蘭州地鐵土門墩車站基坑開挖支護有限元分析★

周 杰 任永忠

(1.甘肅弘昊建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州工業(yè)學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著社會進步發(fā)展，城市建設(shè)也在如火如荼的推進，尤其是城市地鐵，目前中國地鐵修筑最長的城市為上海，總長約700 km，其次為北京，總長約600多千米。隨著地鐵的修筑及周圍環(huán)境的復雜，地鐵深基坑的支護及開挖等問題也逐漸被重視。王成湯等[1]提出了一種基于多態(tài)模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的深基坑坍塌可能性評價方法，克服了不能考慮事件中間故障狀態(tài)對系統(tǒng)的影響以及精確概率難以獲取的問題。陳紹清等[2]以重慶市某地鐵站深基坑開挖為例，進行了深基坑開挖風險評估，建立了深基坑坍塌事故導致人員傷亡的事故樹模型。針對地鐵深基坑關(guān)注較多的內(nèi)容為基坑開挖與周邊環(huán)境之間的相互作用[3-7]。蒙國往等[8]以南寧地鐵某車站基坑為研究背景，在不同施工工況下對車站基坑進行有限元數(shù)值模擬，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)進行對比。由于地鐵深基坑為巖土工程和結(jié)構(gòu)工程相交叉的應用工程，并且具有明顯的地域性，為此本文以蘭州地鐵土門墩車站為研究對象，對其采用Midas進行數(shù)值分析。

1 工程概況

土門墩車站起點里程AK8+867.3，終點里程AK9+145.7，中心里程為AK9+059，全長278.4 m，基底埋深約16 m～17 m。結(jié)構(gòu)形式為地下二層島式，站內(nèi)左右線為雙繞線，采用明挖法施工。土門墩車站位于西津路上，西津路兩側(cè)建筑物較多，周邊施工環(huán)境復雜，為保障臨近地下工程和管線安全，不宜采用錨桿支護。要求對基坑采用鉆孔灌注混凝土排樁+鋼管內(nèi)支撐支護，以保證降水和基坑施工安全。

土門墩車站基坑支護體系由兩部分組成：圍護樁和鋼管內(nèi)支撐體系。圍護樁為鉆孔灌注樁，樁徑為0.8 m，樁間距1.5 m。鋼管內(nèi)支撐體系分對撐與斜撐，鋼支撐外徑為600 mm，壁厚為12 mm～16 mm。平面上鋼支撐(對撐)間距為3 m，車站主體圍護結(jié)構(gòu)自上而下設(shè)置三道支撐。

2 地層巖性特征及工程地質(zhì)物理力學參數(shù)

土門墩車站鉆探深度內(nèi)地層為：地表一般分布有人工填土；其下為第四系全新統(tǒng)的沖積粉土、沖積砂卵石土；第四系下更新統(tǒng)卵石。場地地層自上而下劃分為5層，各層特征及描述如下：

根據(jù)地質(zhì)勘查報告，按地層變化情況，將其概化為4層，具體參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

根據(jù)初始資料，對車站基坑的初始地應力進行簡化，垂直地應力以自重應力為主。

3 模型建立

3.1 有限元模型的建立

采用MIDAS有限元軟件進行地鐵基坑支護模擬，取基坑開挖深度的2倍～5倍范圍作為計算區(qū)域，從而使邊界對基坑開挖支護的影響最大程度的降到最小。據(jù)此，建立的數(shù)值計算模型以基坑開挖深度的2.3倍作為側(cè)向邊界。根據(jù)概化后的地質(zhì)模型，將數(shù)值模型分為4層厚度不同的巖土體。模型范圍為X方向83 m，Y方向46 m，Z方向-34 m。

在實際建模中，土體采用實體單元，本構(gòu)關(guān)系采Mohr-Coulomb屈服準則，橫梁采用梁單元，支撐采用桁架單元，橫梁支撐的材性設(shè)置成彈性，樁采用梁單元的實體，以線彈性來設(shè)置樁的材料，模型底部設(shè)置成固定邊界，左、右面定義為滑移邊界。由于基坑開挖支護前，已經(jīng)進行了地下水的降水處理，因此本分析模型不考慮地下水的影響。具體的計算模型如圖1所示。

3.2 開挖與支護施工過程的實現(xiàn)

