臨近地下構(gòu)筑物的地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)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(guó)城市眾多，人口密集，中心城市的高度開(kāi)發(fā)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(fā)展必將是解決客流量大、時(shí)間集中等大型城市交通問(wèn)題的理想方式。地鐵給人們帶來(lái)安全、快速、有序的良好乘車(chē)環(huán)境，晝夜不息地為城市注入生機(jī)和活力，促進(jìn)現(xiàn)代都市觀念更新、文化多元、生活豐富、經(jīng)濟(jì)繁榮的變化，成為一個(gè)城市實(shí)力的象征。隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源緊張，人員集散需求劇增，地鐵車(chē)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(chē)站基坑工程的施工條件越來(lái)越復(fù)雜。常遇臨近廢棄地下構(gòu)筑物旁修建地鐵，而地下連續(xù)墻作為復(fù)雜基坑工程最為重要的安全圍護(hù)體系，其成型質(zhì)量尤為重要。因此本文將針對(duì)在臨近地下構(gòu)筑物的地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定性展開(kāi)研究。在以往的研究中主要針對(duì)的是槽壁穩(wěn)定性影響因素如泥漿重度[1,2]、超載[2-4]等和其失穩(wěn)機(jī)理[5]，卻極少探討土質(zhì)對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響。本文針對(duì)土質(zhì)和有限土體的寬度對(duì)在有限土體上成槽的穩(wěn)定性的影響，探索出新的槽壁穩(wěn)定控制方法，為臨近地下構(gòu)筑物基坑修建地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 數(shù)值模擬

本文采用Plaxis 2D有限元軟件對(duì)槽壁的穩(wěn)定性和位移進(jìn)行分析，深入探討有限土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角和既有地下連續(xù)墻到開(kāi)挖面的距離影響程度。因本文研究?jī)?nèi)容縱向假定為無(wú)限長(zhǎng)，故采用Plaxis 2D可以節(jié)省建模與運(yùn)算時(shí)間，使得計(jì)算代價(jià)大大減少。

2.1 數(shù)值模型[6]

根據(jù)地下連續(xù)墻的成槽過(guò)程，采用有限元軟件Plaxis 2D對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。模型的基本假定如下：

1)土體滿足摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則；2)采用平面應(yīng)變單元；3)既有地下連續(xù)墻為絕對(duì)剛性，其位移與土體相比可忽略不計(jì)；4)既有地下連續(xù)墻的深度不小于擬開(kāi)挖地下連續(xù)墻的深度；5)地表為自由面，縱向和橫向?yàn)闊o(wú)限長(zhǎng)。

既有地下連續(xù)墻開(kāi)挖深度為30 m，擬開(kāi)挖地下連續(xù)墻深度為20 m，寬度皆為1 m。土體模型參數(shù)：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(jié)點(diǎn)高階三角形平面應(yīng)變單元，地下連續(xù)墻選用板單元，墻土之間的接觸采用界面強(qiáng)度折減因子Rinter定義。槽內(nèi)泥漿采用等效荷載進(jìn)行計(jì)算，在每個(gè)臨空開(kāi)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(wǎng)格如圖1所示。

2.2 結(jié)果分析

在臨近地下構(gòu)筑物成槽地連墻時(shí)，開(kāi)挖最危險(xiǎn)的是有限寬土體部分(地下構(gòu)筑物與槽壁間土體)，其穩(wěn)定性是否足夠是順利成槽保證質(zhì)量的關(guān)鍵，因此需要對(duì)其進(jìn)行加固或其他處理，該模型的基礎(chǔ)參數(shù)為c=3 kN/m2，φ=12°，下列圖的橫坐標(biāo)Δc=加固后的粘聚力值-加固前的粘聚力值，對(duì)于內(nèi)摩擦角同理。安全系數(shù)采用強(qiáng)度折減法[7]進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1有限土體粘聚力對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響

圖2為有限土體的內(nèi)摩擦角分別為12°,15°,18°，粘聚力增大時(shí)安全系數(shù)變化曲線。從圖2中可以看出：隨著粘聚力增大，安全系數(shù)先增后減，因?yàn)殡S著粘聚力與內(nèi)摩擦角的增大，主動(dòng)土壓力不斷減小，泥漿壓力保持不變，深層土體向內(nèi)部移動(dòng)，淺層塌落，從而導(dǎo)致安全系數(shù)變小。同時(shí)可以看出在粘聚力較小時(shí)，內(nèi)摩擦角越大，安全系數(shù)越大；而粘聚力繼續(xù)增大后，內(nèi)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(nèi)摩擦角對(duì)槽壁穩(wěn)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(shí)內(nèi)摩擦角增大，安全系數(shù)變化曲線。從圖3中可以看出：隨著內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)也是先增后減，與上文相同，隨著主動(dòng)土壓力變小，泥漿壓力保持不變，深層土體向內(nèi)部移動(dòng)，淺層塌落，從而導(dǎo)致安全系數(shù)變??；內(nèi)摩擦角較小時(shí)，由粘聚力主導(dǎo)安全系數(shù)的變化。

2.2.3有限土體對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響

左側(cè)開(kāi)挖面是指既有地下連續(xù)墻側(cè)開(kāi)挖面，右側(cè)開(kāi)挖面指天然土體側(cè)開(kāi)挖面；圖4中的位移為左右側(cè)開(kāi)挖面上的最大位移。

