地鐵換乘站無槽壁加固地下連續(xù)墻成槽施工數(shù)值分析

李瑞康， 馮衛(wèi)星, 趙強(qiáng)虎， 安辰亮， 張習(xí)穎， 于 騰

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中交隧道局工程有限公司，江蘇 南通 226009)

1 工程概況

南通市軌道交通1號線是線網(wǎng)中一條西北～東南向沿江發(fā)展軸敷設(shè)的軌道交通主干線，線路起自通州區(qū)平潮站，止于開發(fā)區(qū)振興路。線路全長39.182 km，設(shè)地下站28座，與軌道交通規(guī)劃其它3條線形成6次換乘，建成后將成為沿城市發(fā)展主軸布置的軌道交通主干線。工程全線主要穿越富水砂層，施工中極易產(chǎn)生流砂、滲流、管涌等不良現(xiàn)象，老城區(qū)段建設(shè)條件較復(fù)雜、實(shí)施難度高、車站施工風(fēng)險大、環(huán)境保護(hù)要求高，且全線工期較為緊張[1]。

一期工程07標(biāo)段位于開發(fā)區(qū)通盛大道主干道，起始里程為K38+939.500，終點(diǎn)里程為K41+859.100，共長2 919.6 m，其中包含2個車站以及2個區(qū)間。

能達(dá)商務(wù)區(qū)站位于通盛大道與星湖大道路口，沿通盛大道南北向布置。車站為14 m島式站臺地下二層車站，車站凈長288 m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深為16.76 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用28.56 m深、800 mm厚的地下連續(xù)墻；換乘段采用44.09 m深、1 000 mm厚的地下連續(xù)墻，共95幅；端頭井基坑深約18.46 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用31.8 m深、800 mm厚地下墻，共27幅。換乘段采用無槽壁加固地下連續(xù)墻成槽施工方法。站區(qū)處于沖—海積新三角洲平原，場地較為平整。地下連續(xù)墻下穿土層從上到下依次為：填土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、粉砂。

2 成槽施工數(shù)值分析的必要性

成槽工藝是地下連續(xù)墻施工中最重要的工序，常常要占到槽段施工工期的一半以上，因此做好挖槽工作是提高地下連續(xù)墻施工效率及保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵[2]。若成槽質(zhì)量出現(xiàn)問題，則會導(dǎo)致基坑在開挖過程中出現(xiàn)地下連續(xù)墻滲漏、露筋、鼓包等現(xiàn)象，嚴(yán)重者往往會影響施工進(jìn)度，對基坑工程帶來難以估量的損失。目前，在施工過程中往往注重于對基坑開挖階段采取監(jiān)測手段，而忽視了地下連續(xù)墻成槽過程中對周邊環(huán)境造成的影響。事實(shí)上，地下連續(xù)墻成槽施工也經(jīng)歷了一系列的開挖和土體擾動過程，必然產(chǎn)生一定的地層變形與位移，地下連續(xù)墻成槽過程中如果控制措施不當(dāng)而引起的地面沉降可占后期總沉降量的30%～50%[3]。

地下連續(xù)墻的成槽施工通常會輔以槽壁加固措施來確保槽壁自身的穩(wěn)定以及減少施工過程中對周邊環(huán)境造成的影響。能達(dá)商務(wù)區(qū)換乘站地質(zhì)條件復(fù)雜，成槽土層經(jīng)過粉土、粉砂等高靈敏、易液化的土層，換乘段地連墻入土深度達(dá)44 m，且能達(dá)商務(wù)區(qū)站地連墻施工采用無槽壁成槽，施工中對成槽控制的風(fēng)險更大。為減少成槽施工對后續(xù)工程造成的影響，保證后期基坑工程施工的順利進(jìn)行，通過FLAC3D分析能達(dá)商務(wù)區(qū)站換成段標(biāo)準(zhǔn)槽段成槽開挖的變形規(guī)律，為施工決策提供參考，保證施工安全、順利進(jìn)行。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型及參數(shù)

能達(dá)商務(wù)區(qū)站地下連續(xù)墻總幅數(shù)達(dá)122幅，地連墻分段施工，整體成槽開挖模擬不僅工程量大，且實(shí)際應(yīng)用價值不高，故選取具有代表性的換乘段標(biāo)準(zhǔn)槽段作為成槽開挖的模擬對象，并對其成槽開挖過程中槽壁的位移、應(yīng)力及周邊土體的沉降進(jìn)行分析。

在數(shù)值模擬中模型的尺寸大小為30 m ×15 m ×60 m，標(biāo)準(zhǔn)幅段成槽面積為6 m×1 m，沿槽段深度方向開挖45 m，水平面內(nèi)平行于槽段x方向?yàn)閇-12,18]，垂直于槽段z方向?yàn)閇-7,8]，開挖成槽y方向[0,60]，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)24 400個，模型單元數(shù)21 600個，并根據(jù)地質(zhì)勘查報告對相應(yīng)土層進(jìn)行了合并，在模型建立時分為5個土層。計算模型如圖1所示。邊界條件為：x方向約束，x=-12 m和x=18 m的外邊界面分層土體開挖計算選用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，巖土力學(xué)計算參數(shù)參考能達(dá)商務(wù)區(qū)站巖土勘察報告的固結(jié)快剪試驗(yàn)取值，如表1所示。

