基于有限元分析的地铁车站明挖深基坑边坡稳定性分析

王江荣，梁永平，赵振学

（1.兰州石化职业技术学院信息处理与控制工程学院，甘肃兰州740060；2.兰州石化职业技术学院土木工程学院，甘肃兰州740060）

0 引 言

兰州地铁奥体中心车站是兰州市城市轨道交通1号线一期工程土建Ⅰ标段2工区的正建工程，该车站位于西固区深安大桥西侧、1号线一期工程西南端头，如图1所示。该车站深基坑施工采用了明挖顺作法以及围护结构+内支撑基坑稳定性保障体系，并采取阶段性开挖和随挖随支护的方式施工。工程实践表明对基坑施工期和工后运营期的安全稳定性评估具有重要意义［1-2］，许多专家学者对此进行了深入研究，并取得了丰硕成果［3-7］。目前，对深基坑安全稳定性的评估主要有定性分析方法［8-9］、极限平衡法［10-12］、数值分析方法［13-15］等，而基于有限元数值分析法则得到了广泛应用。本文借鉴已有的研究方法，利用MIDAS/GTSNX有限元岩土分析软件建立奥体中心车站深基坑二维数值分析模型，按不同施工阶段计算基坑边坡安全稳定系数，并对基坑变形特征、围护桩内力、基坑土体应力等进行分析。分析得出的结论可供奥体中心站正建工程及其他类似工程参考。

图1 兰州市城市轨道交通1号线一期工程土建Ⅰ标段2工区总平面示意图

1 工程地质与水文气象条件

1.1 工程地质

工程所在地地貌特征为黄河高漫滩，其地形较平缓，地面高程约1529.3m。根据地质勘察报告，建设场地质时代为第四系下更新统冲积地层，场地地层自上而下划分为：杂填土（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层，各土层地质信息如表1所示，各土层物理力学指标参数如表2所示。

表1 奥体中心车站地层岩性特征

表2 建设场地地层物理力学参数

说明一点，要想获得符合实际的c、φ是很困难的，表2中土层参数是根据岩土工程勘察报告、室内岩石试验资料，并结合《岩石力学参数手册》及当地同类工程对比综合选定的。

1.2 水文气象条件

根据《兰州市轨道交通1号线一期工程（陈官营—东岗段）KC-2标段详细勘察阶段奥体中心站（主体工程）岩土工程勘察报告》，勘察期间，地下水位埋深4.37～5.51m，水位高程1523.486～1523.98m。由于兰州地区气候属于温带半干旱大陆性季风气候，降雨量稀少，年平均降水量仅为293.5mm，地下水类型属断陷盆地松散岩类孔隙潜水，主要赋存于卵石1和卵石2层中。地下水位呈西南向东北缓慢降低的趋势，水位变化规律与季节变化同步，在7月至9月水位增高明显。

2 工程概况

兰州地铁奥体中心站的中心里程为YCK 9+772.0，起始里程为YCK9+691.000，终止里程为YCK9+908.550，车站总长216.95m，标准段宽21.80m（加宽段22.4m），总高19.49m，结构底板埋深22.654m，采用明挖顺作法施工，车站结构为地下3层，有4个出入口，车站终点和起点各有一个风亭。车站勘察区内揭露地层从上到下依次为：杂填土、中砂、卵石1和卵石2。车站总平面图如图2所示。

图2 奥体中心站基坑平面图

2.1 周边环境

奥体中心站周边较为空旷，现状为农田、民房及少部分水塘，车站周边没有控制性构筑物及地下管线，场地内无市政道路，对交通无影响。

2.2 基坑围护结构及支撑体系

车站围护结构采用钻孔灌注桩＋钢支撑支护。围护桩为钻孔灌注桩，桩长19.445m，桩径800mm，插入基坑底板（基础）内2.645m；钢支撑外径为609mm，壁厚为12mm。沿围护结构深度方向采用3道钢支撑（从上到下分别记作第一道、第二道及第三道），且3道钢支撑间距离为第一道与第二道间距离设定成6.1m，第二道与第三道间距离设定成6m，第三道与基坑底距离为2.9m。

