城市隧道基坑被动区土体抽条加固的等代宽度研究

2020.23科学技术创新城市隧道基坑被动区土体抽条加固的等代宽度研究

韩明峰（同济大学建筑设计研究院

（集团）有限公司，上海200092）基坑围护设计中围护墙体的变形不但直接影响基坑本身的

稳定性及围护桩（墙）的受力性能，

而且还影响基坑周边的建筑物或管线的安全。因此控制基坑围护构件的变形，保持围护构

件的稳定是围护结构设计的核心，

根据计算可以发现加大围护或支撑结构刚度能明显提高基坑安全，

但结构的刚度不能无限增大，经验表明借助于坑内被动区土体强度的提高，也可以有效

控制围护结构变形，

使基坑工程更安全[2]。基坑被动区土体加固主要有下面几种形式：

满膛、抽条及裙边加固[3]，对于城市隧道工程而言，限于隧道结构的形状，

基坑通常为长条形，此种基坑由于长度较长如采用满膛加固则建设成本过高，往往以裙边或抽条加固的形式替代。抽条加固是在

一定间距内采用小范围的满膛加固，

其余位置为裙边加固，这种方式是以加固体的空间效应发挥作用，而实际工作中常用的二维模型计算模拟软件无法直接拟合这种被动区加固体的空间作用，易造成设计浪费。

为了方便实际工作，保证基坑安全，

本文基于对加固区土体的受力分析，推导出被动区加固体抽条加固与裙边加固的等代宽度计算方法，并结合杭州市钱江世纪城亚运村项目奔竞大道

城市隧道基坑工程实例进行计算，

并通过三维数值模型及现场实测的桩身位移与推算的结论进行对比验证。

1工程概况及等效原理1.1工程概述

杭州钱江南岸亚运村片区的南北向核心道路奔竞大道为满

足规划要求，设置将过境交通引入地下的过境隧道，

隧道暗埋段长1.24km ，暗埋段隧道与本条道路的综合管廊采用合建的形式，根据与周边地块的关系，综合管廊位于隧道上方及两侧。

本文所述的计算方法以本工程BJK1+200~1+280位置的标

准断面为例进行计算说明，此段综合管廊位于隧道上方，

结构总宽22.5m ，总高12.4m ，顶板设计覆土为3.5m 至4m ，此段基坑两侧为亚运村运动员二村地块，地块为地下室连通的大底盘高层

住宅建筑，地下室两层，

距离坑边约7m 至20m 。基坑施工时坑两侧的建筑已施至地上部分，为加快施工进度，此段隧道基坑

整平场地至地下室底板，

隧道结构坐落于②-7层砂质粉土夹淤泥质土层，围护桩采用800@950直径钻孔桩，外侧设置850@600的止水帷幕，为保证坑边在建建筑的稳定性设置两道支撑，第一道为800mmx800mm 的钢筋混凝土支撑，第二道为

Φ609钢支撑，坑底采用抽条加固，

加固平面布置方式如图3所示，加固深度坑底3.5m ，加固体底部位于③-1层淤泥质粉质黏

土层。

图1计算段基坑设计剖面图

图2被动区加固体受力示意图

1.2抽条加固等效原理概述

取坑内被动区加固体进行受力研究，并结合杨光华等人[5]的研究成果及现行国家标准《建筑基坑支护技术规程》相关规定，加固体临近桩位置一侧承受桩分布土反力P s ，远离桩位置一侧承受被动土压力E p ，考虑其他土体对加固体产生的摩擦及与支

摘要：本文以杭州亚运村奔竞大道隧道工程为背景，有限元MidasGTS 软件为平台，分析了隧道基坑被动区加固土体的受

力情况，并根据不同宽度的加固体分别进行受力计算，

进而推算出加固体作用力T 与加固宽度的数值关系，基于此得到了实际工程中抽条加固转换为裙边加固的等代宽度值，最后通过三维模型分析结果及现场实测数据与等代宽度下的二维模拟结果进行对比，发现三组数据反映的桩身位移变化情况一致，证明所述方法合理。

