基于有限元分析的地鐵車站明挖深基坑邊坡穩(wěn)定性分析

王江榮，梁永平，趙振學(xué)

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息處理與控制工程學(xué)院，甘肅蘭州740060；2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅蘭州740060）

0 引 言

蘭州地鐵奧體中心車站是蘭州市城市軌道交通1號(hào)線一期工程土建Ⅰ標(biāo)段2工區(qū)的正建工程，該車站位于西固區(qū)深安大橋西側(cè)、1號(hào)線一期工程西南端頭，如圖1所示。該車站深基坑施工采用了明挖順作法以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐基坑穩(wěn)定性保障體系，并采取階段性開挖和隨挖隨支護(hù)的方式施工。工程實(shí)踐表明對(duì)基坑施工期和工后運(yùn)營(yíng)期的安全穩(wěn)定性評(píng)估具有重要意義［1-2］，許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并取得了豐碩成果［3-7］。目前，對(duì)深基坑安全穩(wěn)定性的評(píng)估主要有定性分析方法［8-9］、極限平衡法［10-12］、數(shù)值分析方法［13-15］等，而基于有限元數(shù)值分析法則得到了廣泛應(yīng)用。本文借鑒已有的研究方法，利用MIDAS/GTSNX有限元巖土分析軟件建立奧體中心車站深基坑二維數(shù)值分析模型，按不同施工階段計(jì)算基坑邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，并對(duì)基坑變形特征、圍護(hù)樁內(nèi)力、基坑土體應(yīng)力等進(jìn)行分析。分析得出的結(jié)論可供奧體中心站正建工程及其他類似工程參考。

圖1 蘭州市城市軌道交通1號(hào)線一期工程土建Ⅰ標(biāo)段2工區(qū)總平面示意圖

1 工程地質(zhì)與水文氣象條件

1.1 工程地質(zhì)

工程所在地地貌特征為黃河高漫灘，其地形較平緩，地面高程約1529.3m。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，建設(shè)場(chǎng)地質(zhì)時(shí)代為第四系下更新統(tǒng)沖積地層，場(chǎng)地地層自上而下劃分為：雜填土（Q4m1，厚度0.6～14.2m），中砂（Q4，厚度0.4～2.7m），卵石（Q4，厚度0～11.8m），卵石（Q1，厚度200～300m），共4層，各土層地質(zhì)信息如表1所示，各土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表1 奧體中心車站地層巖性特征

表2 建設(shè)場(chǎng)地地層物理力學(xué)參數(shù)

說明一點(diǎn)，要想獲得符合實(shí)際的c、φ是很困難的，表2中土層參數(shù)是根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告、室內(nèi)巖石試驗(yàn)資料，并結(jié)合《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》及當(dāng)?shù)赝惞こ虒?duì)比綜合選定的。

1.2 水文氣象條件

根據(jù)《蘭州市軌道交通1號(hào)線一期工程（陳官營(yíng)—東崗段）KC-2標(biāo)段詳細(xì)勘察階段奧體中心站（主體工程）巖土工程勘察報(bào)告》，勘察期間，地下水位埋深4.37～5.51m，水位高程1523.486～1523.98m。由于蘭州地區(qū)氣候?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨量稀少，年平均降水量?jī)H為293.5mm，地下水類型屬斷陷盆地松散巖類孔隙潛水，主要賦存于卵石1和卵石2層中。地下水位呈西南向東北緩慢降低的趨勢(shì)，水位變化規(guī)律與季節(jié)變化同步，在7月至9月水位增高明顯。

2 工程概況

蘭州地鐵奧體中心站的中心里程為YCK 9+772.0，起始里程為YCK9+691.000，終止里程為YCK9+908.550，車站總長(zhǎng)216.95m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.80m（加寬段22.4m），總高19.49m，結(jié)構(gòu)底板埋深22.654m，采用明挖順作法施工，車站結(jié)構(gòu)為地下3層，有4個(gè)出入口，車站終點(diǎn)和起點(diǎn)各有一個(gè)風(fēng)亭。車站勘察區(qū)內(nèi)揭露地層從上到下依次為：雜填土、中砂、卵石1和卵石2。車站總平面圖如圖2所示。

圖2 奧體中心站基坑平面圖

2.1 周邊環(huán)境

奧體中心站周邊較為空曠，現(xiàn)狀為農(nóng)田、民房及少部分水塘，車站周邊沒有控制性構(gòu)筑物及地下管線，場(chǎng)地內(nèi)無市政道路，對(duì)交通無影響。

2.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁＋鋼支撐支護(hù)。圍護(hù)樁為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)19.445m，樁徑800mm，插入基坑底板（基礎(chǔ)）內(nèi)2.645m；鋼支撐外徑為609mm，壁厚為12mm。沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度方向采用3道鋼支撐（從上到下分別記作第一道、第二道及第三道），且3道鋼支撐間距離為第一道與第二道間距離設(shè)定成6.1m，第二道與第三道間距離設(shè)定成6m，第三道與基坑底距離為2.9m。

