濱海巖層地下連續(xù)墻組合成槽技術(shù)研究

周延翶

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們對(duì)地下空間的需求日益增大，使得濱海城市地鐵得以快速發(fā)展。地下連續(xù)墻以其剛度大、土層擾動(dòng)少和噪聲小等優(yōu)勢(shì)在地鐵工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。地下連續(xù)墻作為該結(jié)構(gòu)的核心組成部分，其施工質(zhì)量將影響地鐵工程施工的安全性[1?2]。若地層上部較軟、下部堅(jiān)硬時(shí)，采用常規(guī)施工機(jī)具對(duì)地連墻成槽施工，面臨成槽垂直精度高、施工難度大和工程造價(jià)高等技術(shù)難題[3]。同時(shí)，由于上部土層較軟，當(dāng)?shù)乇砭o鄰建筑物時(shí)，產(chǎn)生的附加土壓力極易導(dǎo)致槽壁失穩(wěn)繼而坍塌，并引起周?chē)扔薪ㄖl(fā)生重大工程事故[4]。

在地連墻成槽施工中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[5-8]等方法對(duì)地連墻成槽穩(wěn)定性進(jìn)行研究?？妶A冰等[9]推導(dǎo)了槽壁局部穩(wěn)定安全系數(shù)和臨界高度計(jì)算公式；崔根群等[10]推導(dǎo)了槽壁穩(wěn)定條件下的泥漿重度計(jì)算公式；徐建等[11]總結(jié)出傾斜巖面深大圓形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律；胡勇等[12]在一級(jí)階地復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下結(jié)合多種影響因素提出地連墻變形控制措施；盧偉等[13]針對(duì)上軟下硬地層條件形成一套快速地連墻成槽工藝保證了施工質(zhì)量。

結(jié)合深圳某地鐵站的工程實(shí)例，針對(duì)該地鐵站上軟下硬的地質(zhì)條件以及既有建筑眾多的情況，若采用常規(guī)成槽施工技術(shù)，難以解決連續(xù)墻成槽精度高、施工難度大和土層易失穩(wěn)等技術(shù)難題。因此，本文利用Mi?das/GTS NX軟件建立了L型槽段有限元模型，對(duì)地連墻成槽過(guò)程中的土體變形進(jìn)行研究，為類似成槽施工的工程提供參考借鑒。

1 工程概況及地連墻成槽的關(guān)鍵施工技術(shù)

1.1 工程概況

工程周邊建筑以住宅和工業(yè)區(qū)為主，場(chǎng)地北鄰商業(yè)樓與住宅，南鄰機(jī)場(chǎng)北變電所。地鐵站采用地下三層雙柱三跨式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)站臺(tái)長(zhǎng)為170.4m，寬度14.0m，埋深31.5m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm厚的地下連續(xù)墻，混凝土保護(hù)層采用70mm。

1.2 地連墻成槽施工組合

地鐵站位于濱海地區(qū)，通過(guò)地勘得知，地層從上至下依次為素填土、填砂、碎填石、全強(qiáng)中微風(fēng)化片麻狀混合花崗巖，具有“上軟下硬”的特點(diǎn)。成槽機(jī)、銑槽機(jī)適合一般地層，沖擊鉆、旋挖鉆適合堅(jiān)硬巖層，結(jié)合不同成槽施工技術(shù)，提出三種組合方案，分別為方案一（成槽機(jī)+沖擊鉆）、方案二（旋挖鉆+成槽機(jī)）以及方案三（銑槽機(jī)+旋挖鉆）。

針對(duì)三種方案施工工序：①方案一對(duì)地鐵站土層中的素填土、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化混合花崗巖選用成槽機(jī)，剩余土層選用沖擊鉆組合施工；②方案二同方案一的工序一致，采用旋挖機(jī)替代沖擊鉆施工；③方案三采用旋挖鉆鉆孔，全部挖完后，再采用銑槽機(jī)，即將兩個(gè)旋挖鉆鉆成的孔中間部分土體一層一層挖出。

2 地連墻成槽有限元模型的建立

2.1 模型參數(shù)

