地鐵換乘站無槽壁加固地下連續墻成槽施工數值分析

李瑞康， 馮衛星, 趙強虎， 安辰亮， 張習穎， 于 騰

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，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號線是線網中一條西北～東南向沿江發展軸敷設的軌道交通主干線，線路起自通州區平潮站，止于開發區振興路。線路全長39.182 km，設地下站28座，與軌道交通規劃其它3條線形成6次換乘，建成后將成為沿城市發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，施工中極易產生流砂、滲流、管涌等不良現象，老城區段建設條件較復雜、實施難度高、車站施工風險大、環境保護要求高，且全線工期較為緊張[1]。

一期工程07標段位于開發區通盛大道主干道，起始里程為K38+939.500，終點里程為K41+859.100，共長2 919.6 m，其中包含2個車站以及2個區間。

能達商務區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，主體圍護結構采用地下連續墻，標準段基坑深為16.76 m，圍護結構采用28.56 m深、800 mm厚的地下連續墻；換乘段采用44.09 m深、1 000 mm厚的地下連續墻，共95幅；端頭井基坑深約18.46 m，圍護結構采用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墻成槽施工方法。站區處于沖—海積新三角洲平原，場地較為平整。地下連續墻下穿土層從上到下依次為：填土、砂質粉土、粉砂夾砂質粉土、粉砂、淤泥質粉質粘土、粉質黏土夾砂質粉土、粉砂。

2 成槽施工數值分析的必要性

成槽工藝是地下連續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墻施工效率及保證工程質量的關鍵[2]。若成槽質量出現問題，則會導致基坑在開挖過程中出現地下連續墻滲漏、露筋、鼓包等現象，嚴重者往往會影響施工進度，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測手段，而忽視了地下連續墻成槽過程中對周邊環境造成的影響。事實上，地下連續墻成槽施工也經歷了一系列的開挖和土體擾動過程，必然產生一定的地層變形與位移，地下連續墻成槽過程中如果控制措施不當而引起的地面沉降可占后期總沉降量的30%～50%[3]。

地下連續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定以及減少施工過程中對周邊環境造成的影響。能達商務區換乘站地質條件復雜，成槽土層經過粉土、粉砂等高靈敏、易液化的土層，換乘段地連墻入土深度達44 m，且能達商務區站地連墻施工采用無槽壁成槽，施工中對成槽控制的風險更大。為減少成槽施工對后續工程造成的影響，保證后期基坑工程施工的順利進行，通過FLAC3D分析能達商務區站換成段標準槽段成槽開挖的變形規律，為施工決策提供參考，保證施工安全、順利進行。

3 數值模擬

3.1 計算模型及參數

能達商務區站地下連續墻總幅數達122幅，地連墻分段施工，整體成槽開挖模擬不僅工程量大，且實際應用價值不高，故選取具有代表性的換乘段標準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、應力及周邊土體的沉降進行分析。

在數值模擬中模型的尺寸大小為30 m ×15 m ×60 m，標準幅段成槽面積為6 m×1 m，沿槽段深度方向開挖45 m，水平面內平行于槽段x方向為[-12,18]，垂直于槽段z方向為[-7,8]，開挖成槽y方向[0,60]，模型節點數24 400個，模型單元數21 600個，并根據地質勘查報告對相應土層進行了合并，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—庫倫準則，巖土力學計算參數參考能達商務區站巖土勘察報告的固結快剪試驗取值，如表1所示。

圖1 地下連續墻成槽開挖計算模型

表1 計算模型土層參數

3.2 地下連續墻成槽開挖工況

為了契合現場工況，在計算模型中模擬實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行泥漿灌注(在模型中施加對側壁及底端的力來實現)。

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行參數賦值，并構建初始應力場，位移清零。②土體在泥漿護壁作用下進行開挖，泥漿對土體的護壁作用通過對單元節點施加梯度力實現。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 計算結果分析

3.3.1 開挖步長1 m、3 m、5 m時的側壁位移

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

圖4 不同開挖步長時的側壁位移

位移最大值均位于25 m處，且隨著開挖步長的擴大側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，且考慮到實際施工中的時間控制(1 m開挖步長常會導致成槽機多次跳挖而增加施工時間)，推薦選取3 m開挖步長作為現場成槽的每步深度。

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的主要原因是開挖過程中土體側向位移變化過快，實際施工中也有可能是泥漿注入不及時所導致的。

3.3.2 不同泥漿重度下的側壁位移

不同泥漿重度下成槽開挖所產生的側壁位移結果如圖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，深部側壁位移也大幅增加，最大值增加幅度超過40%(最大側壁位移由原來的8 mm增加到14.6 mm左右)，然而最大側壁位移的位置仍處于25 m左右。

圖5 不同泥漿重度下的側壁位移

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。并發現，在無槽壁加固情況下，兩者的地表沉降相對來說較小，可以說明實際施工過程當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 結論

(1)無槽壁加固地下連續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壁位移。

(2)嚴格控制施工過程中槽內注入的泥漿重度可以在一定程度上防止淺層土體失穩現象的發生。

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

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