第１０卷第３期 上海应用技术学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．１０ Ｎｏ．３ ２０１０年９月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） Ｓｅｐ．２０１０ 文章编号：１６７１—７３３３（２０１０）０３—０１９０—０６ 超深地下连续墙槽壁稳定性数值分析 王长虹 （上海应用技术学院轨道交通学院，上海２００２３５） 摘要： 根据土层的物理力学性质、承压水头及护壁泥浆等进行超深地下连续墙槽壁稳定性分 析。通过槽壁稳定性解析理论与数值计算对比分析出安全系数，相应提出超深地下连续墙的 施工泥浆护壁措施，防止槽壁坍塌。 关键词：地下连续墙；安全系数；数值计算；泥浆护壁；承压水头 中图分类号：ＴＵ ９４１ 文献标识码：Ａ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈｅｓ ｏｆ Ｄｉａｐｈｒａｇｍ Ｗａｌｌ ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｈｏｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｒａｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｄｅｅｐ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｗａｌｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ，ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ，ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ．Ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈｅｓ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｗａｌｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈｅｓ ｆｒｏｍ ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｗａｌｌ；ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ；ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ 从超深地下连续墙成槽过程分析，地层土压 １ ｍ，最大墙深６７ ｍ，在天津属于首次进行如此深 力、孔隙水压力、地下水位及土体的蠕变等因素影 的地下连续墙施工，在国内也名列前茅。基坑穿 响显著，在成槽过程中或墙体浇筑之前，槽壁处于 越粉土、黏性土和粉砂层，土体稳定性较差，地质 不稳定状态之中，随时会出现滑裂或坍塌的危险。 分界线较杂乱，粉砂层最大厚度达１８ ｍ；地下水 因此，在施工中，应事先且必须根据场地内土层的 位高，潜水水位在地表以下０．５ ｍ～１ ｍ左右，并 物理力学性质、承压水头、泥浆质量和单元槽段尺 穿越两层承压水，根据现场抽水试验初步结果，两 寸等因素，对槽壁进行稳定性分析，并采取相应护 层承压水水头大沽标高分别为０和一０．５ ｍ，工程 壁措施，保证槽壁的安全。 地质条件差，技术难度大、施工风险高。岩土力学 １ 工程简介 参数如表１所示。 地下连续墙标准幅厚度为１ ｍ，长度为６．８ 天津文化中心交通枢纽工程地铁Ｚ１线为负 ｍ，槽深６７ ｍ，钢筋笼长６２．５ ｍ，重量约８９ ｔ，分 三层三跨结构，基坑开挖深度２６ ｍ，宽度２５．７ ｍ， 两节吊装，水下灌注Ｃ３０混凝土。其成槽工艺如 采用地下连续墙作为围护结构。地下连续墙宽度 图１所示。 收稿日期：２０１０—０７—０６ 作者简介：王长虹（１９７８一），男，讲师，博士，主要研究方向为隧道工程 第３期 王长虹：超深地下连续墙槽壁稳定性数值分析 １９１ 表１岩土力学参数表 Ｔａｂ．１ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｒａｔｕｍｓ Ｔ 上 式中： 为槽壁上水平应力； 为土体加权平均 容重；Ｈ 为地下连续墙开挖深度； 为土体内摩 擦角；ｃ 为土体黏聚力；ｙ 为水的容重； 为承 压水头。 