通過有限元法對嘉州路站基坑開挖支護施工安全性影響評估

佘金波劉 鐵

（1.重慶市交通規劃勘察設計院，重慶 400067 2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

引言：本評估主要是針對嘉州路站基坑開挖支護施工方案在實施前的作出一些有意義的風險預測和分析，以保證對機場交通輔道安全性影響在可以接受范圍之內。因此評估采用對施工過程的力學行為進行有限元模擬分析，評估的模型選取相對典型，受力不利車站東西側斷面7-7進行施工開挖模擬。通過對基坑開挖全過程仿真分析，以便對隧道的設計參數進行驗證，看能否滿足設計要求，同時看所選用的施工方法能否滿足施工中圍巖的穩定性。通過對基坑開挖的模擬分析不但為我們施工監控提供一定意義的參考，也為我們安全評估提供了有利的證據。

1工程概況[1-3]本評估主要是針對嘉州路站基坑開挖支護施工方案在實施前的作出一些有意義的風險預測和分析，以保證對機場交通輔道安全性影響在可以接受范圍之內。因此評估采用對施工過程的力學行為進行有限元模擬分析，評估的模型選取相對典型，受力不利車站東西側斷面7-7進行施工開挖模擬。重慶市軌道交通三號線嘉州路車站，原為新牌坊站，位于鄭家院子站與紅旗河溝站之間。為地下島式車站。由重慶交通設計研究院設計，基坑施工采用明挖法，車站呈南北向長軸展布。站臺中心里程K14+647.070，車站全長約177.4m，寬約20.3m，設計底標高（車站中心位置）270.931m，設計為四層建筑，從下向上依次為站臺下夾層、站臺層、站廳層。車站位于機場高速公路之下，公路高程289.5～290.3m。嘉州路車站設計在一層北面有2、3#出口，直接通往地面，南面設計有1#、4#地下通道直接通往地面。站廳層南端東面設計有通風道及風井，北端西面設計有通風道及風井直接通往地面。嘉州路車站頂（商業層頂）需回填約1m，恢復機場高速公路通行。基坑軸線位置見圖1.2，圖1.2中給出了基坑1～8號0橫斷面位置編號，其中7號斷面設計圖詳見圖1.3圖所示。

2計算模型

為模擬基坑開挖過程以及支護的受力情況，計算過程中采用有限元地層結構連續介質模型。在模擬土體時采plan42單元；支護結構采用beam3單元。邊界條件按位移約束設置，左右側面取UX約束，底面約束UY。計算時上部巖層按自重考慮做為面荷載施加于上表面。路面荷載按城市路面取用為20KN/m2[4]。其中基坑開挖斷面有限元模型如圖2.1。

其各土層力學計算參數如下表

圖2.1 基坑開挖斷面有限元模型

3.施工過程模擬：數值模擬分析運用了Ansys的"生"、"死"單元法來模擬開挖過程，其原理是當選擇殺死單元的剛度、傳導或其他分析特性矩陣乘以一個很小的因子，取該因子為1.0×10-26[6]。死單元的單元荷載將為0，從而不對荷載向量生效，同樣死單元的質量、阻尼等其他類似也設為0值。死單元的這些性質可以有效的模擬開挖掉的土體。所謂"生單元"，就是指沒被殺死的單元以及激活的死單元，激活后的單元將恢復原來的質量和剛度等矩陣值，可以有效的模擬開挖后施工的襯砌。具體計算分析過程如下：

1將有限元模型施加重力場，以模擬大地的初始應力狀態，并且添加邊界約束條件，進行初步計算；

表2 土體和支護變形及內力最大值

圖3.2 開挖第一部分土體后支護結構的內力

2利用 Ansys特有的"生"、"死"單元法，殺死要開挖的巖體，激活支護單元，施加節點力，進行計算。計算結果如下（由于篇幅圖沒有一一列出）：(1)開挖第一部分土體后的土體應力和變形，及支護結構的內力見表2所示。

(2)開挖第二部分土體后的土體應力和變形，及支護結構的內力見表3所示。

4.計算結果分析

1、邊坡變形分析：通過對開挖過程的模擬計算，得出基坑開挖動態變化過程。基坑開挖會引起圍巖及地表發生變形，對周圍環境會產生一定的影響。通過Ansys有限元計算模擬，表明本工程隧道開挖過程中，地表及圍巖變形較小，說明此隧道施工對周圍環境的影響比較小。下圖形表明基坑開挖進行,進行支護之后，周邊豎向變形達到6mm，水平位移達到6mm，基坑開挖對周圍巖體影響較小，邊坡整體可以處于穩定的狀態[7]。

表3 土體和支護變形及內力最大值

2、邊坡及支護應力分析：基坑開挖勢必引起地應力釋放，且開挖暴露時間越長，地應力釋放就越大，邊坡巖體的變形就越大，對邊坡穩定性不利。因此，基坑在施工過程中堅持及時支護的原則。

由以上基坑開挖引起的三個方向的應力云圖可得，由于基坑的開挖，使得巖體內局部出現了應力集中現象，局部應力較大。

3、從支護的內力變化來看，隨著施工的進行，土應力的釋放，其支護內力增加速度快。需在施工時不斷加強超前支護的剛度，以控制周圍圍巖變形過大，對周圍已有建筑物的影響減小到最低程度。經驗算，現有初期支護方案對周圍已有建筑物基礎巖體豎向變形為6mm，水平變形為6mm，均滿足規范要求。

結論與建議：施工過程中，若基坑施工現場巖土覆蓋層的巖土厚度及巖土性質等與原地質勘察報告的工程地質條件和水文地質條件相符，在所采用的綜合施工技術措施和設計，施工技術參數符合相關規范規定，并嚴格實施監控條件下，實施"動態設計，信息化施工"，并作好有效和到位的安全預案，提交的施工組織方案的技術措施能保證工程安全，是可行的。

建議：1）鑒于基坑設計是以工程類比為主，并通過現場施工過程的監控量測確認和修正，必要時輔以理論驗算。由此可見，基坑設計和施工是一個完整的動態過程。因此，建議監測量測工作應由有資質單位進行專門設計和實施。

2）水是影響邊坡巖土穩定性的關鍵因素之一。建議施工期間，施工單位應會同勘察單位進一步復核和查明水體的源頭，采取有效措施進行源頭疏導，地表截流和洞中排除以及注漿堵塞等方法。盡量避免水體流入或滲入影響基坑穩定性的土層中。

[1]中國中鐵隧道集團四處有限公司.重慶市軌道交通三號線一期工程嘉州路站基坑開挖支護施工組織設計[電子版本],2009.2.24.

[2]重慶市交通科研設計院，機械工業第三設計研究院.重慶市軌道交通三號線一期工程嘉州路站圍護結構設計圖[電子版本],2009.1.

[3]重慶市勘察設計院.重慶市軌道交通三號線新牌坊車站巖土工程勘察[電子版本],2007.7.

[4]JGJ120-99,建筑基坑支護技術規程[S].

[5]JTJ041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[6]李 圍.ANSYA土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[7]GB50330-2002,建筑邊坡工程技術規范[S].