深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性分析及对邻近地铁隧道的影响研究

马 坤

(中国建筑科学研究院，北京 100013)



深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性分析及对邻近地铁隧道的影响研究

马 坤

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

文章以成都某工程地下连续墙施工项目为例，进行地下连续墙开挖的稳定性数值模拟，分析地下连续墙槽壁自身稳定性及成槽施工对邻近11 m的地铁隧道的影响。分析结果表明：该工程深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性是较为理想的，且对邻近11 m的地铁水平位移影响均在控制标准范围内。

深厚卵石层； 地下连续墙槽壁； 稳定性； 地铁隧道

所谓的地下连续墙也即借助护壁泥浆的作用，利用成槽机械在地面下挖出一定厚度、深度和长度的沟槽，并用混凝土浇筑而成的地下连续墙体，在承重压力、抵挡土体和防止渗水中发挥着重要作用[1-2]。尽管当前地下连续墙的成槽技术在不断进步，然而在施工中仍可能发生接缝夹泥夹碴、墙身混凝土局部疏松、槽壁局部坍陷等危害，尤其当地下连续墙开挖过程中还存在的槽壁失稳、坍塌的隐患，甚至也会危及相邻建筑的安全[3]。鉴于此，掌握地下连续墙开挖中的墙槽壁稳定性及对相邻建筑的变形影响特性尤为重要。

本文以成都某工程地下连续墙施工项目为例，应用三维数值分析进行地下连续墙开挖的稳定性模拟，并结合现场实际监测数据分析地下连续墙槽壁自身稳定性和对邻近11 m多的地铁隧道的影响规律。

1 工程概况

1.1 工程背景

某工程基坑支护型式采用地下连续墙，基坑东南侧为弧形地铁隧道，东侧为已有建筑，北侧为已拆迁的空旷场地，工程与邻近建筑相对位置关系如图1所示。

图1 工程与邻近建筑相对位置关系

1.2 地质条件

根据地质资料，地下连续墙开挖范围内的土层由上而下分别为：①第四系全新统人工堆积层、②粉质黏土、③细砂、④卵石层、⑤白垩系灌口组。土体物理力学参数见表1。地下连续墙墙底进入风化岩层不少于1 m。

场地地下水类型有第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水，其中第四系松散岩类孔隙潜水为主要的地下水类型，对基础施工影响较大。

在地下连续墙开挖阶段，槽段内泥浆液面高度至少要高于地下水位0.5 m，且槽段内外的水头高差较小。本次模拟中忽略地下水的渗流影响，即假设地下连续墙槽壁的土体为固结不排水状态。

2 深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性分析

2.1 槽壁稳定性计算

2.1.1 计算模型

图2为深厚卵石层地下连续墙成槽开挖过程中槽壁的剖面模型。为分析开挖过程深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性，选取成槽区域典型地质条件，建立地下连续墙单槽幅理想模型，模型单幅墙厚1 m、长6 m，深度约为33 m。模型中设置x、y、z方向分别为地下连续墙长度方向、厚度方向、深度方向。模型中土体模型的底面固定约束，顶面设为自由界面，左右边界为水平约束。利用ABAQUS软件划分土体网格时，对地下连续墙槽基础部分和开挖部分的土体进行加密划分网格。

图2 地下连续墙开挖剖面模型

地层编号岩土名称天然重度r/(kN·m-3)压缩模量Es/MPa变形模量Eo/MPa承载力特征值fak/kPa内聚力标准值c/kPa内摩擦角标准值φ/°基准基床系数kV/(MN·m-3)(1-1)杂填土18//////(2-1)粉质黏土198/1602516/(3-1)细砂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)密实卵石2248378005400.40(5-1)强风化砂质泥岩202530010450.40(5-2)中风化砂质泥岩21/900//0.50

严格来说，地下连续墙开挖变形分析属于空间上的三维立体问题，用平面模型来计算可能存在一定误差。但总体来说，由于所选剖面模型取自成槽区域典型地质条件下地下连续墙标准段而非靠近角部区段，因此平面模型建模也是可行的[6]。本文计算模型中以地下连续墙槽段标准段为截面，通过二维支护结构来模拟。

2.1.2 计算过程

地下连续墙墙槽分3次开挖，设3道支撑。模型采用2D Planar建模，地下连续墙槽壁各土层均采用Drucker-Prager弹塑性本构模型，支撑结构采用线弹性本构模型。边界条件为底边完全固定，墙体两侧均无水平位移。

用数值模拟地下连续墙槽段开挖过程，考虑到槽段内的初始自重应力场，每次计算后对槽壁变形清零，并作为下一次数值计算的初始条件[7]。槽段的开挖采用空单元(model null)模拟实现，开挖后槽壁及槽底所受泥浆重度为11 kN/m3，以此迭代计算至平衡状态。图3为地下连续墙成槽后的泥浆压力分布示意。

图3 地下连续墙成槽后的泥浆压力分布

2.2 结果分析

开挖结束后地下连续墙槽壁的位移云如图4所示。由于护壁泥浆的压力小于初始K0压力，开挖过程中地下连续墙的槽壁水平向应力将产生释放，因而会产生压力差，地下连续墙的槽壁内侧也必然会发生水平方向的变形[8]，水平位移云如图5所示。由此可知，该工程深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性是较为理想的。

