地铁基坑槽壁开挖对临近建筑的影响及控制措施研究

张 浩 文

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017)

1 概述

地连墙具有施工成本低，对周边环境影响小等优点，广泛地用于挡土承重等工程当中。地连墙通常认为是“假想就位”[1]，即不考虑地连墙成槽施工引发的土体变形。研究表明，地连墙成槽过程处置不当所引起的地表沉降可达后期总沉降量的30%～50%[2]。

地质条件、成槽深度、工艺方法等因素都有可能造成槽壁失稳，且各种相关因素又相互制约。槽壁一旦失稳可能引发重大的工程事故，轻者墙体结构变形，重者引起地面沉降甚至塌陷，危害基坑及邻近建筑的安全[3,4]，因此，需要对地下连续墙槽壁开挖对临近建筑的稳定性进行分析研究。本文以某地铁车站基坑成槽施工为背景，基于Midas软件分析了槽壁开挖对临近砖混结构房屋的影响并对相关控制措施进行研究。

2 工程概况

某地铁车站基坑工程深28 m，站址东侧为6层住宅小区；西侧为待建地块及6层宾馆小区(砖混结构)；北侧为商业楼及高架桥梁。其中，西侧宾馆小区房屋与基坑净距最小仅6.68 m，基础为条形基础，平面尺寸40 m×20 m，车站场地地质图如图1所示。

站址处为长江漫滩地貌单元，地层以砂土为主，土体孔隙比大、含水量高、压缩性高，工程地质性质差；基岩以泥岩为主，埋深约60 m。场区地下水初见水位埋深1.40 m～4.30 m，平均高程4.37 m；稳定水位埋深1.55 m～4.20 m，平均高程4.24 m，地下水位年变化幅度约1 m～2 m，土层参数见表1。槽壁开挖深度为45 m，每次开挖3 m，开挖时同时泥浆护壁，泥浆比重为1.12。开挖之前先通过搅拌桩对土体进行加固。本文重点研究各方案下槽壁开挖对距离开挖面最近处砖混房屋稳定性的影响程度及周边地表沉降特征，并最终确定施工方案，各方案见表2。

表1 土层材料参数

表2 各方案情况汇总

3 计算模型

3.1 有限元模型基本假定及计算参数的选取

本次分析有限元模型满足如下基本假定[5]：

1)模型中材料为均质连续的各向同性材料；2)土体为理想弹塑性材料；3)房屋为线弹性材料；4)不考虑土的流变；5)滑动面为倾斜的平面。

模型中泥浆和水的密度差为ρn，对槽壁的支撑力pn沿基槽深度方向(深度为H)以均布荷载施加：

pn=ρngH2/2

(1)

3.2 计算参数的选取

土体和搅拌桩均采用Mohr-Coulomb本构模型，参数见表1。搅拌桩弹性模量Ej=1×105kN/m2，重度γj=20 kN/m3，粘聚力cj=20 kPa，摩擦角φj=50°。房屋采用线弹性模型，弹性模量Ef=5×105kN/m2，重度γf=15 kN/m3。由于地下水水位较高，认为土体完全饱和。

3.3 模型的建立

槽壁沿深度和长度方向分别为60 m,100 m，开挖深度为45 m，分15次开挖，槽幅6 m；房屋为砖混结构，高6 m，长40 m，宽20 m，长边方向距槽壁6.68 m。土体采用六面体和四面体实体混合单元，网格划分见图2。模型四面为法向约束，顶部自由，底部固定。各土层及房屋与土层之间采用绑定接触。

3.4 数值模拟过程

模型分析过程如下：

1)建立三维有限元模型，赋予模型相应的材料参数。

2)进行初始地应力平衡，模拟土体未开挖状态。

3)按照槽壁开挖顺序依次钝化开挖的土体，每次开挖后同时施加泥浆压力，共分15个开挖步骤。

4 数值模拟结果分析

槽壁开挖导致壁外土体向壁内滑移，从而引起槽壁周边建筑物沉降。搅拌桩通过隔离土体应力，减少土体间隙引起的地层损失和土体扰动后的固结沉降，控制相邻建筑物的变形及建筑物与基坑相互影响，如图3所示。当土体产生滑移变形时，搅拌桩通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力以限制桩后土体的变形发展，减小桩后保护建筑的沉降。桩体“主要承受开挖施工引起的侧向土压力和地基差异沉降产生的摩阻力”。下面从地表沉降规律以及搅拌桩相关参数对房屋沉降控制作用方面进行阐述，并最终确定施工方案。

