有限元模拟精确分析地下连续墙槽壁加固区域的应用.pdf

・隧道／地下工程・有限元模拟精确分析地下连续墙槽壁加固区域的应用黄亚飞（中铁十二局集团建筑安装工程有限公司太原０３０００６）摘要主要论述苏州火车站改造工程地下连续墙槽壁加固应用有限元模拟计算，模拟分析了３种不同工况对槽壁稳定的影响程度和影响区域，精确确认了加固区域。工程实践表明，有限元模拟计算分析槽壁加固区域是准确的，特例也充分验证了分析结论。加固区域的精确确认，明显缩短了高压旋喷桩加固的有效桩长，大大节约了加固成本和工期，确保了地下连续墙安全施工，取得了较好的整体效果，为地下连续墙槽壁在复杂地质条件下加固提供很好借鉴经验。关键词地下连续墙有限元模拟分析应力场槽壁坍塌加固区域超声波检测中图分类号ＴＵ４７６．３文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）０３００２６０６ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｃｃｕｒａｔｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅＧｒｏｏｖｅＷａｌｌＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＡｒｅａｏｆＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｌｌｗｉｔｈＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＨｕａｎｇＹａｆｅｉ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“１２ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｓｅｄｉｎｔｈｅｇｒｏｏｖｅｗａｌｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｌｌｉｎＳｕｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｓｔａｔｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔ．Ｉｔａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｅｇｒｅｅａｎｄａｒｅａｏｆｔｈｅｇｒｏｏｖｅｗａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｒｅａｉｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｏｎｆｉｒｍｅｄ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒｏｏｖｅｗａｌｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｒｅａｉｓａｃｃｕｒａｔｅ，ａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｆｕｌｌｙｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｃｏｎｆｉｒｍｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｒｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｓｈｏａｅｎｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｊｅｔｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅ－ｍｅｎｔｐｉｌｅ，ｇｒｅａｔｌｙｓａｖｅｓｔｈｅｃｏｓｔａｎｄｔｉｍｅｌｉｍｉｔｏｆａｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｌｌ．Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｅｆｆｅｃｔｉｓｖｅｒｙｇｏｏｄ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｇｏｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｇｒｏｏｖｅｗａｌｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｌｌｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｌｌ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ；ｓｌｕｒｒｙｗａｌｌｃｏＵａｐｓｅ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ－ｍｅｎｔａｒｅａ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇ１引言随着社会建设高速发展，超高、超深建筑工程建设频现，深基坑越挖越深，采用地下连续墙作为围护承重结构由于其实用和安全被广泛应用。从地下连续墙成槽过程来看，由于地质因素、地层土压力、孔隙水压力、地下水位及土体的蠕变等因素—收稿日期：２０１３０８一０１的影响，在成槽过程中或墙体浇筑之前，槽壁处于不稳定状态之中，随时会出现滑裂或坍塌的危险，造成成槽机抓斗埋人槽内，无法取出，造成上百万的经济损失，若事故是发生在钢筋笼安放之后，钢筋笼被埋，所造成的经济损失是无法估量的。为保证槽壁的稳定，在现场施工中，根据场区土层的地下水位、周边荷载及单元槽段长度等因素，对槽壁采取相应加固措施。槽壁整幅加固，成本太高，工期也太长，局部关铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆ３Ｊ万方数据・隧道／地下工程・霎竺譬篓！釜盟竺燮熙竺黧由于该工程地下连续墙深度大、厚度，ｊ、，因此苎！堡和竺苎警紫篓苎苎曼：竺璧：骘ｌ墨銎氅星在施呈壶霾；。薹鼍西蓉ｉ瀑五千滋；蔷占量；—耋墨查：．兰至Ｊ州查专娑氅警乏冀篓三！：竺窒警，Ⅱ茜蒿矗茄赢矗孟粪矣荟罱葚藉釜吴磊晶高赢。，孽竺詈曼亨哩委蹙拟？誓兰警坐ｉ确篓宝竺里垦苎，乏该磊五；否着荔荔诬较薹晶至层，且存在微承压及时孝至粤粤妻孽，查查！曹三塑粤璧奎挈三塑，泵ｉ覆蕃该芏箍爵葙釜菝荔百磊塌孑ｉ的樯况。经过霉导型里登曩篓墅，苎堡了怨工冀苎篓苎龛要乇棼菥：聂磊过甚丢荔霸主磊孔。的薹妻原茵：望兰！萼篓墙槽壁在复杂地质条件下加固提供很“…；：；菝王裹巍ｉ菇磊藉亲矗ｉ蒹送磊ｍ左右，万方数据・隧道／地下工程・横剖面左右及下方边界在无限远处，以平面应变问题进行计算，每个节点按照２个自由度考虑，可同时出现竖向和水平位移，在地连墙８０ｍ深度处为边界节点，按两个方向上不发生位移考虑；两侧边界的节点按水平方向不发生位移考虑，根据力学原理，按照边界效应影响忽略的条件去套用适合的模拟计算区域，重点分析区域采用单元网格加密方式进行补偿，如图１所示。ａ．整体网格ｂ．槽壁局部放大图１有限元网络Ｅ雾动４．３有限元模拟计算结果分析４．３．１土体微承压水对槽壁影响稳定的分析引起槽壁发生塌孑Ｌ的现象最大的可能就是含有粉性和砂性的土体在承压水作用下引起土体的流失而造成，因此必须研究土体承压水的影响程度。该有限元模型模拟了２种理想化不同的工况：④第一种是不考虑第土层中的微承压水；第二种是④④考虑第土层中的微承压水影响作用，将第土层土体的力学性能指标适当进行调整降低。分析结④果见图２、图３所示，第土层的粉砂性较重，微承压水会对槽壁水平变形和位移影响很大，产生塑性区，槽壁周围的土体了出现明显破坏，大部分产生④在第土层的顶部和底部，而其它土层土体的物理力学性能就比较好，破坏区没有明显的出现。模拟④分析确认引起槽壁塌孔的重要原因是第土层土体的微承压水和粉沙性。图２承压水作用对比｝縻蒸ｊ≥√ｒｊ囊ｊ甚寥乇１｜『＿～１１１＝｝‘图３考毒承壶采莳樯壁丽釜枉区４．３．２模拟附加荷载对于槽壁影响稳定的分析现场实际施工过程中，槽孔侧部地上一定会有履带成槽机、大型吊车、钢筋笼堆场等重型荷载，因此必须模拟此部分附加荷载的作用。