從圖4可以看出左側(cè)既有地下連續(xù)墻側(cè)開(kāi)挖面穩(wěn)定性較為薄弱，隨著既有地下連續(xù)墻到開(kāi)挖面距離d的增大，左側(cè)有限土體側(cè)開(kāi)挖面上的最大位移顯著減小，當(dāng)土體參數(shù)c=3 kPa,φ=15°時(shí)，距離d≥6 m時(shí)兩側(cè)開(kāi)挖面最大位移相差無(wú)幾。

本文采用強(qiáng)度折減法中對(duì)于ci,φi,Ei,vi進(jìn)行強(qiáng)度折減[8]可以看出在該強(qiáng)度折減法中，c值的變化無(wú)法引起Ei和vi的變化。

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

有限寬土側(cè)與正常土體無(wú)異，不需進(jìn)行其他處理時(shí)的寬度稱為臨界寬度d。土體參數(shù)對(duì)槽壁穩(wěn)定性具有較大的影響，當(dāng)土體參數(shù)不同時(shí)，臨界的d值也將不同。給定土質(zhì)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(shí)例

3.1 工程概況

杭州地鐵6號(hào)線SG6-17標(biāo)“新豐北站”位于杭州市蕭山區(qū)規(guī)劃亞運(yùn)村范圍內(nèi)，屬于杭州地鐵6號(hào)線一期終點(diǎn)站，新“豐北站”呈南北向布置，位于既有廢棄站處，總長(zhǎng)為810 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬45.5 m，基坑開(kāi)挖深度13.5 m～24 m，主體結(jié)構(gòu)主要位于砂質(zhì)粉土、粉砂層中，主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)采用800 mm，1 000 mm厚地下連續(xù)墻。

調(diào)整前的“豐北站”于2016年10月中標(biāo)后開(kāi)工至2017年5月修建完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻施工后，因地塊線網(wǎng)規(guī)劃，進(jìn)行站位平移擴(kuò)大調(diào)整。2018年5月新設(shè)計(jì)的豐北站重新開(kāi)工，然既有車(chē)站已完的地下連續(xù)墻對(duì)調(diào)整后的地下連續(xù)墻施工阻礙極大。在新豐北站地下連續(xù)墻施工時(shí)，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(guò)程中極易產(chǎn)生坍塌，影響施工質(zhì)量，制約施工進(jìn)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(duì)1 000 mm厚地下連續(xù)墻在有限寬土體情況下成槽進(jìn)行有限元模擬分析。取既有地下連續(xù)墻到擬開(kāi)挖地下連續(xù)墻的距離為1 m，進(jìn)行模擬開(kāi)挖。建立有限元模型見(jiàn)圖7。

3.3 結(jié)果分析

左側(cè)開(kāi)挖面是指既有地下連續(xù)墻側(cè)開(kāi)挖面；當(dāng)中，側(cè)向位移為17 mm左右[9]，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常的地連墻成槽側(cè)向變形值。當(dāng)d=3 m時(shí)，左側(cè)開(kāi)挖面最大位移為11.97 mm(見(jiàn)圖8)。結(jié)果表明當(dāng)有限土寬度d=1 m時(shí)，采取泥漿護(hù)壁成槽是極其危險(xiǎn)的(見(jiàn)圖9)。

采取內(nèi)插計(jì)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(nèi)的既有構(gòu)筑物(地下連續(xù)墻)清除或進(jìn)行有限土體加固處理。

對(duì)不同的工程，土質(zhì)情況不同，根據(jù)實(shí)際的典型剖面輸入本構(gòu)參數(shù)，當(dāng)側(cè)向位移為17 mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的有限寬土體寬度d值，該值就是工程中的臨界值。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)Plaxis 2D對(duì)在既有地下連續(xù)墻旁進(jìn)行開(kāi)挖新的地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬，對(duì)其主要參數(shù)凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ、有限土寬度d進(jìn)行了分析，并進(jìn)行實(shí)踐操作及實(shí)際分析，根據(jù)理論分析與實(shí)踐綜合得出如下主要結(jié)論：

1)隨著c,φ值變大，安全系數(shù)Fs先增大，后因主動(dòng)土壓力過(guò)小，深層土體向內(nèi)部移動(dòng)，淺層塌落，會(huì)導(dǎo)致土體向槽外發(fā)展，使得安全系數(shù)變小。

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

3)安全系數(shù)Fs存在一個(gè)極大值，極大值時(shí)的凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ值對(duì)安全系數(shù)的影響值得深入研究。

4)有限土體的寬度d對(duì)槽壁穩(wěn)定性影響存在一個(gè)臨界值，根據(jù)本工程研究表明，當(dāng)土體參數(shù)c=3 kPa,φ=15°時(shí)，有限寬土體寬度d≥6 m，則有限寬土體側(cè)開(kāi)挖面與正常土體側(cè)開(kāi)挖面無(wú)異，不需要進(jìn)行其他特殊處理。

5)有限土體寬度d較小易產(chǎn)生成槽坍塌時(shí)，可以采用適當(dāng)提高內(nèi)摩擦角φ、凝聚力c值以增大槽壁穩(wěn)定性，為以后的設(shè)計(jì)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(nèi)地下構(gòu)筑物即可確保槽壁穩(wěn)定，確保工程高質(zhì)量推進(jìn)。