4.1 地表沉降分析

根据槽壁开挖引起地表沉降的机理，结合地层变形时间和空间上的特性，本文选取地表横断面(y=3处)的数值模拟结果来分析各方案下地表沉降的规律，结果如图4所示。由图4可见，槽壁开挖至底端时，沿槽壁开挖深度方向周边土体发生一定的沉降，槽壁开挖所引起的地表横向沉降曲线近似为“槽”形，大致满足正态分布，类似于Peck提出基于单线隧道开挖时地表沉降的表现形式。不同的是，相对隧道直径，由于槽壁槽幅小且沿深度方向开挖，导致槽壁中心处周围地表的沉降较大，沉降曲线更为“尖锐”。

4.2 搅拌桩桩径的影响

为了有效的减小土层变形，搅拌桩必须具备一定的刚度，因此很有必要研究搅拌桩桩径对房屋保护作用的大小。图5给出了桩长为24 m时，不同桩径下桩体的水平位移，同时表3给出了房屋两个监测点的沉降量。由图5及表3可知，随着桩径的增大，桩体水平位移最大值分别为0.55 m,0.43 m,0.37 m，监测点A处的沉降分别为30.3 mm,28.4 mm,26.1 mm。随着桩径的增大，虽然对房屋沉降有所抑制，但抑制程度并不明显。这是因为尽管随着桩径的增加，搅拌桩的抗弯刚度增大，槽壁开挖后土层变形减小，但由于搅拌桩本身刚度有限，桩径的增大不足以有效地降低土层的变形。此外，房屋距离槽壁距离过近，桩径的增大甚至采用双排搅拌桩在施工过程中可能对土层及房屋产生较大的扰动，不利于房屋的稳定，从施工的角度来说，采用搅拌桩的桩径确定为0.8 m。

表3 搅拌桩桩径不同时房屋沉降情况汇总

4.3 搅拌桩桩长的影响

图6和表4为当保持搅拌桩桩径D=0.8 m不变时，改变桩体深度时，槽壁开挖引起的搅拌桩水平位移以及房屋沉降情况。由图6，表4可见有如下规律：1)搅拌桩桩顶水平位移不随隔离桩桩长而改变，桩顶水平位移基本保持在1.8 cm～4.2 cm之间；2)搅拌桩桩体水平位移随桩体深度的增加而有减小的趋势，随着桩长的增加，桩体水平变形曲线同抛物线形态；3)当搅拌桩桩长小于24 m时，桩体水平位移最大处位于桩底端，当桩长大于30 m时，桩体水平位移最大处逐渐上移，当桩长为36 m时，桩体水平位移最大处均位于桩深25 m处；4)当桩长大于30 m时，即使再增加桩长，其桩体变形曲线也已基本趋于一致，房屋的沉降量也趋于一致，即使再增大桩体深度时，桩体水平位移和房屋沉降量已无多大变化，因此桩长至少应取25 m以上。由此可见，搅拌桩刚度对抑制房屋沉降有一定的作用，但不如桩长作用那么明显。

表4 搅拌桩桩长不同时房屋沉降情况汇总

5 结语

本文通过数值仿真，对临近槽壁开挖面的砖混结构房屋进行了开挖引起的沉降分析，重点研究了槽壁开挖引起的地表沉降规律以及搅拌桩桩长及桩径对控制房屋沉降的有效性，得到如下结论：

1)槽壁开挖深度方向周边土体发生一定的沉降，槽壁开挖所引起的地表横向沉降曲线近似为“槽”形，大致满足正态分布。2)随着桩径的增加，搅拌桩的抗弯刚度增大，槽壁开挖后土层变形减小，但由于搅拌桩本身刚度有限，桩径的增大不足以有效地抵抗土层的变形。3)相对于增大搅拌桩桩径，搅拌桩桩长对抑制房屋的沉降效果更加明显。

Effectsofmetrofoundationgroovewallexcavationonnearbyconstructionsandthecontrollingmeasures