这里附加荷２８铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆ３Ｊ五Ｏｏ习一．鳖平一水。一臻一。ｌ７心一万方数据－隧道／地下工程・载按照１５ｍ取计算长度，按照现场实际施工机具和堆载的重量取荷载值２０ｋＮ／ｍ２，详见图４所示荷载按照均匀分布。经过模拟分析计算结果详见图５、图６所示。模拟分析结果确认：土层土体的塑性区④还是主要集中在第土层的顶部和底部。土体出现最大水平位移和变形的位置上移的原因，主要是现场施工附加荷载的均布作用，促使土层土体中的附加应力大大增加。舀０２ｉｔ图４考虑施工附加荷载．３２－０．２７－０．２２－０．１７－０．１２－０．０７－０．０２图５考虑施工附加荷载对比４．３．３成槽机抓斗吸附力对槽壁影响稳定的分析该工程地连墙成槽的深度比较大，成槽机的抓斗上下频繁抓土，极易在成槽机抓斗下部一定范围内产生负压力。频繁施工极易对槽壁稳定造成破坏。成槽机抓斗上提时下部２ｍ的范围内泥浆在负压的作用下，会对槽壁的侧压力进行较大折减；当成槽机抓斗提升位于开槽面１０ｍ范围以下时，泥浆压力比原压力减小１００ｋＮ／ｍ２左右；当成槽机抓斗提开槽面１０ｍ以上时，泥浆压力恢复为原来状态。根据有限元模型模拟分析确认为：成槽机的抓斗频繁提升抓土产生负压分别位于开槽面以下一８一一１０ｍ和一３０一一３２１１１范围内，有限元模拟分析最终结果如图７、图８所示。在负压产生于开槽面下一８一一１０ｍ时，该区域产生水平位移比较大，对该处槽壁的冲击稳定产生极不利影响，影响范围向下趋势。在负压产生于开槽面下一３０一一３２ｍ时，该区域水④平位移虽有一定增加，但水平位移最大值趋于第■十层下部位置，者位移比较见图９昕示一图７负压位于开槽面下图８负压位于开槽面下一８～一１０ｍ一３０～一３２ｍ图６施工附加荷载引起的塑性区图９不同负压区域重叠对槽壁的影响铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４（３）２９产万方数据・隧道／地下工程・通过２个负压区域重叠对槽壁稳定影响的模拟分析可知：成槽机抓斗上下频繁提土过程中，对成槽面以下一１０一一２０ｍ范围内土体产生较大冲击影响，因此，在槽面以下一１０～一２０ｍ范围内土体极易发生塌陷。４．４有限元模拟土体加固及效果分析④通过有限元模拟综合分析：第土层的粉砂性及微承压水是引起槽壁塌孔的重要原因；现场施工附加荷载的作用使土体出现较大水平变形的塑性区集中④在第土层的顶部和底部；抓斗提土频繁，在槽面一１０一一２０④ｍ范围内扰动土体极易发生塌陷。第土层的范围正好是开槽面以下一１０～一２０ｍ范围。因此该工程地下连续墙槽面以下一１０一一２０ｍ范围内土体属于最薄弱环节，必须对该区域土体进行有效加固措施，避免基槽坍塌。根据以上分析进行有限元建模，在开槽的两侧土体按照注浆加固处理，加固区域控制在开槽面以下一１０一一２０ｍ范围内。模拟分析槽壁水平位移变形如图１０所示，模拟加固后槽壁的最大水平变形仅２．０５ｃｍ，在施工可控要求范围内。模拟分析结果验证槽壁两侧土体在地下一１０～一２０ｍ区域加固的效果，可有效避免槽壁坍塌问题。忙移７ｍ－６０ｏ图１０加固后槽壁水平变形通过有限元模拟精确综合分析对该工程地下④连续墙槽壁塌孔进行了详细论证分析：第土层的粉砂性、现场施工机具增载及成槽机抓斗频繁的扰动槽壁等是造成槽壁塌孔的主要原因。通过有限元加固模拟分析：为了避免槽壁塌孔发生，提出对槽壁两侧进行加固的方案，并计算分析出了精确的加固区域控制在开槽面以下一１０一一２０ｍ范围内，加固该区域可以有效的避免槽壁坍塌。５槽壁加固实施效果及特例验证５．１地下连续墙槽壁加固方案根据有限元模拟分析计算结论，结合目前苏州火车站站地下连续墙施工区域存在的不良地质条件，加固标准相对较高、施工场地狭小，同时借鉴上海与南京地区地下连续墙在类似不良地质条件下槽壁加固的处理经验，提出的槽壁加固方案为：采用Ａ８５０高压旋喷桩，桩长１４ｍ，加固区域为一８～一２２ｍ，直径８５０ｍｍ，间距７５０ｍｍ，水泥掺入比２０％，水灰比１．０，水泥用量２０４ｋｇ／ｍ，高压喷浆压力２２ＭＰａ，喷浆提升速度２２ｃｍ／ｍｉｎ，水泥浆流量６０Ｌ／ｍｉｎ。５．２实际施工效果根据现场实际施工情况来看，地下连续墙成槽稳定，加固后的土体在地面以下１５ｎｌ左右挖出的实体明显有所改善。