主、被動土壓區加固對地鐵深基坑變形影響的數值分析

侯新宇，劉松玉，童立元

(1.東南大學交通學院，南京 210096;2.江蘇廣播電視大學建工系，南京 210036)

地鐵深基坑往往都處于城市重要區域，基坑開挖深度大、地下結構形式復雜，周圍市政道路密集、建筑物林立、地下市政管網錯綜復雜［1］。地下工程設計、施工等方面存在諸多不確定性因素，基坑開挖變形給基坑自身及周邊環境的安全和穩定帶來巨大的風險。工程中常采用基坑土體預加固抑制基坑開挖變形。

陳興年［2］提出被動區加固效果評價標準和動態加固設計方法;黃宏偉等［3］對被動區加固提高坑內土體性能的效果及支護結構位移反應進行分析;魏洋等［4］等用有限元方法分析了被動區加固深度、加固程度等對支護結構性狀的影響;楊敏［5-6］等用彈塑性有限元法分別分析了超載軟土地區主動區加固、被動區加固對鄰近樁基側向變形影響;胡承軍等［7］通過實測數據分析坑外主動區加固對基坑變形的影響。目前，針對主被動區聯合加固對支護結構性狀影響的研究并不多見，分析主、被動區加固對基坑變形的定量影響，能夠有效規避深基坑開挖風險，降低對周邊環境的影響，為類似基坑工程的加固設計提供參考依據。

1 地鐵深基坑常見加固方式及機理

地鐵深基坑常見的加固方式如表1所示。由于施工工藝和對消除環境影響要求的不同，常常采用深層攪拌樁對基坑內側被動區土體進行開挖前的大范圍預加固，以及車站端頭井加固;壓密注漿由于具備快速止水和補強，保護周邊環境的效果，則多用于基坑外側的主動區土體局部范圍的加固;旋噴樁加固可以用于地連墻接頭加固等。

表1 地鐵深基坑常見加固方式［8］

研究表明:基坑加固后形成的復合土體，其復合土性能參數、應力路徑、力學特點等比不加固時更為復雜。被動區加固能夠提高基坑內底部土體的強度，增大土體的剛度，減小基坑土體變形;主動區加固能夠提高相應區域土體的承載力，降低坑外荷載對基坑支護結構變形的影響，是加強環境保護的有效措施之一;基坑主、被動區同時加固情況相對復雜，對其加固效果的定量分析有待進一步研究。

2 某地鐵車站工程概況

某地鐵換乘站位于市區交通樞紐，場地范圍有河流經過、地下管線密集復雜、周邊緊鄰重要文物建筑。場地以晚更新世(Q32－3)淺海相、海陸交相沉積的④－1層粉土、④－2層粉土～粉砂及⑤層粉質黏土等為主導，其中④－1、④－2層賦水性、透水性較好，含水量較豐富，微承壓水。埋深較大的⑦－2粉土～粉砂層富含承壓水。

車站基坑呈十字形，本次施工的一號線東西長286.3 m、標準段外包寬度22.7 m，主體圍護結構主要采用1 m厚地下連續墻，墻體最大埋深34.5 m;支撐體系采用首道鋼筋混凝土(截面1.00 m×1.00 m)加4道φ609 mm(t=16 mm)鋼管支撐。

坑底局部采用φ850 mm三軸攪拌樁加固。由于基坑外側臨近道路且有市政管線影響，在坑外局部進行壓密注漿加固。為研究不同區域土體加固對基坑變形的影響，選取典型場地條件下，標準段上的3個斷面進行分析比較，即:僅主動區加固、僅被動區加固、主被動區都加固。

3 基坑開挖有限元模型

假定基坑計算范圍寬度80 m，深度50 m。開挖深度19 m，插入比1∶1。采用Plaxis有限元軟件中的HS(hardening-soil)模型進行計算分析，HS模型是一個考慮土體剪脹性的塑性模型，能夠較為真實地模擬土體開挖的變形特性，較其他模型更適用于該場地特點，較為真實精準反映實際工況。基坑土體采用三軸固結不排水剪的有效應力指標，支撐和地連墻采用彈性材料模型。坑外超載取20 kPa，距地連墻2 m。參數詳見表2～表4。典型斷面基坑土體開挖和施加支撐共11工況(圖1)，每次開挖深度到達下一支撐位置超挖1 m。本次只對開挖過程中的基坑變形進行研究。

圖1 基坑加固剖面圖(單位:mm)

表2 地連墻物理力學參數

表3 支撐物理力學參數

4 數值模擬結果

4.1 不同區域加固對地連墻側向位移的影響

基坑土體加固都能在一定程度限制支護結構的側向變形，只是趨勢和程度各有不同。

表4 主要土層計算參數

圖2 墻體最終側向位移曲線

由計算結果可見，地連墻側向位移值隨著基坑開挖深度增加而增大(圖2)，開挖達到基坑底面，地連墻側向位移達到最大，主被動區不加固為33.19 mm，僅主動區加固為28.59 mm，減小位移13.86%，而僅被動區加固、主被動區加固分別為23.46 mm和24.17 mm，減小位移達30%左右;最終的墻頂位移值，主被動區不加固和僅被動區加固分別為5.46 mm和6.39 mm，僅主動區加固和主被動區加固分別為3.24 mm和3.85 mm，后2種情況可以限制墻頂位移達到40%左右;最終墻底位移值，主被動區加固和主被動區不加固時較為接近，僅主動區加固墻底位移稍大，而僅被動區加固則稍小。