3 车站深基坑有限元模型建立

3.1 基本假设

a）假定在支护范围内土体是均匀、各向同性的弹塑性体，土体的应力应变满足莫尔-库伦模型；围护桩柱和钢支撑均为理想弹性体。

b）不考虑施工钻孔灌注桩时对土体应力和性状的影响。另外，在开挖前土体在自重状态下已固结。

c）不考虑施工对土体力学指标的影响，也不考虑土体中的渗流作用。

d）基坑地面荷载为均布压力荷载，荷载值为20kPa。

3.2 基坑开挖二维分析计算工况

根据基坑施工方案，基坑开挖总共分为以下4个施工阶段。

CS1：开挖至地表以下2.9m，并在地表以下1.8m处施工第一道钢支撑；

CS2：开挖至地表以下8.9m，并在地表以下7.9m处施工第二道钢支撑；

CS3：开挖至地表以下14.8m，并在地表以下13.9m处施工第三道钢支撑；

CS4：开挖至地表以下16.8m。

3.3 有限元分析模型概况

选取地铁车站基坑南北向剖面利用商用软件MIDASGTSNX进行二维建模分析，其中基坑宽度约22m，开挖深度16.8m。按基坑手册，基坑影响范围为挖深的3～4倍，故将模型水平尺寸设为200m，竖向土体取42m，所选尺寸远大于基坑手册推荐的模型尺度（有利于提高模型计算精度），结合实际层土厚度自上而下分别取6、2.7、7.3、26m。

本研究采用平面应变单元来模拟土体单元，边坡土体本构模型采用莫尔-库仑模型。钢支撑采用钢材，桩基采用混凝土材料，均采用二维梁单元进行模拟，结合3.2节表述所建二维分析模型及支护体系分别如图3、图4所示。本模型共包含节点2187个，包含单元4294个，平面应变单元以三角形单位为主。

图3 二维分析模型

图4 支护体系

3.4 边界条件与荷载

1）边界条件。

采用MIDASGTSNX中的自动约束功能，选择所有网格组然后点击约束。底部、侧面节点约束为平动自由度；顶部节点不做处理，使模型边界条件更接近实际情况。

2）荷载情况。

荷载主要有：

①考虑自重作用，其中自重荷载系数取值为1.0，重力加速度取值为9.8m·s-2；

②考虑地面其他附加荷载，取值为20kPa；

③钢支撑的预加力为350kN。

4 计算结果与分析

4.1 基坑开挖阶段稳定系数计算

采用刚度折减法（SRM）［16］求解各个开挖施工阶段基坑的边坡稳定系数，计算结果如图5所示（仅给出工况CS4的计算云图）。各个工况的基坑边坡稳定系数如表3所示。

图5 CS4 基坑边坡稳定系数

从表3可看出，随着开挖深度的增加（有支护的情形），基坑边坡稳定系数呈下降趋势，但基坑仍在安全范围内（最小稳定系数为1.3），说明支护措施成效显著，但还需改进支护设计，或增加其他（如锚杆、土钉墙等）支护措施，提升稳定性系数，增强基坑安全性。

表3 基坑边坡稳定系数

4.2 基坑变形分析

4.2.1 基坑水平变形

基坑水平变形云图如图6所示（仅给出工况CS4的情形），基坑在各个施工阶段的水平位移沿着基坑深度方向的变形趋势如图7所示。从水平变形趋势可以看出，基坑边土体的水平位移随着基坑开挖深度的增加而增大，但是由于支护结构的存在，水平位移的最大增幅（变化率）仅3mm左右，支护后的最大水平位移为13.8253mm，最小水平位移为 -14.1362mm，反映了这种变化符合工程规范。

图6 CS4 基坑水平变形云图

图7 各个工况的基坑水平位移图

4.2.2 基坑沉降变形

基坑开挖过程中的竖向变形云图如图8所示（仅给出工况CS4的情形），图中正负号表示方向，正号表示基坑隆起，负号表示土体沉降，变形值汇总如表4所示。数据表明随着基坑开挖深度的增加，基坑边土体的竖向沉降变形变化较为缓慢（不同施工段基坑边土体沉降量相近，变化幅度很小），而坑底的隆起变化不均匀，起伏较大（最大隆起值12mm，最小隆起值4.3mm）。

