主、被动土压区加固对地铁深基坑变形影响的数值分析

侯新宇，刘松玉，童立元

(1.东南大学交通学院，南京 210096;2.江苏广播电视大学建工系，南京 210036)

地铁深基坑往往都处于城市重要区域，基坑开挖深度大、地下结构形式复杂，周围市政道路密集、建筑物林立、地下市政管网错综复杂［1］。地下工程设计、施工等方面存在诸多不确定性因素，基坑开挖变形给基坑自身及周边环境的安全和稳定带来巨大的风险。工程中常采用基坑土体预加固抑制基坑开挖变形。

陈兴年［2］提出被动区加固效果评价标准和动态加固设计方法;黄宏伟等［3］对被动区加固提高坑内土体性能的效果及支护结构位移反应进行分析;魏洋等［4］等用有限元方法分析了被动区加固深度、加固程度等对支护结构性状的影响;杨敏［5-6］等用弹塑性有限元法分别分析了超载软土地区主动区加固、被动区加固对邻近桩基侧向变形影响;胡承军等［7］通过实测数据分析坑外主动区加固对基坑变形的影响。目前，针对主被动区联合加固对支护结构性状影响的研究并不多见，分析主、被动区加固对基坑变形的定量影响，能够有效规避深基坑开挖风险，降低对周边环境的影响，为类似基坑工程的加固设计提供参考依据。

1 地铁深基坑常见加固方式及机理

地铁深基坑常见的加固方式如表1所示。由于施工工艺和对消除环境影响要求的不同，常常采用深层搅拌桩对基坑内侧被动区土体进行开挖前的大范围预加固，以及车站端头井加固;压密注浆由于具备快速止水和补强，保护周边环境的效果，则多用于基坑外侧的主动区土体局部范围的加固;旋喷桩加固可以用于地连墙接头加固等。

表1 地铁深基坑常见加固方式［8］

研究表明:基坑加固后形成的复合土体，其复合土性能参数、应力路径、力学特点等比不加固时更为复杂。被动区加固能够提高基坑内底部土体的强度，增大土体的刚度，减小基坑土体变形;主动区加固能够提高相应区域土体的承载力，降低坑外荷载对基坑支护结构变形的影响，是加强环境保护的有效措施之一;基坑主、被动区同时加固情况相对复杂，对其加固效果的定量分析有待进一步研究。

2 某地铁车站工程概况

某地铁换乘站位于市区交通枢纽，场地范围有河流经过、地下管线密集复杂、周边紧邻重要文物建筑。场地以晚更新世(Q32－3)浅海相、海陆交相沉积的④－1层粉土、④－2层粉土～粉砂及⑤层粉质黏土等为主导，其中④－1、④－2层赋水性、透水性较好，含水量较丰富，微承压水。埋深较大的⑦－2粉土～粉砂层富含承压水。

车站基坑呈十字形，本次施工的一号线东西长286.3 m、标准段外包宽度22.7 m，主体围护结构主要采用1 m厚地下连续墙，墙体最大埋深34.5 m;支撑体系采用首道钢筋混凝土(截面1.00 m×1.00 m)加4道φ609 mm(t=16 mm)钢管支撑。

坑底局部采用φ850 mm三轴搅拌桩加固。由于基坑外侧临近道路且有市政管线影响，在坑外局部进行压密注浆加固。为研究不同区域土体加固对基坑变形的影响，选取典型场地条件下，标准段上的3个断面进行分析比较，即:仅主动区加固、仅被动区加固、主被动区都加固。

3 基坑开挖有限元模型

假定基坑计算范围宽度80 m，深度50 m。开挖深度19 m，插入比1∶1。采用Plaxis有限元软件中的HS(hardening-soil)模型进行计算分析，HS模型是一个考虑土体剪胀性的塑性模型，能够较为真实地模拟土体开挖的变形特性，较其他模型更适用于该场地特点，较为真实精准反映实际工况。基坑土体采用三轴固结不排水剪的有效应力指标，支撑和地连墙采用弹性材料模型。坑外超载取20 kPa，距地连墙2 m。参数详见表2～表4。典型断面基坑土体开挖和施加支撑共11工况(图1)，每次开挖深度到达下一支撑位置超挖1 m。本次只对开挖过程中的基坑变形进行研究。

图1 基坑加固剖面图(单位:mm)

表2 地连墙物理力学参数

表3 支撑物理力学参数

4 数值模拟结果

4.1 不同区域加固对地连墙侧向位移的影响

基坑土体加固都能在一定程度限制支护结构的侧向变形，只是趋势和程度各有不同。

表4 主要土层计算参数

图2 墙体最终侧向位移曲线

由计算结果可见，地连墙侧向位移值随着基坑开挖深度增加而增大(图2)，开挖达到基坑底面，地连墙侧向位移达到最大，主被动区不加固为33.19 mm，仅主动区加固为28.59 mm，减小位移13.86%，而仅被动区加固、主被动区加固分别为23.46 mm和24.17 mm，减小位移达30%左右;最终的墙顶位移值，主被动区不加固和仅被动区加固分别为5.46 mm和6.39 mm，仅主动区加固和主被动区加固分别为3.24 mm和3.85 mm，后2种情况可以限制墙顶位移达到40%左右;最终墙底位移值，主被动区加固和主被动区不加固时较为接近，仅主动区加固墙底位移稍大，而仅被动区加固则稍小。

