临近地下构筑物的地下连续墙成槽稳定性分析

张 俊 平

(中铁二局第六工程有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

我国城市众多，人口密集，中心城市的高度开发和人口的高度集中，使得交通出行总量急剧增加。城市地铁发展必将是解决客流量大、时间集中等大型城市交通问题的理想方式。地铁给人们带来安全、快速、有序的良好乘车环境，昼夜不息地为城市注入生机和活力，促进现代都市观念更新、文化多元、生活丰富、经济繁荣的变化，成为一个城市实力的象征。随着城市化建设的快速发展，土地资源紧张，人员集散需求剧增，地铁车站不仅要满足多线路交通需求也要综合土地资源利用，致使地铁车站基坑工程的施工条件越来越复杂。常遇临近废弃地下构筑物旁修建地铁，而地下连续墙作为复杂基坑工程最为重要的安全围护体系，其成型质量尤为重要。因此本文将针对在临近地下构筑物的地下连续墙成槽稳定性展开研究。在以往的研究中主要针对的是槽壁稳定性影响因素如泥浆重度[1,2]、超载[2-4]等和其失稳机理[5]，却极少探讨土质对槽壁稳定性的影响。本文针对土质和有限土体的宽度对在有限土体上成槽的稳定性的影响，探索出新的槽壁稳定控制方法，为临近地下构筑物基坑修建地下连续墙的设计和施工提供参考。

2 数值模拟

本文采用Plaxis 2D有限元软件对槽壁的稳定性和位移进行分析，深入探讨有限土体的粘聚力、内摩擦角和既有地下连续墙到开挖面的距离影响程度。因本文研究内容纵向假定为无限长，故采用Plaxis 2D可以节省建模与运算时间，使得计算代价大大减少。

2.1 数值模型[6]

根据地下连续墙的成槽过程，采用有限元软件Plaxis 2D对其进行数值模拟。模型的基本假定如下：

1)土体满足摩尔库仑准则；2)采用平面应变单元；3)既有地下连续墙为绝对刚性，其位移与土体相比可忽略不计；4)既有地下连续墙的深度不小于拟开挖地下连续墙的深度；5)地表为自由面，纵向和横向为无限长。

既有地下连续墙开挖深度为30 m，拟开挖地下连续墙深度为20 m，宽度皆为1 m。土体模型参数：γ=19 kN/m3，E=20 MPa，v=0.25，c=3 kN/m2，φ=12°。

在Plaxis 2D中，土体单元选用15节点高阶三角形平面应变单元，地下连续墙选用板单元，墙土之间的接触采用界面强度折减因子Rinter定义。槽内泥浆采用等效荷载进行计算，在每个临空开挖面上施加静荷载，静荷载大小的公式如下：

P=γH。

其中，H为深度；γ为泥浆重度，本文中泥浆比重为11 kN/m2。

有限元离散网格如图1所示。

2.2 结果分析

在临近地下构筑物成槽地连墙时，开挖最危险的是有限宽土体部分(地下构筑物与槽壁间土体)，其稳定性是否足够是顺利成槽保证质量的关键，因此需要对其进行加固或其他处理，该模型的基础参数为c=3 kN/m2，φ=12°，下列图的横坐标Δc=加固后的粘聚力值-加固前的粘聚力值，对于内摩擦角同理。安全系数采用强度折减法[7]进行计算。

2.2.1有限土体粘聚力对槽壁稳定性的影响

图2为有限土体的内摩擦角分别为12°,15°,18°，粘聚力增大时安全系数变化曲线。从图2中可以看出：随着粘聚力增大，安全系数先增后减，因为随着粘聚力与内摩擦角的增大，主动土压力不断减小，泥浆压力保持不变，深层土体向内部移动，浅层塌落，从而导致安全系数变小。同时可以看出在粘聚力较小时，内摩擦角越大，安全系数越大；而粘聚力继续增大后，内摩擦角的影响反而变得小了且趋向于平衡。

2.2.2有限土体内摩擦角对槽壁稳定性的影响

图3为有限土体的粘聚力分别为3 kPa，13 kPa,23 kPa时内摩擦角增大，安全系数变化曲线。从图3中可以看出：随着内摩擦角的增大，安全系数也是先增后减，与上文相同，随着主动土压力变小，泥浆压力保持不变，深层土体向内部移动，浅层塌落，从而导致安全系数变小；内摩擦角较小时，由粘聚力主导安全系数的变化。