在Midas/GTS NX程序中，泥漿和C35混凝土的結(jié)構(gòu)單元均采用線彈性本構(gòu)模型。土體本構(gòu)模型采用修正—摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，采用該模型區(qū)分了加載模量及卸載模量，可考慮土體壓縮硬化和剪切硬化行為。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載及邊界條件

模型邊界條件為：①沿X軸方向上的左右邊界，約束X向的平動(dòng)自由度；②沿Y軸方向上的前后邊界，約束Y向的平動(dòng)自由度；③約束有限元模型底部的Z向平動(dòng)自由度；④模型頂部面為地表面，不施加任何的約束。槽段有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 L型槽段有限元模型

2.3 地連墻成槽有限元模型的建立

三種方案采用相同的模型，為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸需要在地連墻成槽尺寸上做一定延伸。根據(jù)有限元分析原理和一般處理經(jīng)驗(yàn)[14]，綜合考慮取L型槽段整體三維模型尺寸為35m×35m×50m（長(zhǎng)×寬×高）。采用三種方案施工的L型槽段成槽過(guò)程，根據(jù)兩側(cè)施工情況分為3個(gè)工況，分別為：①兩側(cè)均為土體；②一側(cè)土體、一側(cè)混凝土；③兩側(cè)均為混凝土。

3 有限元模擬結(jié)果分析

在地連墻成槽施工中，需要同時(shí)考慮X、Y、Z三個(gè)方向變形情況，本文主要針對(duì)場(chǎng)地土中位于下部的微風(fēng)化超硬地層，由于Z向最大沉降值為約0.0001he(he為成槽深度)，因此不作為主要因素進(jìn)行分析。同時(shí)，L型槽壁由于具有對(duì)稱性，在工況一和工況三中X和Y向的變形為對(duì)稱關(guān)系，而在工況二中Y向變形比X向變形大。因此，在三種工況下分析時(shí)僅對(duì)Y向進(jìn)行說(shuō)明。下面按照施工過(guò)程的三種工況分類，分別進(jìn)行分析研究。

3.1 工況一（施工兩側(cè)槽段均為土體）

隨著地連墻成槽開(kāi)挖深度的不斷增加，在工況一下三種施工方案的水平位移逐漸增大。在t=0.26s時(shí)，方案一、方案二和方案三Y方向位移均達(dá)到最大值。其中，方案一（成槽機(jī)+沖擊鉆）所產(chǎn)生的位移最大，沖擊鉆施工產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致土體擾動(dòng)從而增大水平位移，Y方向的最大位移值為2.39mm。由圖2可知，三種方案所產(chǎn)生的變形都朝向坑內(nèi)方向，且小轉(zhuǎn)角位置處位移大于大轉(zhuǎn)角位移，小轉(zhuǎn)角位置易發(fā)生坑槽失穩(wěn)。在工況一下，三種施工組合方案中方案二對(duì)土體擾動(dòng)最小。其中，Y方向的最大位移值為1.88mm。表明，采用成槽機(jī)和旋挖鉆組合施工可有效控制土層變形，保證槽壁的穩(wěn)定性。

圖2 三種方案L型槽段工況一下Y方向最大位移云圖（單位：mm）

3.2 工況二（施工槽段一側(cè)土體、一側(cè)混凝土）

隨著地連墻成槽開(kāi)挖深度的不斷增加，在工況二下三種施工方案的水平位移逐漸增大。在t=0.26s時(shí)，方案一、方案二和方案三中Y方向位移均達(dá)到最大值。其中，方案三（銑槽機(jī)+旋挖鉆）所產(chǎn)生的位移最大，Y方向的最大位移值為1.77mm，小于工況一下最大水平位移。由于混凝土槽段存在對(duì)成槽段土體起到加固的作用，從而減小了施工產(chǎn)生的水平位移。由圖3可知，三種方案施工產(chǎn)生的變形方向同工況一情況一致。從整體上分析，大轉(zhuǎn)角位置位移大于小轉(zhuǎn)角位置位移，但位移值更接近。在工況二下，三種施工組合方案中方案二（旋挖鉆+成槽機(jī)）對(duì)土體擾動(dòng)最小，上部松軟土層變形得到有效控制，確保開(kāi)挖基坑穩(wěn)定性。