口 — （ａ１六次开挖成槽工艺 墨＿— （ｂ）四次开挖成槽工艺 — Ｗ ／ 图１成槽工艺 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐｍ ＼ ／ ， ， ２槽壁稳定性理论分析 土体中地下连续墙槽壁稳定性按经典土力学 Ａ４５ ＋（ｐ ｆ２ 、 Ｐｍ Ｄ 滑动理论 要求，取滑动契形土体进行分析，如图 ２所示。根据土体应力平衡条件，槽壁上水平应 力状态可表示为： ：ｙ Ｈ ｔｇ （４５。一￣ｉ／２）一 ２ｃ ｔｇ（４５。一 ／２）＋）， （１） 图２土层中槽壁稳定性分析简图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈ 将表１的参数代人式（１），求得槽壁上土压弓 起的水平应力如表２所示。 表２槽壁水平应力 ａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈ Ｔａｂ．２ Ｈｏｒｉｚｏｎｔ１９２ 上海应用技术学院学报（自然科学版） 第１０卷 槽壁上主动土压力为： Ｐ ： Ｈ （２） 槽壁上泥浆压力为： Ｐ ＝÷ｙ Ｈ （３） 取泥浆容重ｙ ＝１２．５ ｋＮ／ｍ３，最大开挖深 度Ｈ＝６７ ｍ。槽壁稳定性的安全系数为： ＝ ２５ ㈩ 上述安全系数等于规范中关于二级边坡的安 全系数（１．２５）的规定。为印证槽壁稳定性理论分 析的结果，我们采用数值计算的方法进行对比 分析。 ３槽壁稳定性数值计算 槽壁稳定性和边坡稳定性一般采用安全系数 来评价其安全，其原理简单，物理意义明确，严格 说来，安全系数是基于极限平衡状态分析方法的 评价指标，数值计算则是一种与极限平衡分析方 法并行的一种方法，侧重于土体应力一应变即破 环机理的研究。Ｆ ３Ｄ作为国际上通用的岩土 工程专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛 的模拟能力，对于地下连续墙开挖过程中槽壁稳 定性分析具有独特的优势，可以采用强度折减法 将两种思想有机地联系起来ｌ２］。 ３．１强度折减法 在强度折减法［３ 中，槽壁稳定性的安全系数 定义为：使槽壁刚好达到临界破坏时，对土体抗剪 强度进行折减的程度，即定义安全系数为土体的 实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的 比值。强度折减法的要点是不断调整土体的强度 指标Ｃ和声。 ＣＦ＝ｃ／Ｆｔ ｆ （５） Ｆ＝ｔａｎ （（ｔａｎ ）／Ｆｔ ｃ） （６） 式中：ｃＦ为折减后的黏聚力；声 为折减后的摩擦 角；Ｆ 恤 为折减系数，直至临界破坏时，此时得到 的折减系数即为安全系数Ｆ 。 ＦＬＡＣ３Ｄ求解安全系数时，首先，给黏聚力设 定一个较大的数值改变土体内部应力，以找到体 系达到力平衡的典型时步Ⅳｒ；接着，对于给定的 安全系数Ｆ。，执行Ｎｒ时步，如果体系不平衡力 与典型内力比率Ｒ小于１０～，则认为体系达到力 平衡。如果不平衡力比率Ｒ大于１０～，再执行 时步，直到Ｒ小于１０ 退出当前计算，开始 新一轮折减计算过程［４］。 ３．２数值计算模型 建立一幅地下连续墙开挖平面应变计算模型 如下：几何模型宽度为５ ｍ，高度为８０ １ＴＩ，厚度为１ １１＂１，共１ ５６０个单元。其中左侧边界为对称边界条 件，开挖宽度为０．５ ｍ，深度为６７ １ＴＩ，右侧施加Ｘ 向水平约束，前后侧施加ｙ向水平约束，底部施加 Ｘ、ｙ、Ｚ固端约束。第一层承压水头、第二层承压 水头分别施加在一１７ ｍ～一２１．３ １１１和一４１ ｍ～ 一５９ ｍ的单元上。实际施工中，一幅地下连续墙 从开挖至灌注混凝土结束，总耗时约为８５ ｈ，时间 较短，因此槽壁稳定性分析不考虑承压水泄压引起 的流固耦合问题ｌ＿５］，仅考虑静力平衡条件。 《 § 囊 糯 椰ｌ嚣 ＾ ｝ ， ； ■ ， 一 ０ … ： ０ 筌勰‘０熬 图３开挖成槽图 Ｆｉｇ．３ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ 图４孔隙水压图 Ｆｉｇ．４ Ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｏｕｒ ３．３承压水与槽壁稳定性的关系 承压水头对槽壁稳定性的影响非常显著，下 面就土层中是否存在承压水的情况进行数值计算 分析，得出常识性的工程规律，护壁泥浆容重取 ｙ ＝１２．５ ｋＮ／ｍ３，开挖深度取Ｈ＝６７ ｍ。 从图５～图８可知，在一４１ｍ～一５９ｍ之间的 地下连续墙槽壁由于地下承压水头的作用，将发 生面向坑内的位移（０．０２３ ｍ），速度矢量显示该 处存在“流砂”的趋势（Ｆ。＝１．０４），槽壁的稳定性 很低。数值计算结果和理论安全系数（Ｆ。＝ １．２５）有一定出入，原因在于理论安全系数计算 第３期 王长虹：超深地下连续墙槽壁稳定性数值分析 １９３ 中，考虑的是槽壁上整体的主动土压力与泥浆压 力平衡，而数值计算主要考虑到槽壁在承压水作 用下的局部稳定性，因此ＦＬＡＣ３Ｄ计算结果具有 平衡（Ｆ。