通过对槽段进行超声波检测，没有发生槽壁塌方现象，在钢筋笼安放后，进行了混凝土浇筑，也没有发现塌方现象，充盈系数符合设计要求，保证了地下连续墙施工的质量，降低了安全风险。后期基坑开挖后，暴露出来的地下连续墙整体性强，墙幅之间无渗漏，墙面平整度良好，无侵限，观感质量良好，经检测墙体施工质量为Ｉ类。５．３特例验证—４＃线地下连续墙４Ｈ８４８槽段位于铁路机械学校实验楼外侧，因场地狭小，无法进行槽壁加固处理，在施工成槽结束后（共用时３５ｈ），按要求进行槽孔复检，开始二次清槽，清槽抓斗最后提至１７ｒｆｌ左右时，槽壁土体突然发生塌孔，成槽机抓斗被塌孔土体压埋，现场操作人员及时断电泄压，抓斗自重下落，未造成抓连系统断开，但液压系统损毁极大。事后对地下连续墙未加固槽段进行了超声波检测，槽壁一１５ｍ的位置出现了明显的塌孔，图１１显示该位置土体上下层均有坍塌的趋势。该特３０铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆ３Ｊ。基一一一０一）ｒ沪ＯＯｏ４万方数据・隧道／地下工程・例充分验证了有限元模拟分析计算的槽壁加固区域的准确性。Ｙ’Ｙ２０００一ｌ２００—４００４００Ｉ２００２ｏ图１１超声波地下连续墙检测记录（上接第２５页）（４）孔内渗漏水观测情况根据判示统计分析，各孔孔口未见明显出水，只有少量渗水；孔内局部地段渗水，只有１个孔有线状出水点（ＣＸ２２孔９．９３“ｍ处），满足设计要求检”测孔及开挖后掌子面及侧壁不允许有股流。４．３检测结论（１）隧底与拱墙取得的旋喷体抗压强度均大于设计要求３ＭＰａ。（２）加固范围软弱带揭示物质基本为水泥土，且胶结较均匀，各孔孔壁９０％呈光滑状态，在２３．５—３２．５ｉｎ段两端各１～２ｎｌ范围岩层交界面位置光滑度较差，呈蜂窝状。各孔孔口未见明显出水，只有少量渗水；孔内有局部地段渗水，个别孔有线状出水点。检测孔及开挖后掌子面及侧壁未发现有股流。（３）根据取芯资料显示：在０～２３．５ｍ范围各孔芯样采取率达到８０％～８５％；在２３．５～３２．５ｍ范围各孔芯样平均采取率为５０％～６０％；３２．５ｍ以钐｝道建笳技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯ￡－ＤＧＹ６经济效益分析借鉴上海与南京地区地下连续墙在类似不良地质条件下槽壁加固的处理经验，一般同类型高压旋喷桩槽壁加固区域为从导墙空１：３至地下２５～３０ｍ，高压旋喷桩平均有效桩长为２５ｍ左右。在苏州火车站改造工程中，在地下连续墙施工的８１７延米范围内全部采用高压旋喷桩进行槽壁加固，通过有限元模拟分析计算，精确确定了地连墙槽壁加固区域为地下—１０２０ｍ范围，实际施工高压旋喷桩有效桩长控制在１４ｍ。工程实践表明，加固区域土质稳固，加固质量较好，由于加固区的精确计算，加固工程量大大减少，节约了成本，加快了施工进度，避免了塌槽掩埋钢筋笼或成槽抓斗事件发生，造成重大经济损失。和同类加固相比，桩长减少近一半，成本明显降低，按照上海与南京地区地下连续墙槽壁加固的高压旋喷有效桩长２５ｍ比较，高压旋喷桩加固按３２０形ｍ３估算，直接节约加固成本约２１７万元，取得了较好的整体效果，为地下连续墙槽壁在复杂地质条件下加固提供很好借鉴经验，为今后类似工程提供了参考依据。后基本均进入岩质地段，采取率达到８０％～９０％。（４）水平旋喷桩加固达到设计要求。５结束语应用孔内成像与取芯检测相互验证的综合检验技术在厦深铁路梁山隧道Ｌ７软弱带的水平旋喷桩加固效果检验中得到了应用。加固效果在后期施工中再次得到验证，孔内成像与取芯检测相互验证的综合检验技术是较为可靠的检测方法，基本可全面反映长距离水平旋喷桩的成桩质量及加固效果。参考文献［１］刘晓曦，韩跃．水平旋喷桩在软弱土质隧道施工中的—应用［Ｊ］．世界隧道，２０００（２）：６３６５．［２］况成明，刘定初，翟金书．水平旋喷预支护技术在某隧道—施工中的应用［Ｊ］．西部探矿工程．２００１（２）：７４７５．［３］刘勇，孙星亮，朱永全．水平旋喷预支护技术在铁路隧道中的应用［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（６）：—９０５９０９．２０１４ｆ３Ｊ３１万方数据