臨近地下構筑物的地下連續墻成槽穩定性分析

張 俊 平

(中鐵二局第六工程有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

我國城市眾多，人口密集，中心城市的高度開發和人口的高度集中，使得交通出行總量急劇增加。城市地鐵發展必將是解決客流量大、時間集中等大型城市交通問題的理想方式。地鐵給人們帶來安全、快速、有序的良好乘車環境，晝夜不息地為城市注入生機和活力，促進現代都市觀念更新、文化多元、生活豐富、經濟繁榮的變化，成為一個城市實力的象征。隨著城市化建設的快速發展，土地資源緊張，人員集散需求劇增，地鐵車站不僅要滿足多線路交通需求也要綜合土地資源利用，致使地鐵車站基坑工程的施工條件越來越復雜。常遇臨近廢棄地下構筑物旁修建地鐵，而地下連續墻作為復雜基坑工程最為重要的安全圍護體系，其成型質量尤為重要。因此本文將針對在臨近地下構筑物的地下連續墻成槽穩定性展開研究。在以往的研究中主要針對的是槽壁穩定性影響因素如泥漿重度[1,2]、超載[2-4]等和其失穩機理[5]，卻極少探討土質對槽壁穩定性的影響。本文針對土質和有限土體的寬度對在有限土體上成槽的穩定性的影響，探索出新的槽壁穩定控制方法，為臨近地下構筑物基坑修建地下連續墻的設計和施工提供參考。

2 數值模擬

本文采用Plaxis 2D有限元軟件對槽壁的穩定性和位移進行分析，深入探討有限土體的粘聚力、內摩擦角和既有地下連續墻到開挖面的距離影響程度。因本文研究內容縱向假定為無限長，故采用Plaxis 2D可以節省建模與運算時間，使得計算代價大大減少。

2.1 數值模型[6]

根據地下連續墻的成槽過程，采用有限元軟件Plaxis 2D對其進行數值模擬。模型的基本假定如下：

1)土體滿足摩爾庫侖準則；2)采用平面應變單元；3)既有地下連續墻為絕對剛性，其位移與土體相比可忽略不計；4)既有地下連續墻的深度不小于擬開挖地下連續墻的深度；5)地表為自由面，縱向和橫向為無限長。

既有地下連續墻開挖深度為30 m，擬開挖地下連續墻深度為20 m，寬度皆為1 m。土體模型參數：γ=19 kN/m3，E=20 MPa，v=0.25，c=3 kN/m2，φ=12°。

在Plaxis 2D中，土體單元選用15節點高階三角形平面應變單元，地下連續墻選用板單元，墻土之間的接觸采用界面強度折減因子Rinter定義。槽內泥漿采用等效荷載進行計算，在每個臨空開挖面上施加靜荷載，靜荷載大小的公式如下：

P=γH。

其中，H為深度；γ為泥漿重度，本文中泥漿比重為11 kN/m2。

有限元離散網格如圖1所示。

2.2 結果分析

在臨近地下構筑物成槽地連墻時，開挖最危險的是有限寬土體部分(地下構筑物與槽壁間土體)，其穩定性是否足夠是順利成槽保證質量的關鍵，因此需要對其進行加固或其他處理，該模型的基礎參數為c=3 kN/m2，φ=12°，下列圖的橫坐標Δc=加固后的粘聚力值-加固前的粘聚力值，對于內摩擦角同理。安全系數采用強度折減法[7]進行計算。

2.2.1有限土體粘聚力對槽壁穩定性的影響

圖2為有限土體的內摩擦角分別為12°,15°,18°，粘聚力增大時安全系數變化曲線。從圖2中可以看出：隨著粘聚力增大，安全系數先增后減，因為隨著粘聚力與內摩擦角的增大，主動土壓力不斷減小，泥漿壓力保持不變，深層土體向內部移動，淺層塌落，從而導致安全系數變小。同時可以看出在粘聚力較小時，內摩擦角越大，安全系數越大；而粘聚力繼續增大后，內摩擦角的影響反而變得小了且趨向于平衡。

2.2.2有限土體內摩擦角對槽壁穩定性的影響

圖3為有限土體的粘聚力分別為3 kPa，13 kPa,23 kPa時內摩擦角增大，安全系數變化曲線。從圖3中可以看出：隨著內摩擦角的增大，安全系數也是先增后減，與上文相同，隨著主動土壓力變小，泥漿壓力保持不變，深層土體向內部移動，淺層塌落，從而導致安全系數變小；內摩擦角較小時，由粘聚力主導安全系數的變化。

