深厚卵石層地下連續墻槽壁穩定性分析及對鄰近地鐵隧道的影響研究

馬 坤

(中國建筑科學研究院，北京 100013)

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深厚卵石層地下連續墻槽壁穩定性分析及對鄰近地鐵隧道的影響研究

馬 坤

(中國建筑科學研究院，北京 100013)

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

深厚卵石層； 地下連續墻槽壁； 穩定性； 地鐵隧道

所謂的地下連續墻也即借助護壁泥漿的作用，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墻體，在承重壓力、抵擋土體和防止滲水中發揮著重要作用[1-2]。盡管當前地下連續墻的成槽技術在不斷進步，然而在施工中仍可能發生接縫夾泥夾碴、墻身混凝土局部疏松、槽壁局部坍陷等危害，尤其當地下連續墻開挖過程中還存在的槽壁失穩、坍塌的隱患，甚至也會危及相鄰建筑的安全[3]。鑒于此，掌握地下連續墻開挖中的墻槽壁穩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墻施工項目為例，應用三維數值分析進行地下連續墻開挖的穩定性模擬，并結合現場實際監測數據分析地下連續墻槽壁自身穩定性和對鄰近11 m多的地鐵隧道的影響規律。

1 工程概況

1.1 工程背景

某工程基坑支護型式采用地下連續墻，基坑東南側為弧形地鐵隧道，東側為已有建筑，北側為已拆遷的空曠場地，工程與鄰近建筑相對位置關系如圖1所示。

圖1 工程與鄰近建筑相對位置關系

1.2 地質條件

根據地質資料，地下連續墻開挖范圍內的土層由上而下分別為：①第四系全新統人工堆積層、②粉質黏土、③細砂、④卵石層、⑤白堊系灌口組。土體物理力學參數見表1。地下連續墻墻底進入風化巖層不少于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，對基礎施工影響較大。

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

2 深厚卵石層地下連續墻槽壁穩定性分析

2.1 槽壁穩定性計算

2.1.1 計算模型

圖2為深厚卵石層地下連續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墻槽壁穩定性，選取成槽區域典型地質條件，建立地下連續墻單槽幅理想模型，模型單幅墻厚1 m、長6 m，深度約為33 m。模型中設置x、y、z方向分別為地下連續墻長度方向、厚度方向、深度方向。模型中土體模型的底面固定約束，頂面設為自由界面，左右邊界為水平約束。利用ABAQUS軟件劃分土體網格時，對地下連續墻槽基礎部分和開挖部分的土體進行加密劃分網格。

圖2 地下連續墻開挖剖面模型

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內聚力標準值c/kPa內摩擦角標準值φ/°基準基床系數kV/(MN·m-3)(1-1)雜填土18//////(2-1)粉質黏土198/1602516/(3-1)細砂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)強風化砂質泥巖202530010450.40(5-2)中風化砂質泥巖21/900//0.50

嚴格來說，地下連續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域典型地質條件下地下連續墻標準段而非靠近角部區段，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墻槽段標準段為截面，通過二維支護結構來模擬。

2.1.2 計算過程

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

用數值模擬地下連續墻槽段開挖過程，考慮到槽段內的初始自重應力場，每次計算后對槽壁變形清零，并作為下一次數值計算的初始條件[7]。槽段的開挖采用空單元(model null)模擬實現，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。圖3為地下連續墻成槽后的泥漿壓力分布示意。

圖3 地下連續墻成槽后的泥漿壓力分布

2.2 結果分析

開挖結束后地下連續墻槽壁的位移云如圖4所示。由于護壁泥漿的壓力小于初始K0壓力，開挖過程中地下連續墻的槽壁水平向應力將產生釋放，因而會產生壓力差，地下連續墻的槽壁內側也必然會發生水平方向的變形[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墻槽壁穩定性是較為理想的。

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 地下連續墻開挖對地鐵的影響

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

第一步：地下連續墻開挖前完成地基加固及地面超載等準備工作[9]?？紤]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，也即在開挖準備階段僅保留其應力水平，工況產生的位移歸0。

第二步：地下連續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區的基礎上繼續降水開挖，直至地下連續墻底部(深約33 m)。地下連續墻開挖后，槽段周圍的土體有了變形的空間，導致臨空區域的出現，由于應力局部釋放，土體內部的應力場平衡被打破，必然會導致連續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準范圍內。

根據上述分析，對比槽壁水平位移、隧道水平位移，開挖過程中地下連續墻的槽壁水平向應力將產生釋放，因而會產生壓力差，地下連續墻的槽壁內側也必然會發生水平方向的變形。可見，在地下連續墻開挖過程中可通過土體的力學加固來改善坑底土體物理力學性能，進而提升地下連續墻槽壁的穩定性，這對該地鐵站后續深基坑的支護設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：*監測值取自第三方監測單位提供的地連墻施工期間監測數據最大值。

4 結論

本文分析了成都某工程地下連續墻開挖過程中自身穩定性及對鄰近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墻槽壁穩定性是較為理想的，且地下連續墻開挖階段槽底的地層變形也較小。同時，雖然地下連續墻開挖會對鄰近11 m的地鐵隧道產生一定影響，但3個工況下的隧道水平位移情況均在控制標準范圍內。究其原因，由于護壁泥漿的壓力小于初始K0壓力，開挖過程中地下連續墻的槽壁水平向應力將產生釋放，因而會產生壓力差，地下連續墻的槽壁內側也必然會發生水平方向的變形?？?見，在地下連續墻開挖過程中可通過適當的預加固措施，以此來改善坑底土體物理力學性能，增大土體的剛度，對于提升地下連續墻槽壁的穩定性，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計工作。

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[定稿日期]2017-05-27