圖3 三種方案L型槽段工況二下Y方向最大位移云圖（單位：mm）

3.3 工況三（施工兩側(cè)槽段均為混凝土）

隨著地連墻成槽開(kāi)挖深度的不斷增加，在工況三下三種施工方案的水平位移逐漸增大。在t=0.26s時(shí)，方案一、方案二和方案三Y方向位移均達(dá)到最大值。如表2所示，方案三（銑槽機(jī)+旋挖鉆）Y方向的最大位移數(shù)值最大為1.35mm，在三種工況中位移值最小。兩側(cè)的混凝土槽段對(duì)成槽段的水平位移具有削弱的效果。由圖4可知，三種工況下，三種方案施工產(chǎn)生的變形方向相同，且大轉(zhuǎn)角位置位移大于小轉(zhuǎn)角位置位移，在大轉(zhuǎn)角位置處易發(fā)生坑槽失穩(wěn)。在工況三下，三種施工組合方案中方案二（旋挖鉆+成槽機(jī)）對(duì)土體擾動(dòng)最小，保證坑槽穩(wěn)定性。

表2 L型槽段三種工況下最大位移總表（單位：mm）

圖4 三種方案L型槽段工況三下Y方向最大位移云圖（單位：mm）

3.4 施工組合方案分析

對(duì)于三個(gè)方向（X向、Y向及Z向）的變形控制而言，其三個(gè)計(jì)算工況的變形控制排序?yàn)椋汗r三>工況二>工況一。對(duì)比三種工況下三種施工組合方案對(duì)土體的變形及穩(wěn)定性綜合影響，可以發(fā)現(xiàn)槽壁水平變形沿深度方向呈上大下小的非對(duì)稱“鼓肚”形曲線分布，但都滿足垂直精度1/550。比較最大水平變形，方案二和方案三的最大變形較為接近（最大相差8.4%），遠(yuǎn)小于方案一的最大變形（最大相差57.7%）。相比于方案二和方案三，方案一由于使用沖擊鉆產(chǎn)生振動(dòng)速度，雖滿足施工要求，但不可忽視其對(duì)開(kāi)挖坑槽穩(wěn)定性影響。當(dāng)進(jìn)行L型槽段地連墻施工時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)施工兩側(cè)槽段為工況一或工況三時(shí)，采用施工方案二或施工方案三更為安全；當(dāng)周?chē)馏w為工況二時(shí)，采用施工方案二更為安全。

4 結(jié)論

針對(duì)濱海巖層地下連續(xù)墻成槽精度高、施工難度大和土層易失穩(wěn)等難題，依托深圳某地鐵站地連墻成槽的工程實(shí)踐，在考慮槽段兩側(cè)分別為土體或混凝土的不同工況下，通過(guò)三維數(shù)值模擬分析了三種施工方案對(duì)地連墻成槽土體變形的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）在工況一（施工兩側(cè)槽段均為土體）情況下水平位移數(shù)值最大，最大值為2.39mm，而工況三（施工兩側(cè)槽段均為混凝土）情況下水平位移數(shù)值最小，其最大值為1.35mm。實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)控制工況一下的位移及坑槽穩(wěn)定性。

（2）不論采用何種施工方法，土體水平最大變形并不出現(xiàn)在成槽施工過(guò)程中，而是出現(xiàn)在成槽施工結(jié)束后的卸載時(shí)段，當(dāng)遇到下臥巖層地質(zhì)時(shí)，工程應(yīng)將地連墻成槽施工完成時(shí)段的水平位移量做重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

（3）通過(guò)數(shù)值分析三種組合施工方案的變形特性，在濱海巖層的地質(zhì)條件下對(duì)地連墻成槽施工時(shí)，優(yōu)先選用方案二（旋挖鉆+成槽機(jī)），當(dāng)周?chē)馏w情況為工況一或工況三時(shí)，可采用方案三（銑槽機(jī)+旋挖鉆）。