槽壁与坑底加固对地铁基坑支护结构变形影响研究

2021-03-31程金红

四川水泥 2021年3期

程金红

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200940 ）

0 前言

城市地铁基坑临近城市中心区域，周边环境复杂，基坑及围护结构变形控制已成为地铁车站工程风险控制的重要环节；地连墙止水效果好、整体刚度大、对环境影响小，已被广泛应用于地铁车站的基坑工程，软土地区为避免成槽施工时槽壁坍塌，成槽前常对两侧土体进行加固处理，加固槽壁两侧土体有效控制成槽时槽段侧向变形，限制临近土体沉降变形；坑底加固对保障基坑稳定和控制基坑变形有积极作用，槽壁与坑底联合加固，提高了地连墙两侧和基底土体的强度，止水效果好，对于控制地表沉降、基底隆起以及围护结构的变形产生积极作用，对此许多学者开展了相关理论与实践方面的研究工作[1]；朱志祥[2]建立了采用水泥土加固的地铁站基坑模型和未采用水泥土加固的计算模型，对基坑的分层开挖进行了模拟计算，研究认为采用水泥土搅拌桩进行基坑加固对限制地下连续墙的侧向位移及坑外地表沉降有较为明显的作用；金亚兵[3]提出了搅拌桩加固槽壁条件下槽壁稳定性安全系数计算方法和判定标准，并验证所提出的搅拌桩加固槽壁条件下槽壁稳定性安全系数计算方法和判定标准的可靠性以及加固宽度和深度的合理性。

本文以杭州汽车北站基坑工程为例，建立有限元分析模型模拟地铁基坑开挖过程，研究三轴搅拌桩加固地下连续墙槽壁与坑底对地下连续墙水平位移和周边地表沉降等变形的影响及变化规律；并结合现场数据，探讨三轴搅拌桩加固地连墙槽壁与坑底土体对基坑支护结构变形特性的影响及变形控制机理。

1 工程概况

杭州地铁10 号线一期工程汽车北站位于花园岗街与莫干山路交叉口南侧，主体沿莫干山路南北向布置，为地下二层岛式车站，车站总长526m，标准段宽21.7m，采用双柱三跨箱型框架结构。车站基坑采用明挖法施工，围护结构为1000 mm 厚地连墙，墙趾位于淤泥质粉质黏土层，墙底进入基坑底23～24m，总长41m；地连墙槽壁采用φ850@600 三轴搅拌桩加固，加固深度从地面至坑底以下7.75m；基坑设置五道支撑，第一道为800 mm×1000mm的钢筋混凝土支撑；其余为Φ609/Φ800（t=16 mm）钢支撑；坑底以下3000mm三轴搅拌桩加固。根据地质勘察资料，北站场地位于浙北平原区，地势平坦，基坑开挖范围地层主要为①层填土、②1 层黏质粉土、②2 层粉质黏土、④1层淤泥质黏土，⑤1 层粉质黏土、⑤2 层粉质黏土夹粉土、⑤3 层砂质粉土、⑥1 层淤泥质粉质黏土。基坑开挖涉及的各土层水平向地层分布相对较为平稳，开挖深度范围内岩土施工等级为Ⅱ级普通土。开挖探度影响范围内土层具体参数见表1。

表1 基坑深度土层参数

3 有限元数值模拟

3.1 计算模型简化

根据工程实际，简化建立平面应变分析模型。分别采用锚杆单、板单元和15 节点单元元来模拟支撑、围护结构和土体（加固体），通过接触面单元模拟土与结构相互作用，通过结构对象类组激活与冻结来模拟地铁基坑施工进程，具体步骤及相应支撑的预加轴力如表2 所示。

模型的计算宽度与深度分别取4 倍与2 倍的开挖深度，底部为固定边界条件，左右边界施加水平约束，地面超载按20 kPa 计算；按刚度等效原则将基坑东侧水泥土搅拌桩槽壁加固体简化为等厚度实体；根据各施工步基坑变形数据调整支撑轴力设定和输出，以模拟轴力自动补偿的伺服系统，计算模型如图1 所示。

图1 平面应变分析模型

加固体的本构模型采用土体硬化模型HS，土体的本构模型采用小应变土体硬化模型HSS；根据土体参数表1，分别得到土体小应变土体硬化模型计算参数和加固体土体硬化模型HS 模型计算参数，见表3 和表4。

表2 基坑施工工况

表3 土体小应变土体硬化模型HSS 计算参数

表4 加固体土体硬化模型HS 模型计算参数

3.2 数值模型验证

地铁基坑开挖过程中，卸荷作用致使地连墙向坑内变形，通过分析对比地连墙水平位移的实测值与计算值，根据两者数据差异，判别平面应变模型计算精度并验证数值计算的可靠性。

图2 为开挖过程中基坑围护结构及周边土体的竖向位移情况，随着基坑开挖深度增加，坑外地表沉降和基底隆起变形增大。

图2 基坑及周围土体的竖向变形图

图3 开挖后地下连续墙水平变形计算值和实测值

图3 为地连墙水平变形计算值和实测值对比情况，由图可知，地连墙侧向变形实测值与计算值总体变形趋势相近，说明土体本构模型较好地预测地连墙的侧向变形，验证了计算模型的可靠性。综上实测值与计算值对比表明，加固体的本构模型采用土体硬化模型HS 与土体的本构模型采用小应变土体硬化模型HSS 合理反映地铁基坑围护结构实际位移，计算中所采用的参数及简化合理。