槽壁與坑底加固對地鐵基坑支護結構變形影響研究

程金紅

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200940 ）

0 前言

城市地鐵基坑臨近城市中心區(qū)域，周邊環(huán)境復雜，基坑及圍護結構變形控制已成為地鐵車站工程風險控制的重要環(huán)節(jié)；地連墻止水效果好、整體剛度大、對環(huán)境影響小，已被廣泛應用于地鐵車站的基坑工程，軟土地區(qū)為避免成槽施工時槽壁坍塌，成槽前常對兩側土體進行加固處理，加固槽壁兩側土體有效控制成槽時槽段側向變形，限制臨近土體沉降變形；坑底加固對保障基坑穩(wěn)定和控制基坑變形有積極作用，槽壁與坑底聯(lián)合加固，提高了地連墻兩側和基底土體的強度，止水效果好，對于控制地表沉降、基底隆起以及圍護結構的變形產(chǎn)生積極作用，對此許多學者開展了相關理論與實踐方面的研究工作[1]；朱志祥[2]建立了采用水泥土加固的地鐵站基坑模型和未采用水泥土加固的計算模型，對基坑的分層開挖進行了模擬計算，研究認為采用水泥土攪拌樁進行基坑加固對限制地下連續(xù)墻的側向位移及坑外地表沉降有較為明顯的作用；金亞兵[3]提出了攪拌樁加固槽壁條件下槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)計算方法和判定標準，并驗證所提出的攪拌樁加固槽壁條件下槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)計算方法和判定標準的可靠性以及加固寬度和深度的合理性。

本文以杭州汽車北站基坑工程為例，建立有限元分析模型模擬地鐵基坑開挖過程，研究三軸攪拌樁加固地下連續(xù)墻槽壁與坑底對地下連續(xù)墻水平位移和周邊地表沉降等變形的影響及變化規(guī)律；并結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，探討三軸攪拌樁加固地連墻槽壁與坑底土體對基坑支護結構變形特性的影響及變形控制機理。

1 工程概況

杭州地鐵10 號線一期工程汽車北站位于花園崗街與莫干山路交叉口南側，主體沿莫干山路南北向布置，為地下二層島式車站，車站總長526m，標準段寬21.7m，采用雙柱三跨箱型框架結構。車站基坑采用明挖法施工，圍護結構為1000 mm 厚地連墻，墻趾位于淤泥質粉質黏土層，墻底進入基坑底23～24m，總長41m；地連墻槽壁采用φ850@600 三軸攪拌樁加固，加固深度從地面至坑底以下7.75m；基坑設置五道支撐，第一道為800 mm×1000mm的鋼筋混凝土支撐；其余為Φ609/Φ800（t=16 mm）鋼支撐；坑底以下3000mm三軸攪拌樁加固。根據(jù)地質勘察資料，北站場地位于浙北平原區(qū)，地勢平坦，基坑開挖范圍地層主要為①層填土、②1 層黏質粉土、②2 層粉質黏土、④1層淤泥質黏土，⑤1 層粉質黏土、⑤2 層粉質黏土夾粉土、⑤3 層砂質粉土、⑥1 層淤泥質粉質黏土。基坑開挖涉及的各土層水平向地層分布相對較為平穩(wěn)，開挖深度范圍內巖土施工等級為Ⅱ級普通土。開挖探度影響范圍內土層具體參數(shù)見表1。

表1 基坑深度土層參數(shù)

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 計算模型簡化

根據(jù)工程實際，簡化建立平面應變分析模型。分別采用錨桿單、板單元和15 節(jié)點單元元來模擬支撐、圍護結構和土體（加固體），通過接觸面單元模擬土與結構相互作用，通過結構對象類組激活與凍結來模擬地鐵基坑施工進程，具體步驟及相應支撐的預加軸力如表2 所示。