4.2 不同區域加固對坑底土體隆起的影響

不同區域加固都能在一定程度上限制坑底土體隆起。被動區加固限制隆起量更為明顯，尤其在加固區附近降幅超過50%，如圖3所示。僅主動區加固對隆起量影響甚微，降幅僅5%左右。加固限制隆起程度隨距離墻體越遠而逐漸減弱。

圖3 坑底土體隆起曲線

4.3 不同區域加固對坑后土體變形的影響

基坑土體加固都能在一定程度上限制基坑背后土體的沉降量(圖4)，尤其在距地連墻接近基坑開挖深度范圍內。主被動區不加固最大沉降值為58.52 mm，僅被動區加固和僅主動區加固分別為52.27 mm和53.86 mm，都能限制沉降值達10%左右，而主被動區加固的最大沉降值49.41 mm，限制沉降值超過15%。因此，基坑被動區加固能夠在一定程度上限制坑后土體的沉降變形。

圖4 坑后表面土體沉降曲線

基坑土體開挖導致土層側向移動。如圖5所示，在基坑背后14 m左右范圍內，基坑加固都增加了坑后土體的側向位移值，但增加甚微不超過5 mm;在基坑背后14 m范圍外，不同區域加固都能減小土體側向位移，主被動區加固最明顯，減小土體側向位移達到50%;僅被動區加固減小土體側向位移38%左右;僅主動區加固只為20%不到。因此，基坑被動區加固能夠在一定程度上限制坑后土體的側向變形。

圖5 坑后土體水平位移曲線

5 變形比較分析

通過以上數值模擬計算結果分析得出:基坑不同區域土體加固都增強基坑整體性，能夠在一定程度上限制基坑土體的變形。主被動區同時加固對限制基坑變形最為顯著，僅被動區加固對限制坑底隆起效果明顯。因此，被動區加固最為關鍵;主動區加固能夠均衡土壓，提高支擋結構的整體工作性狀，有利于產生對支擋結構有益的地層應力重分布。

實際基坑監測數據也反映了同樣的變化趨勢(圖6)，僅被動區加固比主被動區加固產生的土拱效應更為明顯。

圖6 實測墻體最終側向位移曲線

綜合以上數值模擬結果和實測數據的比較分析:在三種基坑加固方式中，基坑主被動區加固提高了加固區土體的剛度，增強了基坑整體穩定性，能夠很好地限制基坑土體的變形，其控制變形的效果最為明顯;基坑被動區加固效果稍遜于主被動區加固的情況，但對基坑變形的影響與主被動區加固較為相似，尤其在限制地連墻最大側向位移、墻頂位移、坑底隆起量、坑后14 m范圍外的側向位移等方面，相差幅度不大。因此，主被動區加固方式中的坑后主動區加固部分對基坑整體剛度的貢獻不大，對基坑變形影響效果不明顯。

對基坑進行僅主動區加固，雖然能夠在一定程度上提高基坑整體穩定性，但與僅被動區加固方式比較，控制基坑變形的能力遜色很多，只有在控制基坑后18 m范圍內的土體沉降量時其效果與僅被動區加固相接近。

6 結論

綜上分析:基坑被動區加固能夠很好提高基坑整體剛度，增強基坑整體穩定性，對減小基坑側向變形、坑底隆起量起到重要作用，能夠在一定程度限制坑后土體變形。基坑主動區加固能夠增強坑后土體強度和承載力，增強基坑整體性均衡土壓，但對限制基坑變形程度有限。在各種變形要求苛刻的條件下可同時采用主、被動土壓區加固的手段。

因此，需要根據不同地質條件和不同荷載要求，選擇合理基坑加固區域、加固形式，能夠很好地起到提高基坑整體剛度，增強基坑整體穩定性，減小基坑土體變形的作用。

［1］趙錫宏，等.大型超深基坑工程實踐與理論［M］.北京:人民交通出版社，2006:1-7.

［2］陳興年，劉國彬，侯學淵.深大基坑中的加固效果評價［J］.建筑技術，2002，2(33):93-94.

［3］黃宏偉，任臻，錢偉.深基坑內加固與墻體側向位移的相互影響實測分析［J］.建筑結構，2000，30(11):55-57.

［4］魏祥，杜金龍，楊敏.被動區加固對基坑外樁基礎的變形影響分析［J］.巖土工程學報，2008，30(S):37-40.

［5］楊敏，朱碧堂.超載軟土地基主動加固控制鄰近樁基側向變形分析［J］.建筑結構學報，2003，24(4):76-84.

［6］楊敏，朱碧堂.超載軟土地基被動加固控制臨近樁基側向變形分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(11):1912-1918.

［7］胡承軍，劉燕，劉濤.坑外攪拌樁加固對基坑變形的影響分析［J］.巖土工程學報，2006，28(S):1859-1861.

［8］《地基基礎手冊》編寫委員會.地基處理手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2000:419-424.