3 車站深基坑有限元模型建立

3.1 基本假設(shè)

a）假定在支護(hù)范圍內(nèi)土體是均勻、各向同性的彈塑性體，土體的應(yīng)力應(yīng)變滿足莫爾-庫倫模型；圍護(hù)樁柱和鋼支撐均為理想彈性體。

b）不考慮施工鉆孔灌注樁時(shí)對(duì)土體應(yīng)力和性狀的影響。另外，在開挖前土體在自重狀態(tài)下已固結(jié)。

c）不考慮施工對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的影響，也不考慮土體中的滲流作用。

d）基坑地面荷載為均布?jí)毫奢d，荷載值為20kPa。

3.2 基坑開挖二維分析計(jì)算工況

根據(jù)基坑施工方案，基坑開挖總共分為以下4個(gè)施工階段。

CS1：開挖至地表以下2.9m，并在地表以下1.8m處施工第一道鋼支撐；

CS2：開挖至地表以下8.9m，并在地表以下7.9m處施工第二道鋼支撐；

CS3：開挖至地表以下14.8m，并在地表以下13.9m處施工第三道鋼支撐；

CS4：開挖至地表以下16.8m。

3.3 有限元分析模型概況

選取地鐵車站基坑南北向剖面利用商用軟件MIDASGTSNX進(jìn)行二維建模分析，其中基坑寬度約22m，開挖深度16.8m。按基坑手冊(cè)，基坑影響范圍為挖深的3～4倍，故將模型水平尺寸設(shè)為200m，豎向土體取42m，所選尺寸遠(yuǎn)大于基坑手冊(cè)推薦的模型尺度（有利于提高模型計(jì)算精度），結(jié)合實(shí)際層土厚度自上而下分別取6、2.7、7.3、26m。

本研究采用平面應(yīng)變單元來模擬土體單元，邊坡土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖模型。鋼支撐采用鋼材，樁基采用混凝土材料，均采用二維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，結(jié)合3.2節(jié)表述所建二維分析模型及支護(hù)體系分別如圖3、圖4所示。本模型共包含節(jié)點(diǎn)2187個(gè)，包含單元4294個(gè)，平面應(yīng)變單元以三角形單位為主。

圖3 二維分析模型

圖4 支護(hù)體系

3.4 邊界條件與荷載

1）邊界條件。

采用MIDASGTSNX中的自動(dòng)約束功能，選擇所有網(wǎng)格組然后點(diǎn)擊約束。底部、側(cè)面節(jié)點(diǎn)約束為平動(dòng)自由度；頂部節(jié)點(diǎn)不做處理，使模型邊界條件更接近實(shí)際情況。

2）荷載情況。

荷載主要有：

①考慮自重作用，其中自重荷載系數(shù)取值為1.0，重力加速度取值為9.8m·s-2；

②考慮地面其他附加荷載，取值為20kPa；

③鋼支撐的預(yù)加力為350kN。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 基坑開挖階段穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

采用剛度折減法（SRM）［16］求解各個(gè)開挖施工階段基坑的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示（僅給出工況CS4的計(jì)算云圖）。各個(gè)工況的基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。

圖5 CS4 基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)

從表3可看出，隨著開挖深度的增加（有支護(hù)的情形），基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈下降趨勢(shì)，但基坑仍在安全范圍內(nèi)（最小穩(wěn)定系數(shù)為1.3），說明支護(hù)措施成效顯著，但還需改進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)，或增加其他（如錨桿、土釘墻等）支護(hù)措施，提升穩(wěn)定性系數(shù)，增強(qiáng)基坑安全性。

表3 基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4.2 基坑變形分析

4.2.1 基坑水平變形

基坑水平變形云圖如圖6所示（僅給出工況CS4的情形），基坑在各個(gè)施工階段的水平位移沿著基坑深度方向的變形趨勢(shì)如圖7所示。從水平變形趨勢(shì)可以看出，基坑邊土體的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，但是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，水平位移的最大增幅（變化率）僅3mm左右，支護(hù)后的最大水平位移為13.8253mm，最小水平位移為?-14.1362mm，反映了這種變化符合工程規(guī)范。

圖6 CS4 基坑水平變形云圖

圖7 各個(gè)工況的基坑水平位移圖

4.2.2 基坑沉降變形

基坑開挖過程中的豎向變形云圖如圖8所示（僅給出工況CS4的情形），圖中正負(fù)號(hào)表示方向，正號(hào)表示基坑隆起，負(fù)號(hào)表示土體沉降，變形值匯總?cè)绫?所示。數(shù)據(jù)表明隨著基坑開挖深度的增加，基坑邊土體的豎向沉降變形變化較為緩慢（不同施工段基坑邊土體沉降量相近，變化幅度很小），而坑底的隆起變化不均勻，起伏較大（最大隆起值12mm，最小隆起值4.3mm）。

