深厚淤泥质地层基坑地下连续墙施工机理研究

赵 南 杰

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

地下连续墙应用广泛，该结构具有刚度大、整体性强、防渗性和耐久性好等优点，但是在施工过程中也常常发生槽壁坍塌现象[1-4]，特别在不稳定地层中坍塌的情况比较严重，造成混凝土绕流，影响连续墙的施工质量[5-7]。本文在平面应变假定的基础上，采用有限元方法模拟了连续墙的施工效应。本文采用数值模拟的方法，能够模拟土体的应力与变形形态，合理反映地下连续墙施工引起的地层变位的动态变化。本文采用ABAQUS模拟地下连续墙成槽开挖、混凝土浇筑和硬化全过程，研究地下连续墙施工引起的地层受力与变形特性，并将计算应力结果和现场实测结果进行比较。旨在为地下连续墙设计与施工提供参考。

1 工程概况

深圳地铁10号线益田停车场位于福田区，广深高速北部的绿化带和富荣路地下空间，结构为东西向。益田停车场是一个双层停车场。标准截面结构为双层五跨矩形框架结构。该用地的性质是城市绿地。长555.7 m，标准段宽50.75 m，深21.7 m，配套工程安全水平为一级。停车场范围地质情况从上至下分别为：素填土、淤泥质黏性土、粗砂，砾质黏土、强风化花岗岩、中风化花岗岩。该项目北靠益田村，南临广深高速公路。它位于繁华的市区。施工不仅对周边环境有影响，周边的城市环境也将不可避免地影响到施工过程。地块内有下穿广深高速的2号人行隧道、3号车行隧道，110 kV变电站一座以及数条东西方向的110 kV高压地下电力管廊，益田路立交桥桥墩坐落在地块东侧，广深港盾构隧道在益田立交东西两侧由南向北下穿广深高速，以上市政设施均对地下停车场的布置有影响。

2 数值模拟

2.1 计算模型及参数

基于大型有限元程序ABAQUS，针对淤泥质地层大型地铁车站深基坑工程的稳定性，建立了益田停车场深基坑三维有限元模型，确定模型长698 m，宽287 m，高80 m，单元共计96 885，有限元数值计算模型如图1所示。各材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

材料弹性模量MPa泊松比天然重度kN/m3直接快剪粘聚力/kPa摩擦角杂填土100.2519.00.08素填土250.418.64.36.5粉质黏土300.3019.41020.0黏质粉土1 8000.2619.715.617.7中砂3000.419.52.028.0

2.2 计算步骤

计算模型考虑了地下连续施工前后横向位移、竖向位移随施工的变化具体计算步骤如下：

第一步：开挖从0 m～-2 m，挖深为2 m，同时施加第一道支撑；第二步：达到设计强度后，第二步开挖从-2 m～-6 m，挖深为4 m，同时施加第二道支撑；第三步：达到设计强度后，第三步开挖从-6 m～-12 m，挖深为6 m，同时施加第三道支撑；第四步：达到设计强度后，第四步开挖从-12 m～-21.7 m，挖深9.7 m，开挖至坑底后，开挖结束。拆除第三道支撑并修建车站底板；第五步：拆除第二道支撑并修建车站中板；第六步：拆除最后一道支撑并修建车站顶板。

3 计算结果分析

3.1 地下连续墙横向位移时空变化规律分析

选取变形明显的基坑开挖中部所在的南侧与北侧两个断面进行墙体变形性状分析，支护墙体采用四节点平面应变单元(CPE4)。

地下连续墙水平位移随深度的变化如图2所示。

由图2可知，首层开挖完毕后，对应的墙体变形微小，从开挖至6 m开始，开挖面以下均为淤泥质土层，墙体变形呈典型的内凸型，最大水平位移随挖深逐渐增大，最大值随Z轴逐渐下移，最后稳定在基坑中部。施工完成后，地下连续墙(外墙)的横向位移变化值较小，由于施工过程可视为多个“卸载—加载”过程，且卸载的影响更明显，围护结构(地下连续墙)受这种开挖卸荷效应的影响，主要表现为向坑内的变形。南侧地下连续墙墙顶水平变形规律一致，均是随着施工的进行，水平位移先增加后减小，最后趋于稳定，至开挖结束时，最大水平位移为3.2 mm，最大水平位移与开挖深度的比值为0.015%，深度位于6 m～10 m之间，可见危险位置出现在墙体中部。此外，在软土地区中，由于土体自身具有流变性，其变形过程具有明显的时间效应，对于软黏土，其固结的时间历程往往远大于施工的周期。

3.2 地下连续墙竖向位移时空变化规律分析

对于地下连续墙墙顶的分析依然分别取南侧和北侧两个断面进行研究，支护墙体采用四节点平面应变单元(CPE4)。地下连续墙竖向位移变形曲线图如图3所示。

由图3可知，施工完成后，地下连续墙(外墙)的竖向位移变化值较小，在-8.5 mm～-6.0 mm之间；墙顶各典型点的竖向位移相差不大，相差最大值约为1 mm，南、北侧地下连续墙墙顶竖向变形规律一致，均是随着施工的进行，竖向位移先增加后减小，随后又增加，之后反弹，地连墙的竖向变形有所回弹，这是由于开挖土体卸荷使得基坑自重减小，总体变形仍表现为沉降，数值相差不大。南侧墙顶模拟值与实测值趋势大致相同，实测值比模拟值大10.3%左右，模拟较为准确。

3.3 现场监测数据对比分析

地下连续墙墙体沉降监测数据统计如图4所示。

由图4可知，监测点位移变化通过y坐标变化表示，y为正代表测点处墙顶向基坑内倾斜，为负则向基坑外倾斜，由于偏移为矢量数值，通过时间—偏移曲线难以清晰表示各时间节点处墙体的具体倾向，因此通过将当前测点偏移数值绘制于四个象限的函数图形内，当前数据点所在位置及距原点距离，分别代表了监测点处墙顶的偏移方向和偏移距离。图中可以发现大多数测点y向偏移值在10 mm以内，其中SQ3和SQ4测点处的墙顶体位移明显大于其他测点，SQ3点处的位移随着开挖在后期变化速率越来越快；SQ6，SQ7和SQ8的变形趋势较为平缓，SQ8在后期出现了明显外凸的趋势；SQ6和SQ7则为内凸趋势；SQ5在6月15日开始有了明显的上升浮动，呈明显的内凸趋势，但变形量仍在15 mm以内。各测点中SQ3处墙体向外倾斜最大，SQ3位于基坑结构变截面拐角位置，前方基坑施工扰动极其容易使壁后土体对结构产生挤压，结构设计比较合理。

4 结语

1)南侧地下连续墙墙顶水平变形规律一致，均是随着施工的进行，水平位移先增加后减小，最后趋于稳定，可见危险位置出现在墙体中部。

2)施工完成后，地下连续墙(外墙)的竖向位移变化值较小；墙顶各典型点的竖向位移相差不大，南、北侧地下连续墙墙顶竖向变形规律一致，均是随着施工的进行，竖向位移先增加后减小，随后又增加，之后反弹，地连墙的竖向变形有所回弹。

3)可以发现大多数测点y向偏移在15 mm以内。基坑结构变截面拐角位置偏移最大，前方基坑施工扰动极其容易使壁后土体对结构产生挤压，结构设计比较合理。