关键词：基坑；加固体；抽条加固；裙边加固中图分类号:U451文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2020)23-0097-03作者简介:韩明峰（1987-），男，汉族，天津人，工程师，硕士研究生学历，单位：同济大学建筑设计院（集团）有限公司。研究方

向：地下结构工程

。

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科学技术创新2020.23

护结构的相互作用，加固区还承受抗力作用T ，受力示意图如图2所示。对于一般的被动区加固体而言，由于加固体范围被动土压力E p 以坑底开始计算，而加固体近围护桩一侧的作用力P s 以桩身位移推算得到，被动土压力限于深度较浅总体被动力也

较小，桩身在有一定位移的情况下，通常满足P s E p 条件，

此时对其采取刚性假设，得到平衡方程P s =E p +T ；当桩身位移较小时，

此时P s 较小，加固体的变形可认为仅发生在近围护结构一侧，无法将此变形传递至加固体后背土体，加固体土层的摩擦力即可与土反力相平衡。即当P s <E p 时，P s =T 。

图3坑内抽条加固布置平面图

图4被动区加固宽度4m 水平位移计算结果

对于桩侧土总分布反力P s ，需先求得总分布反力的分布值P s ，P s 详见公式①，根据土的水平反力系数k s 及初始分布反力P s0公式，进一步展开式子得到公式②，再根据土水平反力系数的比例系数m 及主动土压力系数K a 展开项代入上式，得到公

式③；E p 同样可以展开成分布力的形式，详见式④，将被动土压力系数K p 及加固体远离桩体一侧土的竖向应力表达式代

入，得到式⑤，对于T 可先假定其与加固体底部剪切力成正比，剪切力根据莫尔库伦公式计算，代入式⑤得到式⑥，其中L 为加固体宽度，k 为比例系数。上述公式中分别为加固体的粘聚力、内摩擦角、重度，式①~式⑥均表示每延米的表达式。

2二维模型分析及等效宽度推导

2.1二维模型模拟分析

结合本工程为推算出式⑥的比例系数k ，分别计算不同加固体宽度下的T 值，进而得到比例系数与加固宽度的关系。首先采用MidasGTS 建立二维平面有限元模型，土体采用莫尔-库

伦模型，按照设计的开挖步骤建立各工况，

为保证模型的正确性建立一组不设置坑内加固的模型计算桩身变形，

与同等情况的启明星FWS 软件（弹性地基梁法）计算结果进行对比，经对比启明星计算得到的桩身最大位移为18.4mm ，GTS 为16.8mm ，两软

件计算出的桩身位移变化规律也相同，

据此可确定GTS 模型的正确性。在此基础上坑内被动区加固体以1m 长度为单元，

分别建立不同加固宽度模型，根据经验，水泥土加固后粘聚力c 取35kPa ，内摩擦角取20°，不同加固宽度模型中加固体范围内桩身位移值详见图5。

图5不同加固宽度桩身位移值

图6k 值分布规律回归方程

通过求得的加固体范围内桩身位移，

代入上述公式③中，可以求得土反力分布力p s ，对其取在加固范围内p s -H 轴的面积即

可得到土反力值p s ，

结果详见下表。通过公式④、⑤，可以求得加固体的被动土压力E p 为272kN 。根据计算结果可以发现，针对本工程，基坑围护桩在坑内加固范围内的位移随着加固体宽度的增加出现了明显减小的特

征，

当坑内加固宽度超过9m 时，桩身位移已小于0.1%H 这一量级，

说明桩身产生的位移已很小了，其产生的土反力也很小，形成了上文所述的P s <E p 情况，此时可认为加固体不产生被动土

压力。按上述假定，抗力T 与加固宽度L 呈正相关，并结合本工程>

-加固体宽度（m ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

土反力Ps （kN ） 821 776 701 625 570 515 460 404 276 148 20

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