＝１．９２）。因此，当地层中存在承压水的 情况时，应特别注意泥浆容重和液面高度的调整， 确保槽壁稳定性。 更好的参考性。 图５槽壁水平位移（有承压水） Ｆｉｇ．５ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ 图６槽壁水平位移（无承压水） Ｆｉｇ．６ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ 图７槽壁安全系数 ＝１．０４（有承压水） Ｆｉｇ．７ ＝１．０４ ｗｉｔｈ ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ 图８槽壁安全系数 －－１．９２（无承压水） Ｆｉｇ．８ ＝１．９２ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｒｔｅｓｉａｎ ｗａｔｅｒ 相对有承压水而言，在无承压水的地层中开 挖，在泥浆压力的作用下，将发生槽壁向外挤压的 趋势，泥浆压力与周边土体被动土压力逐渐达到 ３．４无泥浆护壁措施极限开挖深度 在无泥浆护壁措施下，通过数值计算得出槽 孔极限开挖深度，以此证明在地下连续墙开挖过 程中，泥浆护壁的重要性。 从图９、图１０可知，在不采用泥浆护壁措施 的情况下，地下连续墙可以垂直开挖约２．４ ｍ，槽 壁水平位移约为０．００５ ｒｒｌ。从数值分析结果来 看，此时的安全系数Ｆ。＝２．１５，但如果继续增大 开挖深度而不加以泥浆护壁，槽壁水平位移增加 速度非常快，如向下开挖至～２．８ ｍ时，其值为 ０．１ ｍ，将严重影响槽孔质量和工程安全，于是取 无泥浆护壁措施下，极限开挖深度为２．４ ｍ。由 于槽孔挖深达到一６７ ｍ，因此必须采用泥浆护壁 方法。 图９无泥浆护壁极限开挖深度（一２．４ ｍ） Ｆｉｇ．９ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ 图１Ｏ无泥浆护壁极限开挖水平位移（－－０．００５ ｍ｝ Ｆｉｇ．１０ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｌｉｍｉｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ３．５泥浆参数选择 提高泥浆护壁的作用，主要是通过提高泥浆 液面高度、调整泥浆容重、增大泥浆黏度、降低泥 浆含砂率等方法实现。考虑到数值计算的近似 性，主要将针对泥浆液面高度和泥浆容重的选择 进行研究，泥浆黏度、泥浆含砂率主要将通过施工 上海应用技术学院学报（自然科学版） 第１Ｏ卷 措施保证。泥浆液面高度、泥浆容重与槽壁稳定 性的关系如图１１、图１２所示。 如图１１、图１２所示，槽壁稳定性的安全系数 与泥浆容重或泥浆液面高度近似成正比关系，当 泥浆容重为１２．５ ｋＮ／ｍ ，泥浆液面和地面齐平 时，安全系数Ｆ。＝１．０４；而当泥浆容重为１４．５ ｋＮ／ｍ￣，泥浆液面高出地面２ １ＴＩ时，安全系数 Ｆ。＝２．３。考虑到泥浆容重很难达到１３ ｋＮ／ｍ３ 以上，为了保证槽壁的稳定性，可以适当提高泥浆 液面高度，推荐施工中配置泥浆容重达到１２．５ ｋＮ／ｍ３，采用导墙将泥浆液面提升１ ｍ，安全系数 Ｆ。将达到１．４，满足规范中一级边坡的稳定性 要求。 １ｊ｛ｓ 寸｝｛ 撒 图１１槽壁稳定性与泥浆容重关系 Ｆｉｇ．１ １ Ｔｒｅｎｃｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｖｅｒｓｕｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｗｅｉｇｈｔ ２．４ ２Ｉ２ ２．０ 裂・ １．４ １＿２ １．０ ０ ０．５ １ ０ １．５ ２．０ 液面高度 图１２槽壁稳定性与泥浆液面高度关系 Ｆｉｇ．１２ Ｔｒｅｎｃｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｖｅｒｓｕｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ４施工措施 在地下连续墙施工中，为了确保槽壁稳定性， 防止坍塌事故发生，应根据场区内工程地质和水 文地质条件及设计要求进行槽壁稳定性的安全系 数计算，依此配制护壁泥浆。其配制过程如图１３ 所示。 在施工过程中，通过前三幅地下连续墙施工 的泥浆试配，测得其参数变化曲线如图１４、图１５ 所示。 