有限元计算在深基坑施工中的应用

罗中来

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西太原030024)

1 工程概况

苏州火车站是一座集铁路、城市轨道、城市道路交通换乘功能于一体的现代化大型交通枢纽。总建筑面积85 717 m2，地上两层，地下三层，地下负一层以上为铁路站房，地下负二、三层为地铁车站。本工程场地位于太湖冲湖及泻湖相沉积平原区，地势平坦，海拔2～4 m，多湖群分布，河港沟塘纵横通连，系典型的水网化平原地区。区内地表水系极其发育，太湖水经河道源源不断给场区补给地表水，同时在地层不同深度还存在微承压水和承压水，而深基坑开挖深度超过15 m时，将会受承压水的影响。施工场地临近京沪铁路西侧。地铁3、4号出入口距离铁路运营线中心仅21m，基坑边坡距铁路运营线中心仅9 m，基坑开挖深度达15.26 m，保证铁路运营线安全是施工的重点和难点。

2 原设计方案分析

车站地铁3、4号出入口的设计长度和宽度均为56 m×19 m，设计采用四道钢支撑，开挖土方量37 048 m3，出入口南北两侧连续墙顶标高分别为－1.35 m、－3.30 m，自然地面标高约2.15 m，在南侧土方开挖时，考虑先降低3.5 m土层，在北侧连续墙外侧设置12.2 m宽反压土台及反力支墩的方案。该处地下结构还有桥梁3号承台、桥台，站房高架候车厅承台柱，上站台扶梯基坑等工程。

地铁3、4号出入口内部结构涉及土方开挖、内支撑架设、地下层桥梁3号承台、桥台，高架候车厅CE轴承台、柱，自动扶梯槽及出入口本身的结构施工。北侧预留的12.2 m宽的反压土台，位置会影响地下层桥梁的2号承台、桥台，站房高架候车厅的CF轴承台、柱及地铁站在反压土台范围内(800 m2)的结构施工。根据设计及规范要求，在3、4号出入口结构完成后，方可挖除反压土台范围内的土方，再进行该影响范围内的结构施工。且3、4号出入口连续墙(上部5.2 m)在站房负一层结构范围内，在负一层结构施工前需人工拆除。

针对以上各节点施工计划紧前排列，该区域施工要延迟3个月工期，不能实现工期总体要求。

3 方案优化

3.1 方案的初步优化和论证

经分析，该反压土台工序是制约工期的决定因素，而设计采用反压土台方案的目的是保证铁路运营线施工安全，因此，在确保铁路运营线安全的前提下，采取何种措施来取消反压土台，保证大基坑整体开挖深度，减少开挖重复，降低连续墙高度，取消墙体拆除工序，做到不同结构，同步施工，平行作业是优化的关键。

建立优化方案，进行优化分析。制定三种优化方案进行分析:方案1是1∶1放坡加土钉支护，如图1所示;方案2在方案1的基础上在坡顶加一排长18 m的水泥搅拌桩;方案3在方案1的基础上在坡顶加两排长18 m，直径850 mm，间距600 mm的搅拌桩。

图1 优化方案1(单位:mm)

3.2 有限元计算分析

为验证方案实施的可行性，针对原方案和拟采用方案建立的数值模型，利用有限元软件Plaxis进行有限元计算分析。根据地层情况(表1)，建立有限元模型，模型尺寸为长65 m，高42 m，在计算中，假设基坑开挖前采用坑内降水，地下水位降至最终开挖坑底处，坑外水位在水平方向呈线性分布。

表1 主要土层的物理力学指标

通过有限元分析计算得到四种方案的变形如图2～图5所示。基坑开挖到设计标高时，既有线路的最大竖向和水平变形以及连续墙的最大水平变形如表2所示。

表2 不同方案施工引起周围环境的变形对比

从表2中可以看出，与原设计方案相比，方案1、方案2距既有铁路最大竖向变形分别增加了有65%和48%，水平变形则分别增加了166%和129%，方案3的变形与原设计方案则比较接近，且连续墙的最大水平变形较其它两个方案也有较大减少。

图2 原设计方案变形图(单位:mm)

图3 优化方案1变形图(单位:mm)

图4 优化方案2变形图(单位:mm)

图5 优化方案3变形图(单位:mm)

3.3 考虑铁路营业线停车情况下的方案优化

经调查，L9线为停车线，行车速度较低，相对情况下对基坑边坡稳定影响较小。通过与有关部门协商，边坡支护只考虑线路停车情况下的影响因素，即在方案3的基础上，加两排长10 m，直径850 mm，间距600 mm的水泥搅拌桩达到边坡支护要求。

3.3.1 建立计算模型，进行有限元分析

利用有限元软件Plaxis对建议方案进行边坡稳定性验算。根据地层情况，建立有限元模型如图6～图7所示，考虑到基坑施工的边界效应，模型尺寸为长65 m，高42 m，列车荷载按换算土柱法进行计算，土柱宽3.3 m，高3.1 m，重度18 kN/m3。

图6 优化方案3模型图

图7 优化方案4模型图

3.3.2 计算结果分析

通过计算得到二种方案的边坡滑裂面如图8～图9所示。二种方案的边坡稳定安全系数分别为1.13和1.33，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002)规定:一级边坡的边坡稳定安全系数不应小于1.30。

图8 优化方案3

图9 优化方案4

经以上的比较分析，采用方案4进行基坑开挖施工，不仅可以保证基坑施工的安全要求，对铁路营业线安全的影响也非常小。同时考虑雨水对基础边坡的影响，水泥搅拌桩的入土深度进入④5层不少于1 m，坡面采用简易土钉加网片混凝土处理措施。

4 综合比较分析

根据设计方案与优化方案相比较，工程量的增减主要内容有:连续墙长度减短、取消了连续墙顶部的混凝土破除、减少坑内支撑一道、取消坑外支撑及反力支墩;增加了两排搅拌桩加固;土方开挖量、边坡支护及结构工程量基本没有变化。经综合统计节省费用181.3万元。

因反压土台工序的取消，可使基坑一层土体一次开挖到位，减少了二次开挖，保证了高架桥承台、墩台、候车厅承台、柱以及地铁站结构3、4号出入口结构同步施工，减少了工序间的相互制约和相互干扰。经综合分析节省工期73 d。

5 结语

采用有限元数值模拟，通过合理的假定和简化，可以充分考虑基坑工程的分步施工，充分考虑周边环境的影响，有助于深基坑支护工程的设计和施工;通过有限元分析辅助深基坑工程施工方案的确定，可以充分考虑多种因素的影响，最终确定在工期、费用等方面最为合理的方案进行施工，从而在安全性和经济性方面找到最为合理的平衡点。

通过对苏州站地铁3、4号出入口基础开挖方案的深入研究和优化，极大的加快了基坑开挖的施工速度，保证了边坡和临近铁路营业线安全，通过半年多的观察，基坑边坡沉降、位移累计变形小于20 mm，铁路线路、路基累计沉降未小于10 mm，各项指标均满足设计和规范要求，取得了较好效果。

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