4-1)松散卵石201513180030/(4-2)稍密卵石202521350035/(4-3)中密卵石2136286000380.40(4-4)密實卵石2248378005400.40(5-1)強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖202530010450.40(5-2)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖21/900//0.50

嚴(yán)格來說，地下連續(xù)墻開挖變形分析屬于空間上的三維立體問題，用平面模型來計算可能存在一定誤差。但總體來說，由于所選剖面模型取自成槽區(qū)域典型地質(zhì)條件下地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)段而非靠近角部區(qū)段，因此平面模型建模也是可行的[6]。本文計算模型中以地下連續(xù)墻槽段標(biāo)準(zhǔn)段為截面，通過二維支護(hù)結(jié)構(gòu)來模擬。

2.1.2 計算過程

地下連續(xù)墻墻槽分3次開挖，設(shè)3道支撐。模型采用2D Planar建模，地下連續(xù)墻槽壁各土層均采用Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型，支撐結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。邊界條件為底邊完全固定，墻體兩側(cè)均無水平位移。

用數(shù)值模擬地下連續(xù)墻槽段開挖過程，考慮到槽段內(nèi)的初始自重應(yīng)力場，每次計算后對槽壁變形清零，并作為下一次數(shù)值計算的初始條件[7]。槽段的開挖采用空單元(model null)模擬實現(xiàn)，開挖后槽壁及槽底所受泥漿重度為11 kN/m3，以此迭代計算至平衡狀態(tài)。圖3為地下連續(xù)墻成槽后的泥漿壓力分布示意。

圖3 地下連續(xù)墻成槽后的泥漿壓力分布

2.2 結(jié)果分析

開挖結(jié)束后地下連續(xù)墻槽壁的位移云如圖4所示。由于護(hù)壁泥漿的壓力小于初始K0壓力，開挖過程中地下連續(xù)墻的槽壁水平向應(yīng)力將產(chǎn)生釋放，因而會產(chǎn)生壓力差，地下連續(xù)墻的槽壁內(nèi)側(cè)也必然會發(fā)生水平方向的變形[8]，水平位移云如圖5所示。由此可知，該工程深厚卵石層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性是較為理想的。

圖4 開挖后位移云圖

圖5 水平位移云圖

計算得到地下連續(xù)墻開挖階段槽底的槽壁豎向位移如圖6所示。由此可見，地下連續(xù)墻開挖階段槽底的地層的變形均較小。

圖6 豎向位移云圖

3 地下連續(xù)墻開挖對地鐵的影響

模擬計算地下連續(xù)墻開挖的三個步驟，地下連續(xù)墻開挖前鄰近11 m的地鐵隧道已施工完成。

第一步：地下連續(xù)墻開挖前完成地基加固及地面超載等準(zhǔn)備工作[9]。考慮到地面超載為地鐵隧道上方始終存在的荷載，模型中忽略地面超載壓力對隧道位移帶來的影響，也即在開挖準(zhǔn)備階段僅保留其應(yīng)力水平，工況產(chǎn)生的位移歸0。

第二步：地下連續(xù)墻槽段降水至第一道混凝土撐以下，液壓抓斗開挖至第一道混凝土撐底部，地下連續(xù)墻槽壁位移和第二步鄰近隧道位移如圖7、圖8所示。由圖可知，開挖的第二步地下連續(xù)墻槽壁的最大位移為1.308 mm，此時對鄰近隧道的影響較小，產(chǎn)生的位移約為1.558 mm。

(a)水平位移

(b)豎向位移圖7 第二步位移分布

(a)總位移

(b)水平位移

(c)豎向位移

第三步：在Ⅱ區(qū)的基礎(chǔ)上繼續(xù)降水開挖，直至地下連續(xù)墻底部(深約33 m)。地下連續(xù)墻開挖后，槽段周圍的土體有了變形的空間，導(dǎo)致臨空區(qū)域的出現(xiàn)，由于應(yīng)力局部釋放，土體內(nèi)部的應(yīng)力場平衡被打破，必然會導(dǎo)致連續(xù)墻槽壁和鄰近地鐵隧道變形。由模型計算可知此時地下連續(xù)墻槽壁的最大位移為1.617 mm，此時對鄰近隧道的影響加大，產(chǎn)生的位移約為1.712 mm。第三步位移分布和第三步鄰近隧道位移如圖9、圖10所示。

綜上，地下連續(xù)墻開挖槽壁和對鄰近地鐵影響情況見表2，地連墻開挖3個工況下的槽壁水平位移在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

根據(jù)上述分析，對比槽壁水平位移、隧道水平位移，開挖過程中地下連續(xù)墻的槽壁水平向應(yīng)力將產(chǎn)生釋放，因而會產(chǎn)生壓力差，地下連續(xù)墻的槽壁內(nèi)側(cè)也必然會發(fā)生水平方向的變形。可見，在地下連續(xù)墻開挖過程中可通過土體的力學(xué)加固來改善坑底土體物理力學(xué)性能，進(jìn)而提升地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性，這對該地鐵站后續(xù)深基坑的支護(hù)設(shè)計也有一定參考價值。

(a)水平位移

(b)豎向位移圖9 第三步位移分布

(a)總位移

(b)水平位移

(c)豎向位移

mm

注：*監(jiān)測值取自第三方監(jiān)測單位提供的地連墻施工期間監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值。

4 結(jié)論

本文分析了成都某工程地下連續(xù)墻開挖過程中自身穩(wěn)定性及對鄰近11 m的地鐵隧道的影響特征，計算得到該工程深厚卵石層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性是較為理想的，且地下連續(xù)墻開挖階段槽底的地層變形也較小。同時，雖然地下連續(xù)墻開挖會對鄰近11 m的地鐵隧道產(chǎn)生一定影響，但3個工況下的隧道水平位移情況均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。究其原因，由于護(hù)壁泥漿的壓力小于初始K0壓力，開挖過程中地下連續(xù)墻的槽壁水平向應(yīng)力將產(chǎn)生釋放，因而會產(chǎn)生壓力差，地下連續(xù)墻的槽壁內(nèi)側(cè)也必然會發(fā)生水平方向的變形?？?見，在地下連續(xù)墻開挖過程中可通過適當(dāng)?shù)念A(yù)加固措施，以此來改善坑底土體物理力學(xué)性能，增大土體的剛度，對于提升地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性，減少對地鐵隧道的擾動具有重要意義。

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中國建筑科學(xué)研究院青年基金項目(項目編號: 20151602331030065)

馬坤(1981～)，男，碩士，主要從事巖土工程勘察設(shè)計工作。

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[定稿日期]2017-05-27