圖8 CS4 基坑豎向變形

表4 基坑豎向變形

由于基坑開挖所引起的地表沉降會(huì)對(duì)周邊建筑物的安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此非常需要采取相關(guān)措施，以防止出現(xiàn)過大沉降或不均勻沉降對(duì)周邊重要建筑物造成破壞。

4.2.3 樁基水平變形

樁基的水平變形云圖如圖9（a）所示（僅給出工況CS4的情形）。樁基水平最大位移的趨勢(shì)圖如圖9（b）所示。從圖9（b）中可以看出樁基水平位移在不同開挖工況條件下變化較小，這說明基坑支護(hù)起到了積極作用，較大抑制了土體及圍護(hù)樁向基坑內(nèi)的移動(dòng)，保障了基坑的穩(wěn)定；也使得土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐體系達(dá)到受力平衡力。

在完成基坑整個(gè)開挖支護(hù)后，圍護(hù)柱體的最大水平向位移是14.1039mm，符合規(guī)范要求。

4.2.4 土體應(yīng)力分析

基坑土體的破壞主要是剪切破壞，因此考察基坑開挖過程中土體應(yīng)力變化情況最直接的方法是考察基坑土體在開挖過程中的最大土體剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力云圖如圖10所示（僅給出工況CS4的情形）。

圖9 樁基水平變形云圖及趨勢(shì)

圖10 CS4 剪切應(yīng)力

從4種工況的土體最大剪切應(yīng)力云圖右側(cè)數(shù)值可以看出，基坑周邊土體最大剪切應(yīng)力隨著開挖深度的增加有變大趨勢(shì)，但由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，剪切應(yīng)力在控制范圍內(nèi)（數(shù)量級(jí)為10-3MPa），土體沒有發(fā)生較大變形，也說明基坑是穩(wěn)定的。

5 結(jié)論與建議

利用有限元軟件MIDASGTSNX建立了蘭州地鐵奧體中心站的二維深基坑數(shù)值模型，按不同施工階段計(jì)算了基坑邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、基坑水平變形、坑底隆起、坑邊沉降、圍護(hù)樁內(nèi)力水平變形等值，得出以下結(jié)論：

1）由于采用了圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐體系，基坑邊坡在開挖過程中是安全穩(wěn)定的。但隨著開挖深度的不斷增加，基坑邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)不斷減小（最小安全系數(shù)為1.3），為了車站深基坑長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，還應(yīng)采取其他支護(hù)措施，如增加錨桿+土釘墻等防護(hù)措施等。

2）在基坑開挖即土體卸載過程中，基坑坑底發(fā)生了隆起，基坑隆起隨著開挖深度的增加呈現(xiàn)出變化不均勻，起伏較大的特點(diǎn)。坑底最大隆起值達(dá)到12mm，最小隆起值4.3mm，對(duì)照相關(guān)規(guī)范DB62/T25－3001－2000《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》，該隆起值符合規(guī)范要求。

3）在整個(gè)基坑開挖過程中，邊坡土體向坑內(nèi)方向發(fā)生了水平變形，最大水平位移為13.8253mm，最小水平位移為-14.1362mm；而豎直方向位移較均勻，介于2.65mm至2.98mm之間，兩種方向變形均符合規(guī)范要求。另外，由于基坑開挖引起地表沉降其影響范圍較大，要防止因出現(xiàn)過大沉降或不均勻沉降而造成周邊建筑物的破壞。

4）圍護(hù)樁基水平位移在不同開挖工況條件下變化較小，在內(nèi)支撐條件下，圍護(hù)柱體的最大水平向位移是14.1039mm，符合規(guī)范要求。這說明基坑支護(hù)起到了積極作用，較大抑制了土體及圍護(hù)樁向基坑內(nèi)的移動(dòng)，保障了基坑的穩(wěn)定。

5）通過對(duì)基坑土體最大剪切應(yīng)力的考察，得出結(jié)論：由于有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐，基坑周邊土體變形較小，基坑周邊土體的剪切應(yīng)力在可控范圍內(nèi)。

總之，蘭州地鐵奧體中心站施工設(shè)計(jì)方案是可行的，按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行開挖施工，能夠保證地鐵基坑的安全性和穩(wěn)定性。需要指出，由于車站是三維實(shí)體，故用二維數(shù)值模型模擬分析車站深基坑穩(wěn)定性會(huì)存在一定的缺陷；另外，未考慮降水及黃河滲流對(duì)基坑變形的影響，在今后的研究中，應(yīng)考慮應(yīng)力-滲流的耦合問題。