4.2 不同区域加固对坑底土体隆起的影响

不同区域加固都能在一定程度上限制坑底土体隆起。被动区加固限制隆起量更为明显，尤其在加固区附近降幅超过50%，如图3所示。仅主动区加固对隆起量影响甚微，降幅仅5%左右。加固限制隆起程度随距离墙体越远而逐渐减弱。

图3 坑底土体隆起曲线

4.3 不同区域加固对坑后土体变形的影响

基坑土体加固都能在一定程度上限制基坑背后土体的沉降量(图4)，尤其在距地连墙接近基坑开挖深度范围内。主被动区不加固最大沉降值为58.52 mm，仅被动区加固和仅主动区加固分别为52.27 mm和53.86 mm，都能限制沉降值达10%左右，而主被动区加固的最大沉降值49.41 mm，限制沉降值超过15%。因此，基坑被动区加固能够在一定程度上限制坑后土体的沉降变形。

图4 坑后表面土体沉降曲线

基坑土体开挖导致土层侧向移动。如图5所示，在基坑背后14 m左右范围内，基坑加固都增加了坑后土体的侧向位移值，但增加甚微不超过5 mm;在基坑背后14 m范围外，不同区域加固都能减小土体侧向位移，主被动区加固最明显，减小土体侧向位移达到50%;仅被动区加固减小土体侧向位移38%左右;仅主动区加固只为20%不到。因此，基坑被动区加固能够在一定程度上限制坑后土体的侧向变形。

图5 坑后土体水平位移曲线

5 变形比较分析

通过以上数值模拟计算结果分析得出:基坑不同区域土体加固都增强基坑整体性，能够在一定程度上限制基坑土体的变形。主被动区同时加固对限制基坑变形最为显著，仅被动区加固对限制坑底隆起效果明显。因此，被动区加固最为关键;主动区加固能够均衡土压，提高支挡结构的整体工作性状，有利于产生对支挡结构有益的地层应力重分布。

实际基坑监测数据也反映了同样的变化趋势(图6)，仅被动区加固比主被动区加固产生的土拱效应更为明显。

图6 实测墙体最终侧向位移曲线

综合以上数值模拟结果和实测数据的比较分析:在三种基坑加固方式中，基坑主被动区加固提高了加固区土体的刚度，增强了基坑整体稳定性，能够很好地限制基坑土体的变形，其控制变形的效果最为明显;基坑被动区加固效果稍逊于主被动区加固的情况，但对基坑变形的影响与主被动区加固较为相似，尤其在限制地连墙最大侧向位移、墙顶位移、坑底隆起量、坑后14 m范围外的侧向位移等方面，相差幅度不大。因此，主被动区加固方式中的坑后主动区加固部分对基坑整体刚度的贡献不大，对基坑变形影响效果不明显。

对基坑进行仅主动区加固，虽然能够在一定程度上提高基坑整体稳定性，但与仅被动区加固方式比较，控制基坑变形的能力逊色很多，只有在控制基坑后18 m范围内的土体沉降量时其效果与仅被动区加固相接近。

6 结论

综上分析:基坑被动区加固能够很好提高基坑整体刚度，增强基坑整体稳定性，对减小基坑侧向变形、坑底隆起量起到重要作用，能够在一定程度限制坑后土体变形。基坑主动区加固能够增强坑后土体强度和承载力，增强基坑整体性均衡土压，但对限制基坑变形程度有限。在各种变形要求苛刻的条件下可同时采用主、被动土压区加固的手段。

因此，需要根据不同地质条件和不同荷载要求，选择合理基坑加固区域、加固形式，能够很好地起到提高基坑整体刚度，增强基坑整体稳定性，减小基坑土体变形的作用。

［1］赵锡宏，等.大型超深基坑工程实践与理论［M］.北京:人民交通出版社，2006:1-7.

［2］陈兴年，刘国彬，侯学渊.深大基坑中的加固效果评价［J］.建筑技术，2002，2(33):93-94.

［3］黄宏伟，任臻，钱伟.深基坑内加固与墙体侧向位移的相互影响实测分析［J］.建筑结构，2000，30(11):55-57.

［4］魏祥，杜金龙，杨敏.被动区加固对基坑外桩基础的变形影响分析［J］.岩土工程学报，2008，30(S):37-40.

［5］杨敏，朱碧堂.超载软土地基主动加固控制邻近桩基侧向变形分析［J］.建筑结构学报，2003，24(4):76-84.

［6］杨敏，朱碧堂.超载软土地基被动加固控制临近桩基侧向变形分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(11):1912-1918.

［7］胡承军，刘燕，刘涛.坑外搅拌桩加固对基坑变形的影响分析［J］.岩土工程学报，2006，28(S):1859-1861.

［8］《地基基础手册》编写委员会.地基处理手册［M］.2版.北京:中国建筑工业出版社，2000:419-424.