图4 开挖后位移云图

图5 水平位移云图

计算得到地下连续墙开挖阶段槽底的槽壁竖向位移如图6所示。由此可见，地下连续墙开挖阶段槽底的地层的变形均较小。

图6 竖向位移云图

3 地下连续墙开挖对地铁的影响

模拟计算地下连续墙开挖的三个步骤，地下连续墙开挖前邻近11 m的地铁隧道已施工完成。

第一步：地下连续墙开挖前完成地基加固及地面超载等准备工作[9]。考虑到地面超载为地铁隧道上方始终存在的荷载，模型中忽略地面超载压力对隧道位移带来的影响，也即在开挖准备阶段仅保留其应力水平，工况产生的位移归0。

第二步：地下连续墙槽段降水至第一道混凝土撑以下，液压抓斗开挖至第一道混凝土撑底部，地下连续墙槽壁位移和第二步邻近隧道位移如图7、图8所示。由图可知，开挖的第二步地下连续墙槽壁的最大位移为1.308 mm，此时对邻近隧道的影响较小，产生的位移约为1.558 mm。

(a)水平位移

(b)竖向位移图7 第二步位移分布

(a)总位移

(b)水平位移

(c)竖向位移

第三步：在Ⅱ区的基础上继续降水开挖，直至地下连续墙底部(深约33 m)。地下连续墙开挖后，槽段周围的土体有了变形的空间，导致临空区域的出现，由于应力局部释放，土体内部的应力场平衡被打破，必然会导致连续墙槽壁和邻近地铁隧道变形。由模型计算可知此时地下连续墙槽壁的最大位移为1.617 mm，此时对邻近隧道的影响加大，产生的位移约为1.712 mm。第三步位移分布和第三步邻近隧道位移如图9、图10所示。

综上，地下连续墙开挖槽壁和对邻近地铁影响情况见表2，地连墙开挖3个工况下的槽壁水平位移在控制标准范围内。

根据上述分析，对比槽壁水平位移、隧道水平位移，开挖过程中地下连续墙的槽壁水平向应力将产生释放，因而会产生压力差，地下连续墙的槽壁内侧也必然会发生水平方向的变形。可见，在地下连续墙开挖过程中可通过土体的力学加固来改善坑底土体物理力学性能，进而提升地下连续墙槽壁的稳定性，这对该地铁站后续深基坑的支护设计也有一定参考价值。

(a)水平位移

(b)竖向位移图9 第三步位移分布

(a)总位移

(b)水平位移

(c)竖向位移

mm

注：*监测值取自第三方监测单位提供的地连墙施工期间监测数据最大值。

4 结论

本文分析了成都某工程地下连续墙开挖过程中自身稳定性及对邻近11 m的地铁隧道的影响特征，计算得到该工程深厚卵石层地下连续墙槽壁稳定性是较为理想的，且地下连续墙开挖阶段槽底的地层变形也较小。同时，虽然地下连续墙开挖会对邻近11 m的地铁隧道产生一定影响，但3个工况下的隧道水平位移情况均在控制标准范围内。究其原因，由于护壁泥浆的压力小于初始K0压力，开挖过程中地下连续墙的槽壁水平向应力将产生释放，因而会产生压力差，地下连续墙的槽壁内侧也必然会发生水平方向的变形。可 见，在地下连续墙开挖过程中可通过适当的预加固措施，以此来改善坑底土体物理力学性能，增大土体的刚度，对于提升地下连续墙槽壁的稳定性，减少对地铁隧道的扰动具有重要意义。

[1] 张治国,赵其华,鲁明浩. 邻近深基坑开挖的历史保护建筑物沉降实测分析[J]. 土木工程学报,2015(S2):137-142.

[2] 马永峰,周丁恒,曹力桥,等. 临近地铁隧道的软土深基坑施工影响分析[J]. 青岛理工大学学报,2015(1):34-40.

[3] 朱剑波. 砂土地层地下连续墙施工技术[J]. 科技创新与应用,2013(30):229-230.

[4] 裴行凯,倪小东. 深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策[J]. 水利与建筑工程学报,2013(3):45-48.

[5] 李进军,王卫东. 紧邻地铁区间隧道深基坑工程的设计和实践[J]. 铁道工程学报,2011(11):104-111.

[6] 徐永刚,魏子龙,周冠南,等. 地下连续墙成槽施工参数对槽壁稳定的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011(S2):3464-3470.

[7] 李慧霞,鹿群,原建博. 超深地下连续墙施工[J]. 河北工程大学学报：自然科学版,2011(1):22-24.

[8] 纪一兵. 复杂地质条件下地下连续墙塌槽原因分析及处理措施[J]. 工程质量,2011(2):61-65.

[9] 汪宏强,王洪新,陈立生. 粉土层中保持地下连续墙槽壁稳定的井点降水控制技术[J]. 建筑施工,2010(8):771-773.

中国建筑科学研究院青年基金项目(项目编号: 20151602331030065)

马坤(1981～)，男，硕士，主要从事岩土工程勘察设计工作。

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[定稿日期]2017-05-27