通过有限元法对嘉州路站基坑开挖支护施工安全性影响评估

佘金波刘 铁

（1.重庆市交通规划勘察设计院，重庆 400067 2.西南大学 工程技术学院，重庆 400715)

引言：本评估主要是针对嘉州路站基坑开挖支护施工方案在实施前的作出一些有意义的风险预测和分析，以保证对机场交通辅道安全性影响在可以接受范围之内。因此评估采用对施工过程的力学行为进行有限元模拟分析，评估的模型选取相对典型，受力不利车站东西侧断面7-7进行施工开挖模拟。通过对基坑开挖全过程仿真分析，以便对隧道的设计参数进行验证，看能否满足设计要求，同时看所选用的施工方法能否满足施工中围岩的稳定性。通过对基坑开挖的模拟分析不但为我们施工监控提供一定意义的参考，也为我们安全评估提供了有利的证据。

1工程概况[1-3]本评估主要是针对嘉州路站基坑开挖支护施工方案在实施前的作出一些有意义的风险预测和分析，以保证对机场交通辅道安全性影响在可以接受范围之内。因此评估采用对施工过程的力学行为进行有限元模拟分析，评估的模型选取相对典型，受力不利车站东西侧断面7-7进行施工开挖模拟。重庆市轨道交通三号线嘉州路车站，原为新牌坊站，位于郑家院子站与红旗河沟站之间。为地下岛式车站。由重庆交通设计研究院设计，基坑施工采用明挖法，车站呈南北向长轴展布。站台中心里程K14+647.070，车站全长约177.4m，宽约20.3m，设计底标高（车站中心位置）270.931m，设计为四层建筑，从下向上依次为站台下夹层、站台层、站厅层。车站位于机场高速公路之下，公路高程289.5～290.3m。嘉州路车站设计在一层北面有2、3#出口，直接通往地面，南面设计有1#、4#地下通道直接通往地面。站厅层南端东面设计有通风道及风井，北端西面设计有通风道及风井直接通往地面。嘉州路车站顶（商业层顶）需回填约1m，恢复机场高速公路通行。基坑轴线位置见图1.2，图1.2中给出了基坑1～8号0横断面位置编号，其中7号断面设计图详见图1.3图所示。

2计算模型

为模拟基坑开挖过程以及支护的受力情况，计算过程中采用有限元地层结构连续介质模型。在模拟土体时采plan42单元；支护结构采用beam3单元。边界条件按位移约束设置，左右侧面取UX约束，底面约束UY。计算时上部岩层按自重考虑做为面荷载施加于上表面。路面荷载按城市路面取用为20KN/m2[4]。其中基坑开挖断面有限元模型如图2.1。

其各土层力学计算参数如下表

图2.1 基坑开挖断面有限元模型

3.施工过程模拟：数值模拟分析运用了Ansys的"生"、"死"单元法来模拟开挖过程，其原理是当选择杀死单元的刚度、传导或其他分析特性矩阵乘以一个很小的因子，取该因子为1.0×10-26[6]。死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效，同样死单元的质量、阻尼等其他类似也设为0值。死单元的这些性质可以有效的模拟开挖掉的土体。所谓"生单元"，就是指没被杀死的单元以及激活的死单元，激活后的单元将恢复原来的质量和刚度等矩阵值，可以有效的模拟开挖后施工的衬砌。具体计算分析过程如下：

1将有限元模型施加重力场，以模拟大地的初始应力状态，并且添加边界约束条件，进行初步计算；

表2 土体和支护变形及内力最大值

图3.2 开挖第一部分土体后支护结构的内力

2利用 Ansys特有的"生"、"死"单元法，杀死要开挖的岩体，激活支护单元，施加节点力，进行计算。计算结果如下（由于篇幅图没有一一列出）：(1)开挖第一部分土体后的土体应力和变形，及支护结构的内力见表2所示。

(2)开挖第二部分土体后的土体应力和变形，及支护结构的内力见表3所示。

4.计算结果分析

1、边坡变形分析：通过对开挖过程的模拟计算，得出基坑开挖动态变化过程。基坑开挖会引起围岩及地表发生变形，对周围环境会产生一定的影响。通过Ansys有限元计算模拟，表明本工程隧道开挖过程中，地表及围岩变形较小，说明此隧道施工对周围环境的影响比较小。下图形表明基坑开挖进行,进行支护之后，周边竖向变形达到6mm，水平位移达到6mm，基坑开挖对周围岩体影响较小，边坡整体可以处于稳定的状态[7]。

表3 土体和支护变形及内力最大值

2、边坡及支护应力分析：基坑开挖势必引起地应力释放，且开挖暴露时间越长，地应力释放就越大，边坡岩体的变形就越大，对边坡稳定性不利。因此，基坑在施工过程中坚持及时支护的原则。

由以上基坑开挖引起的三个方向的应力云图可得，由于基坑的开挖，使得岩体内局部出现了应力集中现象，局部应力较大。

3、从支护的内力变化来看，随着施工的进行，土应力的释放，其支护内力增加速度快。需在施工时不断加强超前支护的刚度，以控制周围围岩变形过大，对周围已有建筑物的影响减小到最低程度。经验算，现有初期支护方案对周围已有建筑物基础岩体竖向变形为6mm，水平变形为6mm，均满足规范要求。

结论与建议：施工过程中，若基坑施工现场岩土覆盖层的岩土厚度及岩土性质等与原地质勘察报告的工程地质条件和水文地质条件相符，在所采用的综合施工技术措施和设计，施工技术参数符合相关规范规定，并严格实施监控条件下，实施"动态设计，信息化施工"，并作好有效和到位的安全预案，提交的施工组织方案的技术措施能保证工程安全，是可行的。

建议：1）鉴于基坑设计是以工程类比为主，并通过现场施工过程的监控量测确认和修正，必要时辅以理论验算。由此可见，基坑设计和施工是一个完整的动态过程。因此，建议监测量测工作应由有资质单位进行专门设计和实施。

2）水是影响边坡岩土稳定性的关键因素之一。建议施工期间，施工单位应会同勘察单位进一步复核和查明水体的源头，采取有效措施进行源头疏导，地表截流和洞中排除以及注浆堵塞等方法。尽量避免水体流入或渗入影响基坑稳定性的土层中。

[1]中国中铁隧道集团四处有限公司.重庆市轨道交通三号线一期工程嘉州路站基坑开挖支护施工组织设计[电子版本],2009.2.24.

[2]重庆市交通科研设计院，机械工业第三设计研究院.重庆市轨道交通三号线一期工程嘉州路站围护结构设计图[电子版本],2009.1.

[3]重庆市勘察设计院.重庆市轨道交通三号线新牌坊车站岩土工程勘察[电子版本],2007.7.

[4]JGJ120-99,建筑基坑支护技术规程[S].

[5]JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[6]李 围.ANSYA土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[7]GB50330-2002,建筑边坡工程技术规范[S].