青島地鐵保兒站深基坑穩定性研究

紀文武

(北京城建設計研究總院，北京 100000)

0 引言

19世紀是橋梁的世紀，20世紀是高層、超高層建筑的世紀，而已經到來的21世紀卻是地下空間的世紀。到目前為止，世界各大中型城市正在進行各種用途的地下空間的建設，并且其數量和規模也在不斷的擴大，譬如各種地下商場、地下停車場、地下鐵路甚至是地下公路等等，由于明挖法的造價相對較低，故越來越多的使用于工程實際，因此在各大城市出現了大量的深基坑。

1 工程概況

保兒站位于黑龍江路和長沙路交叉路口西北側，沿黑龍江路南北方向設置。臨近長沙路建材市場，位于長沙路建材市場停車場地下，周圍無高大建筑。保兒站起點里程為K14+354.446，終點里程為K14+592.846，車站總長度為238.4 m，板覆土南深北淺，最深處3.26 m，最淺處0.48 m。有效站臺寬度9 m，有效站臺長度120 m。車站共設3處出入口(其中1號出入口預留)、2處風亭、1處消防專用出入口。車站主體結構采用明挖法施工，支護結構采用樁錨及放坡支護。車站除3號出入口過街通道采用暗挖法施工外，其余部分均采用明挖法施工。保兒車站基礎埋深15.7 m～19.95 m，車站頂板覆土南深北淺，最深處3.26 m，最淺處0.48 m。

2 圍護結構計算方法

1)極限平衡法。極限平衡分析法:巖土體會發生破壞，是因為滑塊里的滑動面發生了移動。滑動面的形狀是一定的:它不僅僅可以是平面，也可以是圓弧面或者是對數螺旋面及不規則的曲面，同時滑動面服從破壞條件，通過考慮滑動面形成的隔離體的靜力平衡，能夠確定滑動發生的破壞荷載。極限平衡分析法的基本計算思路是:假設邊坡的穩定安全系數為Fs，將邊坡材料的抗剪參數(主要是粘聚力和摩擦系數)降低Fs倍后，邊坡體內的某一最危險滑動面將會出現瀕臨失穩的極限情況。最危險滑動面通常是指最容易發生滑動的面，通俗點講就是需要滑動力最小的面。意思就是，先假設安全系數值，再用邊坡的抗剪參數除以假設的安全系數值，判斷結果與極限平衡條件的結果滿足，則假設的安全系數值正確;反之需要重新進行假定計算。

2)瑞典條分法。瑞典圓弧滑動面條分法，是將假定滑動面以上的土體分成n個垂直土條，對作用于各土條上的力進行力和力矩平衡分析，求出在極限平衡狀態下土體穩定的安全系數。該法由于忽略土條之間的相互作用力的影響，因此是條分法中最簡單的一種方法。

3 穩定性研究

現階段，有限元的思想已經廣泛應用到工程中，解決了諸多實際工程問題，在基坑開挖中的應用也相當廣泛。

1)整體模型建立。建模時，本構關系需要根據工程實際給定，必須要與工程實際相結合，然后給模型施加適當的邊界條件，從而建立模型(見圖1)。

圖1 基坑開挖模型示意圖

圖2 基坑開挖縱向位移圖

本論文選取青島地鐵3號線保兒車站深基坑開挖最大寬度為20 m，開挖最大深度為20 m。整個模型網格選取長為100 m，寬為10 m，高為50 m的區域建立FLAC計算模型，計算模型一共產生22 350個單元，22 681個節點。

2)模型的邊界條件。地鐵車站深基坑中的巖土體通常是可以在豎直方向上產生沉降變形的，因而模型表面為自由面，故對模型左右邊界上施加約束，禁止其在水平方向上的移動，同時固定其底部，防止整體性的下沉。

3)初始應力。初始應力是指在施加所考慮的荷載之前土體中已存在的應力，具體到本工程來講就是在基坑開挖之前的應力，利用FLAC3D模擬計算式，需要施加一定的邊界條件，盡可能真實、準確的去模擬基坑開挖的實際過程，但是此處大多采用自重應力場。巖土體在開挖之前是穩定的，因而可以將初始的位移場設置為零，同時，如果初始應力的設置不理想，結果的精確性將會大大降低。

4)深基坑開挖位移模擬分析。基坑開挖之后，巖土體原有的應力狀態改變，應力重新分布，由于上部荷載發生變化，將會導致基坑底部巖土體受力不均，因而基坑底部會發生一定的隆起，土體會隨之向上移動，直接導致基坑周邊巖土體的移動，同時，在土壓力的作用下，基坑會產生一定的水平位移(見圖2)。a.基坑土體的水平位移在開挖深度逐漸增加的情況下，會逐漸增加，最大土體位移出現在基坑中上部，基坑的開挖對巖土體的擾動較大。b.基坑在開挖過程中，同一點巖土體的水平位移通常是隨著開挖深度的不斷增加而增加的。c.在基坑的開挖過程中，豎向位移逐漸增加，底部出現了隆起現象，在中心處的隆起量是最大的，并且越靠近基坑，地表沉降量越大，十米之外已基本上變為零。d.進行基坑施工時，首先進行開挖，達到預計深度后再進行支護，噴射的混凝土達到一定強度之后，能夠與其相接觸的巖土體粘結，增加巖土體的自身強度。e.巖土體開挖之后，破壞了原來的應力場，導致了應力重分布，周邊土體緩慢向下移動。

圖3 基坑開挖最大應力圖

5)深基坑開挖最大應力模擬分析。由圖3可知，隨著深基坑的開挖，最大主應力一般出現在基坑底部，同時，在基坑底部會出現應力集中現象，這是由基坑底部與支護邊墻的夾角決定的，相對來講，底部的夾角愈大，應力集中現象越不明顯。在基坑的開挖過程中，水平位移與開挖深度是成正比的，開挖至設計深度時位移達到最大值，為24 mm，同時，應力也達到最大值。縱向位移在開挖至第三步的時候達到最大值為12 mm，并且在開挖最后一步的時候應力場逐漸達到一個平衡狀態，因而縱向位移在逐漸減小，基坑慢慢趨于穩定。

［1］ 王榮山.北京城鐵東直門車站深基坑開挖和支護技術研究［D］.天津：天津大學碩士學位論文，2005.

［2］ 隗建波.地鐵車站明挖基坑圍護結構穩定性研究［D］.西安：西安交通大學碩士學位論文，2010.

［3］ 陳硯祥.建筑承包商在施工過程中的風險研究［D］.鄭州：鄭州大學碩士學位論文，2010.