调查工程地质情况和施工条件 根据岩土力学情 对泥浆的组成材料 况确定最易发生 按不同产地、不同 坍塌的土层 种类进行基本试验 进行机理 性分析 确定开挖设备、 编制施工方案 由最易发生坍塌的土 层力学性能和施工措 施确定泥浆指标 按不同产地、不同种类的泥浆 材料组成若干个配比方案 取一个配比方案 Ｎ 通过试验检验 配比是否满足 ＼性能指标／ ．．．．．．．．．Ｉ．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．． ｌ ： ：．．．．．． ． ．．．一 选择性能最佳费用最低的配比方案 图１３泥浆配置程序 Ｆｉｇ．１３ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｇｎ ｆｌｕｉｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ 咖 靛 图１４泥浆相对容重随开挖深度实测值 Ｆｉｇ．１４ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｇｎ ｆｌｕｉｄ ｖｅｒｓｕｓ ｄｅｐｔｈ ｏｎ ｓｉｔｅ 如图１６、图１７所示，施工中根据理论分析和 数值计算结果，泥浆容重控制在１１ ｋＮ／ｍ３至１３ ｋＮ／ｍ３之间时，有效地保证了槽壁的稳定性，为 第３期 王长虹：超深地下连续墙槽壁稳定性数值分析 １９５ 超深地下连续墙顺利施工奠定了坚实基础。 －３２ －３Ｏ 咖ｌ ．２８ ．２６ 茛 ．２４ －２２ ２０ ．Ｉ８ 图１５泥浆相对容量随混凝土灌注深度实测值 Ｆｉｇ．１５ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｖｅｒｓｌｌＳ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｏｕｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｏｎ ｓｉｔｅ ２９ ２８ ２７ ２６ ２３ ２２ ２１ 图１６泥浆黏度随开挖深度实测值 Ｆｉｇ．１６ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｖｅｒｓｕｓ ｄｅｐｔｈ ｏｎ ｓｉｔｅ 图１７泥浆含砂率随混凝土灌注深度实测值 Ｆｉｇ．１７ Ｓａｎｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｖｅｒｓｕｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｏｐｕｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｏｎ ｓｉｔｅ ５结论与展望 超深地下连续墙施工的最大困难是将遇到多 层承压水，在开挖过程中，如何保证槽壁的稳定性 是施工能否顺利进行的关键，通过分析土体物理 力学指标、承压水头和地下连续墙的形状、尺寸 等，采用理论分析与数值计算相结合的方法，得出 安全系数，并以此为依据提出泥浆护壁的关键考 虑因素：（１）采用优质膨润土浓泥浆；（２）掺加加 重剂，增大泥浆重度；（３）提高泥浆液面高度或降 低地下水位，使泥浆液面与地下水位保持一定的 高差等；（４）加强施工组织，确保在最短时间内完 成地下连续墙施工，减小槽壁暴露时间。 由于现场泥浆制备的限制条件角度，可考虑 采用新型的聚合物泥浆代替现场拌合泥浆，它是 由聚合物水溶液、膨润土和碱组成，施工操作方 便，泥浆性能容易得到保证。 参考文献： ［１］李小青，何圣熙．地下连续墙槽壁稳定性分析［Ｊ］．中 国地质大学学报，１９９９，２４（２）：２１７—２２０． ［２］ 陈育民，徐鼎平．ＦＬＡＣ／ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例 ［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８． ［３］ Ｕｇａｉ Ｋ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｓｌｏｐｅｓ ｂｙ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ＦＥ＾ ［Ｊ］．Ｓｏｉｌｓ ａｎｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ＪＧＳ，１９８９，２９（２）：１９０—１９５． Ｅ４］赵尚毅，郑颖人，时卫民，等．用有限元强度折减法 求边坡稳定安全系数［Ｊ］．岩土工程学报，２００２，２４ （３）：３４３～３４６． Ｅｓ］姜朋明，胡中雄，刘建航．地下连续墙槽壁稳定性时 空效应分析ＥＪ］．岩土工程学报，１９９９，２１（３）： ３３８—３４２