分步開挖與支護過程的模擬如下：1)建立基坑開挖支護的幾何模型，包括樁、內(nèi)撐、梁和土體；2)設(shè)置相應的模型特性參數(shù)，對模型進行有限單元網(wǎng)格的劃分并修改相應的單元參數(shù)；3)分別定義樁、內(nèi)撐、梁和不同土體的網(wǎng)格組，并單獨對開挖部分土體進行定義；4)對模型進行邊界約束，約束分為普通約束和樁底約束，普通約束是將底部土體節(jié)點約束所有的自由度，兩個側(cè)面節(jié)點約束水平方向的自由度，樁底約束是約束樁體底部Z方向的轉(zhuǎn)角；5)施加重力荷載，計算土體的初始應力狀態(tài)；6)進行施工階段的定義，在不同工況下激活或者鈍化相應單元、邊界條件和荷載；7)定義分析工況，并進行分析。模型開挖工況如表2所示。

表2 模型開挖工況

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 土體沉降分析

隨著基坑的分步開挖與支護，基坑周圍土體在Z方向的位移也會發(fā)生相應的改變。以下圖2～圖5給出了相應的變化云圖。

由圖2～圖5的變化可以看出，在基坑附近的土體Z方向位移比較大。坑底土體由于開挖卸荷等原因發(fā)生回彈，且回彈量隨開挖深度的加深不斷增加。圖6為選取坑邊頂部土體作為研究對象分析土體隨開挖深度的加深Z方向位移的變化趨勢。

4.2 支護樁模擬結(jié)果分析

圖7，圖8分別為開挖支護完成后樁的水平位移云圖和彎矩云圖。從圖7中可以看出出現(xiàn)最大位移的樁體在基坑開挖角部附近，最大位移值出現(xiàn)在基坑開挖深度的1/2處，最大值為6.199 mm。從圖8中可以看出樁身彎矩的最大值出現(xiàn)在橫向支護樁樁深的1.5 m處，最大值為458.47 kNm，且樁身在開挖深度的2/3處附近出現(xiàn)彎矩為零的點。

取發(fā)生最大位移的樁為研究對象進行樁體水平位移的分析，如圖9所示。從分析結(jié)果可以看出樁身位移呈現(xiàn)“弓”型變化趨勢。取發(fā)生最大彎矩的樁體為研究對象進行樁體彎矩的分析，如圖10所示。樁頂和樁底彎矩均為零，在內(nèi)支撐作用處樁身彎矩迅速增加，后由于土壓力的作用而逐漸減小。

4.3 內(nèi)撐模擬結(jié)果分析

圖11為開挖支護完成后內(nèi)撐的軸力云圖，從圖11中可以看出在開挖截面發(fā)生變化處橫向內(nèi)撐出現(xiàn)受拉狀態(tài)。這是由于拐角處的土體在樁、內(nèi)撐和斜撐的共同作用下產(chǎn)生向坑外的位移，從而使內(nèi)撐處于受拉狀態(tài)。同時可以看出第二排內(nèi)撐所受的軸向壓力最大。

取第一排斜撐為研究對象進行軸力分析，如圖12所示。從軸力變化曲線可以看出內(nèi)撐的軸力在第二次開挖時迅速增大，之后隨著第二道和第三道內(nèi)撐的施加而逐漸減小。

5 結(jié)語

1)基坑開挖后，坑底土體由于開挖卸荷等原因發(fā)生回彈，且回彈量隨開挖深度的加深不斷增加，在該基坑工程中坑底的隆起量達87.1 mm，盡管土體本構(gòu)模型采用的為Mohr-Coulomb，無法考慮土體的卸載模量，但基坑底面的隆起量不可忽視。

2)通過分析支護樁的位移和彎矩，可得樁體的最大位移發(fā)生在基坑開挖角部附近，最大位移值出現(xiàn)在基坑開挖深度的1/2處，最大值為6.199 mm；樁身彎矩的最大值出現(xiàn)在橫向支護樁樁深的1.5 m處，最大值為458.47 kNm，且樁身在開挖深度的2/3處附近出現(xiàn)彎矩為零的點。

3)由于基坑拐角處的土體在樁、內(nèi)撐和斜撐的共同作用下產(chǎn)生向坑外的位移，在開挖截面發(fā)生變化處橫向內(nèi)撐出現(xiàn)受拉狀態(tài)。