2.2.3有限土體對槽壁穩定性的影響

左側開挖面是指既有地下連續墻側開挖面，右側開挖面指天然土體側開挖面；圖4中的位移為左右側開挖面上的最大位移。

從圖4可以看出左側既有地下連續墻側開挖面穩定性較為薄弱，隨著既有地下連續墻到開挖面距離d的增大，左側有限土體側開挖面上的最大位移顯著減小，當土體參數c=3 kPa,φ=15°時，距離d≥6 m時兩側開挖面最大位移相差無幾。

本文采用強度折減法中對于ci,φi,Ei,vi進行強度折減[8]可以看出在該強度折減法中，c值的變化無法引起Ei和vi的變化。

圖5為既有地下連續墻到開挖面距離d分別為1 m，2 m，3 m，4 m時隨著φ變化引起的位移變化。從圖5中可以看出：開挖面上的最大位移隨著d的增大而變小，同時隨著φi的增大而變小，當φ=5°時增大的效果最為明顯。

有限寬土側與正常土體無異，不需進行其他處理時的寬度稱為臨界寬度d。土體參數對槽壁穩定性具有較大的影響，當土體參數不同時，臨界的d值也將不同。給定土質情況，才可以確定d為何值。該圖可以為土體粘聚力為13 kPa的工程提供參考，從而確定臨界d值。

3 工程實例

3.1 工程概況

杭州地鐵6號線SG6-17標“新豐北站”位于杭州市蕭山區規劃亞運村范圍內，屬于杭州地鐵6號線一期終點站，新“豐北站”呈南北向布置，位于既有廢棄站處，總長為810 m,標準段寬45.5 m，基坑開挖深度13.5 m～24 m，主體結構主要位于砂質粉土、粉砂層中，主體結構圍護采用800 mm，1 000 mm厚地下連續墻。

調整前的“豐北站”于2016年10月中標后開工至2017年5月修建完成圍護結構地下連續墻施工后，因地塊線網規劃，進行站位平移擴大調整。2018年5月新設計的豐北站重新開工，然既有車站已完的地下連續墻對調整后的地下連續墻施工阻礙極大。在新豐北站地下連續墻施工時，舊地連墻與新地連墻之間距離較近由0 m漸變至7 m，新舊地連墻間夾心土形成有限寬土體，有限寬土體在新地連墻成槽施工過程中極易產生坍塌，影響施工質量，制約施工進度，增加施工難度，如圖6所示。

3.2 有限元分析

采用本文方法，選用典型剖面，對1 000 mm厚地下連續墻在有限寬土體情況下成槽進行有限元模擬分析。取既有地下連續墻到擬開挖地下連續墻的距離為1 m，進行模擬開挖。建立有限元模型見圖7。

3.3 結果分析

左側開挖面是指既有地下連續墻側開挖面；當中，側向位移為17 mm左右[9]，已遠遠超出正常的地連墻成槽側向變形值。當d=3 m時，左側開挖面最大位移為11.97 mm(見圖8)。結果表明當有限土寬度d=1 m時，采取泥漿護壁成槽是極其危險的(見圖9)。

采取內插計算方式在該典型剖面下，需有限寬土體寬度d=2.7 m范圍內的既有構筑物(地下連續墻)清除或進行有限土體加固處理。

對不同的工程，土質情況不同，根據實際的典型剖面輸入本構參數，當側向位移為17 mm時，所對應的有限寬土體寬度d值，該值就是工程中的臨界值。

4 結論與建議

本文通過Plaxis 2D對在既有地下連續墻旁進行開挖新的地下連續墻進行模擬，對其主要參數凝聚力c、內摩擦角φ、有限土寬度d進行了分析，并進行實踐操作及實際分析，根據理論分析與實踐綜合得出如下主要結論：

1)隨著c,φ值變大，安全系數Fs先增大，后因主動土壓力過小，深層土體向內部移動，淺層塌落，會導致土體向槽外發展，使得安全系數變小。

2)在有限寬土體上進行成槽施工，有限寬土體側為薄弱側其穩定性差、變形大，且開挖面上最大位移隨開挖深度d的增大而減小。

3)安全系數Fs存在一個極大值，極大值時的凝聚力c、內摩擦角φ值對安全系數的影響值得深入研究。

4)有限土體的寬度d對槽壁穩定性影響存在一個臨界值，根據本工程研究表明，當土體參數c=3 kPa,φ=15°時，有限寬土體寬度d≥6 m，則有限寬土體側開挖面與正常土體側開挖面無異，不需要進行其他特殊處理。

5)有限土體寬度d較小易產生成槽坍塌時，可以采用適當提高內摩擦角φ、凝聚力c值以增大槽壁穩定性，為以后的設計和施工提供參考。

6)有限寬土體地連墻成槽施工，采取土體加固或清除影響深度較大范圍內地下構筑物即可確保槽壁穩定，確保工程高質量推進。