2.2.3有限土体对槽壁稳定性的影响

左侧开挖面是指既有地下连续墙侧开挖面，右侧开挖面指天然土体侧开挖面；图4中的位移为左右侧开挖面上的最大位移。

从图4可以看出左侧既有地下连续墙侧开挖面稳定性较为薄弱，随着既有地下连续墙到开挖面距离d的增大，左侧有限土体侧开挖面上的最大位移显著减小，当土体参数c=3 kPa,φ=15°时，距离d≥6 m时两侧开挖面最大位移相差无几。

本文采用强度折减法中对于ci,φi,Ei,vi进行强度折减[8]可以看出在该强度折减法中，c值的变化无法引起Ei和vi的变化。

图5为既有地下连续墙到开挖面距离d分别为1 m，2 m，3 m，4 m时随着φ变化引起的位移变化。从图5中可以看出：开挖面上的最大位移随着d的增大而变小，同时随着φi的增大而变小，当φ=5°时增大的效果最为明显。

有限宽土侧与正常土体无异，不需进行其他处理时的宽度称为临界宽度d。土体参数对槽壁稳定性具有较大的影响，当土体参数不同时，临界的d值也将不同。给定土质情况，才可以确定d为何值。该图可以为土体粘聚力为13 kPa的工程提供参考，从而确定临界d值。

3 工程实例

3.1 工程概况

杭州地铁6号线SG6-17标“新丰北站”位于杭州市萧山区规划亚运村范围内，属于杭州地铁6号线一期终点站，新“丰北站”呈南北向布置，位于既有废弃站处，总长为810 m,标准段宽45.5 m，基坑开挖深度13.5 m～24 m，主体结构主要位于砂质粉土、粉砂层中，主体结构围护采用800 mm，1 000 mm厚地下连续墙。

调整前的“丰北站”于2016年10月中标后开工至2017年5月修建完成围护结构地下连续墙施工后，因地块线网规划，进行站位平移扩大调整。2018年5月新设计的丰北站重新开工，然既有车站已完的地下连续墙对调整后的地下连续墙施工阻碍极大。在新丰北站地下连续墙施工时，旧地连墙与新地连墙之间距离较近由0 m渐变至7 m，新旧地连墙间夹心土形成有限宽土体，有限宽土体在新地连墙成槽施工过程中极易产生坍塌，影响施工质量，制约施工进度，增加施工难度，如图6所示。

3.2 有限元分析

采用本文方法，选用典型剖面，对1 000 mm厚地下连续墙在有限宽土体情况下成槽进行有限元模拟分析。取既有地下连续墙到拟开挖地下连续墙的距离为1 m，进行模拟开挖。建立有限元模型见图7。

3.3 结果分析

左侧开挖面是指既有地下连续墙侧开挖面；当中，侧向位移为17 mm左右[9]，已远远超出正常的地连墙成槽侧向变形值。当d=3 m时，左侧开挖面最大位移为11.97 mm(见图8)。结果表明当有限土宽度d=1 m时，采取泥浆护壁成槽是极其危险的(见图9)。

采取内插计算方式在该典型剖面下，需有限宽土体宽度d=2.7 m范围内的既有构筑物(地下连续墙)清除或进行有限土体加固处理。

对不同的工程，土质情况不同，根据实际的典型剖面输入本构参数，当侧向位移为17 mm时，所对应的有限宽土体宽度d值，该值就是工程中的临界值。

4 结论与建议

本文通过Plaxis 2D对在既有地下连续墙旁进行开挖新的地下连续墙进行模拟，对其主要参数凝聚力c、内摩擦角φ、有限土宽度d进行了分析，并进行实践操作及实际分析，根据理论分析与实践综合得出如下主要结论：

1)随着c,φ值变大，安全系数Fs先增大，后因主动土压力过小，深层土体向内部移动，浅层塌落，会导致土体向槽外发展，使得安全系数变小。

2)在有限宽土体上进行成槽施工，有限宽土体侧为薄弱侧其稳定性差、变形大，且开挖面上最大位移随开挖深度d的增大而减小。

3)安全系数Fs存在一个极大值，极大值时的凝聚力c、内摩擦角φ值对安全系数的影响值得深入研究。

4)有限土体的宽度d对槽壁稳定性影响存在一个临界值，根据本工程研究表明，当土体参数c=3 kPa,φ=15°时，有限宽土体宽度d≥6 m，则有限宽土体侧开挖面与正常土体侧开挖面无异，不需要进行其他特殊处理。

5)有限土体宽度d较小易产生成槽坍塌时，可以采用适当提高内摩擦角φ、凝聚力c值以增大槽壁稳定性，为以后的设计和施工提供参考。

6)有限宽土体地连墙成槽施工，采取土体加固或清除影响深度较大范围内地下构筑物即可确保槽壁稳定，确保工程高质量推进。