圖1 地下連續(xù)墻成槽開挖計算模型

表1 計算模型土層參數(shù)

3.2 地下連續(xù)墻成槽開挖工況

為了契合現(xiàn)場工況，在計算模型中模擬實(shí)際成槽施工的三序開挖(如圖2所示)，在此種工況下討論每次開挖深度對側(cè)壁以及地表影響的變化情況，每次開挖深度分為1 m、3 m以及5 m三種情況，分析了每次3 m開挖情況下不同泥漿重度對側(cè)壁及地表的影響。每種工況都是在每開挖一步的情況下及時進(jìn)行泥漿灌注(在模型中施加對側(cè)壁及底端的力來實(shí)現(xiàn))。

圖2 成槽施工的三序開挖

在模型中計算步驟主要分為：①對劃分的土體單元進(jìn)行參數(shù)賦值，并構(gòu)建初始應(yīng)力場，位移清零。②土體在泥漿護(hù)壁作用下進(jìn)行開挖，泥漿對土體的護(hù)壁作用通過對單元節(jié)點(diǎn)施加梯度力實(shí)現(xiàn)。泥漿對槽壁、槽底施加力的計算公式為σ=γbh，γb為泥漿的重度，h為開挖所處的深度。模型中所施加的力如圖3所示。

圖3 成槽開挖受力示意圖

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 開挖步長1 m、3 m、5 m時的側(cè)壁位移

在泥漿護(hù)壁作用下側(cè)壁位移沿深度方向的變化如圖4所示。從圖中可以看出，3種工況下的側(cè)壁

圖4 不同開挖步長時的側(cè)壁位移

位移最大值均位于25 m處，且隨著開挖步長的擴(kuò)大側(cè)壁位移的最大值有所增加，但從1 m及3 m開挖步長的位移曲線來看變化幅度不大，且考慮到實(shí)際施工中的時間控制(1 m開挖步長常會導(dǎo)致成槽機(jī)多次跳挖而增加施工時間)，推薦選取3 m開挖步長作為現(xiàn)場成槽的每步深度。

另外，從圖中的位移變化可以看出淺層槽段(0～5 m)周圍土體的位移變化較快，說明淺層槽段土體更容易失穩(wěn)的主要原因是開挖過程中土體側(cè)向位移變化過快，實(shí)際施工中也有可能是泥漿注入不及時所導(dǎo)致的。

3.3.2 不同泥漿重度下的側(cè)壁位移

不同泥漿重度下成槽開挖所產(chǎn)生的側(cè)壁位移結(jié)果如圖5所示。對比泥漿重度為11 kN/m3和12 kN/m3的情況可知，適當(dāng)增加泥漿重度會有效改善淺層土體位移變化幅度過大的問題。但是泥漿重度增加，深部側(cè)壁位移也大幅增加，最大值增加幅度超過40%(最大側(cè)壁位移由原來的8 mm增加到14.6 mm左右)，然而最大側(cè)壁位移的位置仍處于25 m左右。

圖5 不同泥漿重度下的側(cè)壁位移

3.3.3 開挖步長3 m、5 m成槽施工所引起的土體沉降

開挖步長3 m及5 m成槽施工所引起的最終土體沉降位移如圖6所示。對比兩圖可知，3 m開挖步長引起的地表沉降，在槽段附近小于5 m開挖步長所引起的地表沉降，兩者的最大值分別為13.6 mm和16.0 mm，由此可知，合理的開挖步長可以有效的控制地表沉降。并發(fā)現(xiàn)，在無槽壁加固情況下，兩者的地表沉降相對來說較小，可以說明實(shí)際施工過程當(dāng)中采用無槽壁加固開挖方法是合理的，減少了施工過程中土體槽壁加固所占用的時間。

圖6 成槽施工所引起的最終土體沉降

4 結(jié)論

(1)無槽壁加固地下連續(xù)墻成槽開挖施工過程中采取合理的開挖步長可以有效控制槽壁周邊土體沉降及側(cè)壁位移。

(2)嚴(yán)格控制施工過程中槽內(nèi)注入的泥漿重度可以在一定程度上防止淺層土體失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)模擬分析表明，無槽壁加固狀態(tài)下周邊土體的沉降及側(cè)壁位移均在合理的控制范圍之內(nèi)，為現(xiàn)場進(jìn)行成槽施工提供了理論依據(jù)。

(4)本次模型計算過程中沒有考慮現(xiàn)場施工荷載對側(cè)壁的影響，通常成槽及運(yùn)土機(jī)械均處于槽壁一端，是現(xiàn)場施工中不可忽略的一部分，且會對周圍土體產(chǎn)生影響。現(xiàn)場可采取在槽壁周圍鋪設(shè)路基鋼板等措施，將機(jī)械對土體的偏心集中荷載轉(zhuǎn)換為分布在土體上的均布荷載，減低影響程度。