青岛地铁保儿站深基坑稳定性研究

纪文武

(北京城建设计研究总院，北京 100000)

0 引言

19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层、超高层建筑的世纪，而已经到来的21世纪却是地下空间的世纪。到目前为止，世界各大中型城市正在进行各种用途的地下空间的建设，并且其数量和规模也在不断的扩大，譬如各种地下商场、地下停车场、地下铁路甚至是地下公路等等，由于明挖法的造价相对较低，故越来越多的使用于工程实际，因此在各大城市出现了大量的深基坑。

1 工程概况

保儿站位于黑龙江路和长沙路交叉路口西北侧，沿黑龙江路南北方向设置。临近长沙路建材市场，位于长沙路建材市场停车场地下，周围无高大建筑。保儿站起点里程为K14+354.446，终点里程为K14+592.846，车站总长度为238.4 m，板覆土南深北浅，最深处3.26 m，最浅处0.48 m。有效站台宽度9 m，有效站台长度120 m。车站共设3处出入口(其中1号出入口预留)、2处风亭、1处消防专用出入口。车站主体结构采用明挖法施工，支护结构采用桩锚及放坡支护。车站除3号出入口过街通道采用暗挖法施工外，其余部分均采用明挖法施工。保儿车站基础埋深15.7 m～19.95 m，车站顶板覆土南深北浅，最深处3.26 m，最浅处0.48 m。

2 围护结构计算方法

1)极限平衡法。极限平衡分析法:岩土体会发生破坏，是因为滑块里的滑动面发生了移动。滑动面的形状是一定的:它不仅仅可以是平面，也可以是圆弧面或者是对数螺旋面及不规则的曲面，同时滑动面服从破坏条件，通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡，能够确定滑动发生的破坏荷载。极限平衡分析法的基本计算思路是:假设边坡的稳定安全系数为Fs，将边坡材料的抗剪参数(主要是粘聚力和摩擦系数)降低Fs倍后，边坡体内的某一最危险滑动面将会出现濒临失稳的极限情况。最危险滑动面通常是指最容易发生滑动的面，通俗点讲就是需要滑动力最小的面。意思就是，先假设安全系数值，再用边坡的抗剪参数除以假设的安全系数值，判断结果与极限平衡条件的结果满足，则假设的安全系数值正确;反之需要重新进行假定计算。

2)瑞典条分法。瑞典圆弧滑动面条分法，是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，因此是条分法中最简单的一种方法。

3 稳定性研究

现阶段，有限元的思想已经广泛应用到工程中，解决了诸多实际工程问题，在基坑开挖中的应用也相当广泛。

1)整体模型建立。建模时，本构关系需要根据工程实际给定，必须要与工程实际相结合，然后给模型施加适当的边界条件，从而建立模型(见图1)。

图1 基坑开挖模型示意图

图2 基坑开挖纵向位移图

本论文选取青岛地铁3号线保儿车站深基坑开挖最大宽度为20 m，开挖最大深度为20 m。整个模型网格选取长为100 m，宽为10 m，高为50 m的区域建立FLAC计算模型，计算模型一共产生22 350个单元，22 681个节点。

2)模型的边界条件。地铁车站深基坑中的岩土体通常是可以在竖直方向上产生沉降变形的，因而模型表面为自由面，故对模型左右边界上施加约束，禁止其在水平方向上的移动，同时固定其底部，防止整体性的下沉。

3)初始应力。初始应力是指在施加所考虑的荷载之前土体中已存在的应力，具体到本工程来讲就是在基坑开挖之前的应力，利用FLAC3D模拟计算式，需要施加一定的边界条件，尽可能真实、准确的去模拟基坑开挖的实际过程，但是此处大多采用自重应力场。岩土体在开挖之前是稳定的，因而可以将初始的位移场设置为零，同时，如果初始应力的设置不理想，结果的精确性将会大大降低。

4)深基坑开挖位移模拟分析。基坑开挖之后，岩土体原有的应力状态改变，应力重新分布，由于上部荷载发生变化，将会导致基坑底部岩土体受力不均，因而基坑底部会发生一定的隆起，土体会随之向上移动，直接导致基坑周边岩土体的移动，同时，在土压力的作用下，基坑会产生一定的水平位移(见图2)。a.基坑土体的水平位移在开挖深度逐渐增加的情况下，会逐渐增加，最大土体位移出现在基坑中上部，基坑的开挖对岩土体的扰动较大。b.基坑在开挖过程中，同一点岩土体的水平位移通常是随着开挖深度的不断增加而增加的。c.在基坑的开挖过程中，竖向位移逐渐增加，底部出现了隆起现象，在中心处的隆起量是最大的，并且越靠近基坑，地表沉降量越大，十米之外已基本上变为零。d.进行基坑施工时，首先进行开挖，达到预计深度后再进行支护，喷射的混凝土达到一定强度之后，能够与其相接触的岩土体粘结，增加岩土体的自身强度。e.岩土体开挖之后，破坏了原来的应力场，导致了应力重分布，周边土体缓慢向下移动。

图3 基坑开挖最大应力图

5)深基坑开挖最大应力模拟分析。由图3可知，随着深基坑的开挖，最大主应力一般出现在基坑底部，同时，在基坑底部会出现应力集中现象，这是由基坑底部与支护边墙的夹角决定的，相对来讲，底部的夹角愈大，应力集中现象越不明显。在基坑的开挖过程中，水平位移与开挖深度是成正比的，开挖至设计深度时位移达到最大值，为24 mm，同时，应力也达到最大值。纵向位移在开挖至第三步的时候达到最大值为12 mm，并且在开挖最后一步的时候应力场逐渐达到一个平衡状态，因而纵向位移在逐渐减小，基坑慢慢趋于稳定。

［1］ 王荣山.北京城铁东直门车站深基坑开挖和支护技术研究［D］.天津：天津大学硕士学位论文，2005.

［2］ 隗建波.地铁车站明挖基坑围护结构稳定性研究［D］.西安：西安交通大学硕士学位论文，2010.

［3］ 陈砚祥.建筑承包商在施工过程中的风险研究［D］.郑州：郑州大学硕士学位论文，2010.