兰州地铁土门墩车站基坑开挖支护有限元分析★

周 杰 任永忠

(1.甘肃弘昊建设集团有限公司，甘肃 兰州 730050； 2.兰州工业学院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

随着社会进步发展，城市建设也在如火如荼的推进，尤其是城市地铁，目前中国地铁修筑最长的城市为上海，总长约700 km，其次为北京，总长约600多千米。随着地铁的修筑及周围环境的复杂，地铁深基坑的支护及开挖等问题也逐渐被重视。王成汤等[1]提出了一种基于多态模糊贝叶斯网络的深基坑坍塌可能性评价方法，克服了不能考虑事件中间故障状态对系统的影响以及精确概率难以获取的问题。陈绍清等[2]以重庆市某地铁站深基坑开挖为例，进行了深基坑开挖风险评估，建立了深基坑坍塌事故导致人员伤亡的事故树模型。针对地铁深基坑关注较多的内容为基坑开挖与周边环境之间的相互作用[3-7]。蒙国往等[8]以南宁地铁某车站基坑为研究背景，在不同施工工况下对车站基坑进行有限元数值模拟，并结合实测数据进行对比。由于地铁深基坑为岩土工程和结构工程相交叉的应用工程，并且具有明显的地域性，为此本文以兰州地铁土门墩车站为研究对象，对其采用Midas进行数值分析。

1 工程概况

土门墩车站起点里程AK8+867.3，终点里程AK9+145.7，中心里程为AK9+059，全长278.4 m，基底埋深约16 m～17 m。结构形式为地下二层岛式，站内左右线为双绕线，采用明挖法施工。土门墩车站位于西津路上，西津路两侧建筑物较多，周边施工环境复杂，为保障临近地下工程和管线安全，不宜采用锚杆支护。要求对基坑采用钻孔灌注混凝土排桩+钢管内支撑支护，以保证降水和基坑施工安全。

土门墩车站基坑支护体系由两部分组成：围护桩和钢管内支撑体系。围护桩为钻孔灌注桩，桩径为0.8 m，桩间距1.5 m。钢管内支撑体系分对撑与斜撑，钢支撑外径为600 mm，壁厚为12 mm～16 mm。平面上钢支撑(对撑)间距为3 m，车站主体围护结构自上而下设置三道支撑。

2 地层岩性特征及工程地质物理力学参数

土门墩车站钻探深度内地层为：地表一般分布有人工填土；其下为第四系全新统的冲积粉土、冲积砂卵石土；第四系下更新统卵石。场地地层自上而下划分为5层，各层特征及描述如下：

根据地质勘查报告，按地层变化情况，将其概化为4层，具体参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

根据初始资料，对车站基坑的初始地应力进行简化，垂直地应力以自重应力为主。

3 模型建立

3.1 有限元模型的建立

采用MIDAS有限元软件进行地铁基坑支护模拟，取基坑开挖深度的2倍～5倍范围作为计算区域，从而使边界对基坑开挖支护的影响最大程度的降到最小。据此，建立的数值计算模型以基坑开挖深度的2.3倍作为侧向边界。根据概化后的地质模型，将数值模型分为4层厚度不同的岩土体。模型范围为X方向83 m，Y方向46 m，Z方向-34 m。

在实际建模中，土体采用实体单元，本构关系采Mohr-Coulomb屈服准则，横梁采用梁单元，支撑采用桁架单元，横梁支撑的材性设置成弹性，桩采用梁单元的实体，以线弹性来设置桩的材料，模型底部设置成固定边界，左、右面定义为滑移边界。由于基坑开挖支护前，已经进行了地下水的降水处理，因此本分析模型不考虑地下水的影响。具体的计算模型如图1所示。

3.2 开挖与支护施工过程的实现

分步开挖与支护过程的模拟如下：1)建立基坑开挖支护的几何模型，包括桩、内撑、梁和土体；2)设置相应的模型特性参数，对模型进行有限单元网格的划分并修改相应的单元参数；3)分别定义桩、内撑、梁和不同土体的网格组，并单独对开挖部分土体进行定义；4)对模型进行边界约束，约束分为普通约束和桩底约束，普通约束是将底部土体节点约束所有的自由度，两个侧面节点约束水平方向的自由度，桩底约束是约束桩体底部Z方向的转角；5)施加重力荷载，计算土体的初始应力状态；6)进行施工阶段的定义，在不同工况下激活或者钝化相应单元、边界条件和荷载；7)定义分析工况，并进行分析。模型开挖工况如表2所示。

表2 模型开挖工况

4 模拟结果及分析

4.1 土体沉降分析

随着基坑的分步开挖与支护，基坑周围土体在Z方向的位移也会发生相应的改变。以下图2～图5给出了相应的变化云图。

由图2～图5的变化可以看出，在基坑附近的土体Z方向位移比较大。坑底土体由于开挖卸荷等原因发生回弹，且回弹量随开挖深度的加深不断增加。图6为选取坑边顶部土体作为研究对象分析土体随开挖深度的加深Z方向位移的变化趋势。

4.2 支护桩模拟结果分析

图7，图8分别为开挖支护完成后桩的水平位移云图和弯矩云图。从图7中可以看出出现最大位移的桩体在基坑开挖角部附近，最大位移值出现在基坑开挖深度的1/2处，最大值为6.199 mm。从图8中可以看出桩身弯矩的最大值出现在横向支护桩桩深的1.5 m处，最大值为458.47 kNm，且桩身在开挖深度的2/3处附近出现弯矩为零的点。

取发生最大位移的桩为研究对象进行桩体水平位移的分析，如图9所示。从分析结果可以看出桩身位移呈现“弓”型变化趋势。取发生最大弯矩的桩体为研究对象进行桩体弯矩的分析，如图10所示。桩顶和桩底弯矩均为零，在内支撑作用处桩身弯矩迅速增加，后由于土压力的作用而逐渐减小。

4.3 内撑模拟结果分析

图11为开挖支护完成后内撑的轴力云图，从图11中可以看出在开挖截面发生变化处横向内撑出现受拉状态。这是由于拐角处的土体在桩、内撑和斜撑的共同作用下产生向坑外的位移，从而使内撑处于受拉状态。同时可以看出第二排内撑所受的轴向压力最大。

取第一排斜撑为研究对象进行轴力分析，如图12所示。从轴力变化曲线可以看出内撑的轴力在第二次开挖时迅速增大，之后随着第二道和第三道内撑的施加而逐渐减小。

5 结语

1)基坑开挖后，坑底土体由于开挖卸荷等原因发生回弹，且回弹量随开挖深度的加深不断增加，在该基坑工程中坑底的隆起量达87.1 mm，尽管土体本构模型采用的为Mohr-Coulomb，无法考虑土体的卸载模量，但基坑底面的隆起量不可忽视。

2)通过分析支护桩的位移和弯矩，可得桩体的最大位移发生在基坑开挖角部附近，最大位移值出现在基坑开挖深度的1/2处，最大值为6.199 mm；桩身弯矩的最大值出现在横向支护桩桩深的1.5 m处，最大值为458.47 kNm，且桩身在开挖深度的2/3处附近出现弯矩为零的点。

3)由于基坑拐角处的土体在桩、内撑和斜撑的共同作用下产生向坑外的位移，在开挖截面发生变化处横向内撑出现受拉状态。