图8 CS4 基坑竖向变形

表4 基坑竖向变形

由于基坑开挖所引起的地表沉降会对周边建筑物的安全稳定产生影响，因此非常需要采取相关措施，以防止出现过大沉降或不均匀沉降对周边重要建筑物造成破坏。

4.2.3 桩基水平变形

桩基的水平变形云图如图9（a）所示（仅给出工况CS4的情形）。桩基水平最大位移的趋势图如图9（b）所示。从图9（b）中可以看出桩基水平位移在不同开挖工况条件下变化较小，这说明基坑支护起到了积极作用，较大抑制了土体及围护桩向基坑内的移动，保障了基坑的稳定；也使得土体、围护结构和内支撑体系达到受力平衡力。

在完成基坑整个开挖支护后，围护柱体的最大水平向位移是14.1039mm，符合规范要求。

4.2.4 土体应力分析

基坑土体的破坏主要是剪切破坏，因此考察基坑开挖过程中土体应力变化情况最直接的方法是考察基坑土体在开挖过程中的最大土体剪切应力，剪切应力云图如图10所示（仅给出工况CS4的情形）。

图9 桩基水平变形云图及趋势

图10 CS4 剪切应力

从4种工况的土体最大剪切应力云图右侧数值可以看出，基坑周边土体最大剪切应力随着开挖深度的增加有变大趋势，但由于围护结构的存在，剪切应力在控制范围内（数量级为10-3MPa），土体没有发生较大变形，也说明基坑是稳定的。

5 结论与建议

利用有限元软件MIDASGTSNX建立了兰州地铁奥体中心站的二维深基坑数值模型，按不同施工阶段计算了基坑边坡稳定性系数、基坑水平变形、坑底隆起、坑边沉降、围护桩内力水平变形等值，得出以下结论：

1）由于采用了围护桩结构+内支撑体系，基坑边坡在开挖过程中是安全稳定的。但随着开挖深度的不断增加，基坑边坡安全稳定系数不断减小（最小安全系数为1.3），为了车站深基坑长期的稳定性，还应采取其他支护措施，如增加锚杆+土钉墙等防护措施等。

2）在基坑开挖即土体卸载过程中，基坑坑底发生了隆起，基坑隆起随着开挖深度的增加呈现出变化不均匀，起伏较大的特点。坑底最大隆起值达到12mm，最小隆起值4.3mm，对照相关规范DB62/T25－3001－2000《建筑基坑工程技术规程》，该隆起值符合规范要求。

3）在整个基坑开挖过程中，边坡土体向坑内方向发生了水平变形，最大水平位移为13.8253mm，最小水平位移为-14.1362mm；而竖直方向位移较均匀，介于2.65mm至2.98mm之间，两种方向变形均符合规范要求。另外，由于基坑开挖引起地表沉降其影响范围较大，要防止因出现过大沉降或不均匀沉降而造成周边建筑物的破坏。

4）围护桩基水平位移在不同开挖工况条件下变化较小，在内支撑条件下，围护柱体的最大水平向位移是14.1039mm，符合规范要求。这说明基坑支护起到了积极作用，较大抑制了土体及围护桩向基坑内的移动，保障了基坑的稳定。

5）通过对基坑土体最大剪切应力的考察，得出结论：由于有围护结构的支撑，基坑周边土体变形较小，基坑周边土体的剪切应力在可控范围内。

总之，兰州地铁奥体中心站施工设计方案是可行的，按原设计方案进行开挖施工，能够保证地铁基坑的安全性和稳定性。需要指出，由于车站是三维实体，故用二维数值模型模拟分析车站深基坑稳定性会存在一定的缺陷；另外，未考虑降水及黄河渗流对基坑变形的影响，在今后的研究中，应考虑应力-渗流的耦合问题。