青島地鐵保兒站深基坑穩(wěn)定性研究

紀(jì)文武

(北京城建設(shè)計研究總院，北京 100000)

0 引言

19世紀(jì)是橋梁的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層、超高層建筑的世紀(jì)，而已經(jīng)到來的21世紀(jì)卻是地下空間的世紀(jì)。到目前為止，世界各大中型城市正在進行各種用途的地下空間的建設(shè)，并且其數(shù)量和規(guī)模也在不斷的擴大，譬如各種地下商場、地下停車場、地下鐵路甚至是地下公路等等，由于明挖法的造價相對較低，故越來越多的使用于工程實際，因此在各大城市出現(xiàn)了大量的深基坑。

1 工程概況

保兒站位于黑龍江路和長沙路交叉路口西北側(cè)，沿黑龍江路南北方向設(shè)置。臨近長沙路建材市場，位于長沙路建材市場停車場地下，周圍無高大建筑。保兒站起點里程為K14+354.446，終點里程為K14+592.846，車站總長度為238.4 m，板覆土南深北淺，最深處3.26 m，最淺處0.48 m。有效站臺寬度9 m，有效站臺長度120 m。車站共設(shè)3處出入口(其中1號出入口預(yù)留)、2處風(fēng)亭、1處消防專用出入口。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，支護結(jié)構(gòu)采用樁錨及放坡支護。車站除3號出入口過街通道采用暗挖法施工外，其余部分均采用明挖法施工。保兒車站基礎(chǔ)埋深15.7 m～19.95 m，車站頂板覆土南深北淺，最深處3.26 m，最淺處0.48 m。

2 圍護結(jié)構(gòu)計算方法

1)極限平衡法。極限平衡分析法:巖土體會發(fā)生破壞，是因為滑塊里的滑動面發(fā)生了移動?；瑒用娴男螤钍且欢ǖ?它不僅僅可以是平面，也可以是圓弧面或者是對數(shù)螺旋面及不規(guī)則的曲面，同時滑動面服從破壞條件，通過考慮滑動面形成的隔離體的靜力平衡，能夠確定滑動發(fā)生的破壞荷載。極限平衡分析法的基本計算思路是:假設(shè)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為Fs，將邊坡材料的抗剪參數(shù)(主要是粘聚力和摩擦系數(shù))降低Fs倍后，邊坡體內(nèi)的某一最危險滑動面將會出現(xiàn)瀕臨失穩(wěn)的極限情況。最危險滑動面通常是指最容易發(fā)生滑動的面，通俗點講就是需要滑動力最小的面。意思就是，先假設(shè)安全系數(shù)值，再用邊坡的抗剪參數(shù)除以假設(shè)的安全系數(shù)值，判斷結(jié)果與極限平衡條件的結(jié)果滿足，則假設(shè)的安全系數(shù)值正確;反之需要重新進行假定計算。

2)瑞典條分法。瑞典圓弧滑動面條分法，是將假定滑動面以上的土體分成n個垂直土條，對作用于各土條上的力進行力和力矩平衡分析，求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù)。該法由于忽略土條之間的相互作用力的影響，因此是條分法中最簡單的一種方法。

3 穩(wěn)定性研究

現(xiàn)階段，有限元的思想已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工程中，解決了諸多實際工程問題，在基坑開挖中的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。

1)整體模型建立。建模時，本構(gòu)關(guān)系需要根據(jù)工程實際給定，必須要與工程實際相結(jié)合，然后給模型施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，從而建立模型(見圖1)。

圖1 基坑開挖模型示意圖

圖2 基坑開挖縱向位移圖

本論文選取青島地鐵3號線保兒車站深基坑開挖最大寬度為20 m，開挖最大深度為20 m。整個模型網(wǎng)格選取長為100 m，寬為10 m，高為50 m的區(qū)域建立FLAC計算模型，計算模型一共產(chǎn)生22 350個單元，22 681個節(jié)點。

2)模型的邊界條件。地鐵車站深基坑中的巖土體通常是可以在豎直方向上產(chǎn)生沉降變形的，因而模型表面為自由面，故對模型左右邊界上施加約束，禁止其在水平方向上的移動，同時固定其底部，防止整體性的下沉。

3)初始應(yīng)力。初始應(yīng)力是指在施加所考慮的荷載之前土體中已存在的應(yīng)力，具體到本工程來講就是在基坑開挖之前的應(yīng)力，利用FLAC3D模擬計算式，需要施加一定的邊界條件，盡可能真實、準(zhǔn)確的去模擬基坑開挖的實際過程，但是此處大多采用自重應(yīng)力場。巖土體在開挖之前是穩(wěn)定的，因而可以將初始的位移場設(shè)置為零，同時，如果初始應(yīng)力的設(shè)置不理想，結(jié)果的精確性將會大大降低。

4)深基坑開挖位移模擬分析。基坑開挖之后，巖土體原有的應(yīng)力狀態(tài)改變，應(yīng)力重新分布，由于上部荷載發(fā)生變化，將會導(dǎo)致基坑底部巖土體受力不均，因而基坑底部會發(fā)生一定的隆起，土體會隨之向上移動，直接導(dǎo)致基坑周邊巖土體的移動，同時，在土壓力的作用下，基坑會產(chǎn)生一定的水平位移(見圖2)。a.基坑土體的水平位移在開挖深度逐漸增加的情況下，會逐漸增加，最大土體位移出現(xiàn)在基坑中上部，基坑的開挖對巖土體的擾動較大。b.基坑在開挖過程中，同一點巖土體的水平位移通常是隨著開挖深度的不斷增加而增加的。c.在基坑的開挖過程中，豎向位移逐漸增加，底部出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，在中心處的隆起量是最大的，并且越靠近基坑，地表沉降量越大，十米之外已基本上變?yōu)榱?。d.進行基坑施工時，首先進行開挖，達(dá)到預(yù)計深度后再進行支護，噴射的混凝土達(dá)到一定強度之后，能夠與其相接觸的巖土體粘結(jié)，增加巖土體的自身強度。e.巖土體開挖之后，破壞了原來的應(yīng)力場，導(dǎo)致了應(yīng)力重分布，周邊土體緩慢向下移動。

圖3 基坑開挖最大應(yīng)力圖

5)深基坑開挖最大應(yīng)力模擬分析。由圖3可知，隨著深基坑的開挖，最大主應(yīng)力一般出現(xiàn)在基坑底部，同時，在基坑底部會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由基坑底部與支護邊墻的夾角決定的，相對來講，底部的夾角愈大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越不明顯。在基坑的開挖過程中，水平位移與開挖深度是成正比的，開挖至設(shè)計深度時位移達(dá)到最大值，為24 mm，同時，應(yīng)力也達(dá)到最大值?？v向位移在開挖至第三步的時候達(dá)到最大值為12 mm，并且在開挖最后一步的時候應(yīng)力場逐漸達(dá)到一個平衡狀態(tài)，因而縱向位移在逐漸減小，基坑慢慢趨于穩(wěn)定。

［1］ 王榮山.北京城鐵東直門車站深基坑開挖和支護技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

［2］ 隗建波.地鐵車站明挖基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［D］.西安：西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［3］ 陳硯祥.建筑承包商在施工過程中的風(fēng)險研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.