模型的計算寬度與深度分別取4 倍與2 倍的開挖深度，底部為固定邊界條件，左右邊界施加水平約束，地面超載按20 kPa 計算；按剛度等效原則將基坑東側水泥土攪拌樁槽壁加固體簡化為等厚度實體；根據(jù)各施工步基坑變形數(shù)據(jù)調整支撐軸力設定和輸出，以模擬軸力自動補償?shù)乃欧到y(tǒng)，計算模型如圖1 所示。

圖1 平面應變分析模型

加固體的本構模型采用土體硬化模型HS，土體的本構模型采用小應變土體硬化模型HSS；根據(jù)土體參數(shù)表1，分別得到土體小應變土體硬化模型計算參數(shù)和加固體土體硬化模型HS 模型計算參數(shù)，見表3 和表4。

表2 基坑施工工況

表3 土體小應變土體硬化模型HSS 計算參數(shù)

表4 加固體土體硬化模型HS 模型計算參數(shù)

3.2 數(shù)值模型驗證

地鐵基坑開挖過程中，卸荷作用致使地連墻向坑內變形，通過分析對比地連墻水平位移的實測值與計算值，根據(jù)兩者數(shù)據(jù)差異，判別平面應變模型計算精度并驗證數(shù)值計算的可靠性。

圖2 為開挖過程中基坑圍護結構及周邊土體的豎向位移情況，隨著基坑開挖深度增加，坑外地表沉降和基底隆起變形增大。

圖2 基坑及周圍土體的豎向變形圖

圖3 開挖后地下連續(xù)墻水平變形計算值和實測值

圖3 為地連墻水平變形計算值和實測值對比情況，由圖可知，地連墻側向變形實測值與計算值總體變形趨勢相近，說明土體本構模型較好地預測地連墻的側向變形，驗證了計算模型的可靠性。綜上實測值與計算值對比表明，加固體的本構模型采用土體硬化模型HS 與土體的本構模型采用小應變土體硬化模型HSS 合理反映地鐵基坑圍護結構實際位移，計算中所采用的參數(shù)及簡化合理。

4 槽壁與坑底加固對地基坑支護結構變形影響

4.1 槽壁加固坑外地表沉降變形特性

槽壁加固，圍護結構剛度增大，對坑外土體約束變強，本文結合工程實例分析槽壁加固對坑外地表沉降變形的影響，分析結果如圖4。

圖4 槽壁加固對坑外地表沉降變形的影響

由圖4 可知，隨著到基坑距離的增加，地表沉降先增大后減小，呈凹槽型，且最大值在開挖過程中逐漸增大；槽壁加固，抑制周邊地表沉降變形。

4.2 加固槽壁與坑底對墻體變形的影響

加固槽壁與坑底的地連墻側向變形與未加固的地連墻側向變形對比如圖5 所示。

圖5 加固槽壁與坑底對地下連續(xù)墻的水平位移的影響

由圖知，加固槽壁與坑底使得地連墻的側向變形較未加固時明顯減小，降幅可達近17%，說明加固槽壁與坑底有助于控制基坑插入部分地連墻的側向變形。

綜上可知，加固槽壁與坑底可以減少地連墻變形及地表沉降變形，有助于抑制基坑變形，保障周邊管線、地下既有結構、建筑結構及基坑工程安全。

5 結論

本文以杭州地鐵10 號線汽車北站基坑工程為背景，構建有限元軟件分析模型，對加固槽壁與坑底對基坑支護結構變形的影響進行了研究，得出以下結論：

1) 本實例工程，采用加固體的本構模型采用土體硬化模型HS 與土體的本構模型采用小應變土體硬化模型HSS 合理反映地鐵基坑圍護結構實際位移，計算中所采用的參數(shù)及簡化合理，計算結果滿足精度要求，模型可靠。

2) 加固槽壁，可有效抑制地連墻側向變形和地表沉降。

3) 加固槽壁與坑底可有效抑制基坑圍護結構變形，有助于控制基坑插入部分地連墻的側向變形。