佘金波劉 鐵

（1.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶 400067 2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

引言：本評(píng)估主要是針對(duì)嘉州路站基坑開挖支護(hù)施工方案在實(shí)施前的作出一些有意義的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和分析，以保證對(duì)機(jī)場(chǎng)交通輔道安全性影響在可以接受范圍之內(nèi)。因此評(píng)估采用對(duì)施工過程的力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬分析，評(píng)估的模型選取相對(duì)典型，受力不利車站東西側(cè)斷面7-7進(jìn)行施工開挖模擬。通過對(duì)基坑開挖全過程仿真分析，以便對(duì)隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，看能否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)看所選用的施工方法能否滿足施工中圍巖的穩(wěn)定性。通過對(duì)基坑開挖的模擬分析不但為我們施工監(jiān)控提供一定意義的參考，也為我們安全評(píng)估提供了有利的證據(jù)。

1工程概況[1-3]本評(píng)估主要是針對(duì)嘉州路站基坑開挖支護(hù)施工方案在實(shí)施前的作出一些有意義的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和分析，以保證對(duì)機(jī)場(chǎng)交通輔道安全性影響在可以接受范圍之內(nèi)。因此評(píng)估采用對(duì)施工過程的力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬分析，評(píng)估的模型選取相對(duì)典型，受力不利車站東西側(cè)斷面7-7進(jìn)行施工開挖模擬。重慶市軌道交通三號(hào)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(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，基坑施工采用明挖法，車站呈南北向長(zhǎng)軸展布。站臺(tái)中心里程K14+647.070，車站全長(zhǎng)約177.4m，寬約20.3m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高（車站中心位置）270.931m，設(shè)計(jì)為四層建筑，從下向上依次為站臺(tái)下夾層、站臺(tái)層、站廳層。車站位于機(jī)場(chǎng)高速公路之下，公路高程289.5～290.3m。嘉州路車站設(shè)計(jì)在一層北面有2、3#出口，直接通往地面，南面設(shè)計(jì)有1#、4#地下通道直接通往地面。站廳層南端東面設(shè)計(jì)有通風(fēng)道及風(fēng)井，北端西面設(shè)計(jì)有通風(fēng)道及風(fēng)井直接通往地面。嘉州路車站頂（商業(yè)層頂）需回填約1m，恢復(fù)機(jī)場(chǎng)高速公路通行?；虞S線位置見圖1.2，圖1.2中給出了基坑1～8號(hào)0橫斷面位置編號(hào)，其中7號(hào)斷面設(shè)計(jì)圖詳見圖1.3圖所示。

2計(jì)算模型

為模擬基坑開挖過程以及支護(hù)的受力情況，計(jì)算過程中采用有限元地層結(jié)構(gòu)連續(xù)介質(zhì)模型。在模擬土體時(shí)采plan42單元；支護(hù)結(jié)構(gòu)采用beam3單元。邊界條件按位移約束設(shè)置，左右側(cè)面取UX約束，底面約束UY。計(jì)算時(shí)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(xué)計(jì)算參數(shù)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(shù)值模擬分析運(yùn)用了Ansys的"生"、"死"單元法來模擬開挖過程，其原理是當(dāng)選擇殺死單元的剛度、傳導(dǎo)或其他分析特性矩陣乘以一個(gè)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(duì)荷載向量生效，同樣死單元的質(zhì)量、阻尼等其他類似也設(shè)為0值。死單元的這些性質(zhì)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(fù)原來的質(zhì)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(jì)算分析過程如下：

1將有限元模型施加重力場(chǎng)，以模擬大地的初始應(yīng)力狀態(tài)，并且添加邊界約束條件，進(jìn)行初步計(jì)算；

表2 土體和支護(hù)變形及內(nèi)力最大值

圖3.2 開挖第一部分土體后支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(hù)單元，施加節(jié)點(diǎn)力，進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)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(yīng)力和變形，及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力見表2所示。

(2)開挖第二部分土體后的土體應(yīng)力和變形，及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力見表3所示。

4.計(jì)算結(jié)果分析

1、邊坡變形分析：通過對(duì)開挖過程的模擬計(jì)算，得出基坑開挖動(dòng)態(tài)變化過程?；娱_挖會(huì)引起圍巖及地表發(fā)生變形，對(duì)周圍環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過Ansys有限元計(jì)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(duì)周圍環(huán)境的影響比較小。下圖形表明基坑開挖進(jìn)行,進(jìn)行支護(hù)之后，周邊豎向變形達(dá)到6mm，水平位移達(dá)到6mm，基坑開挖對(duì)周圍巖體影響較小，邊坡整體可以處于穩(wěn)定的狀態(tài)[7]。

表3 土體和支護(hù)變形及內(nèi)力最大值

2、邊坡及支護(hù)應(yīng)力分析：基坑開挖勢(shì)必引起地應(yīng)力釋放，且開挖暴露時(shí)間越長(zhǎng)，地應(yīng)力釋放就越大，邊坡巖體的變形就越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利。因此，基坑在施工過程中堅(jiān)持及時(shí)支護(hù)的原則。

由以上基坑開挖引起的三個(gè)方向的應(yīng)力云圖可得，由于基坑的開挖，使得巖體內(nèi)局部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力較大。

3、從支護(hù)的內(nèi)力變化來看，隨著施工的進(jìn)行，土應(yīng)力的釋放，其支護(hù)內(nèi)力增加速度快。需在施工時(shí)不斷加強(qiáng)超前支護(hù)的剛度，以控制周圍圍巖變形過大，對(duì)周圍已有建筑物的影響減小到最低程度。經(jīng)驗(yàn)算，現(xiàn)有初期支護(hù)方案對(duì)周圍已有建筑物基礎(chǔ)巖體豎向變形為6mm，水平變形為6mm，均滿足規(guī)范要求。

結(jié)論與建議：施工過程中，若基坑施工現(xiàn)場(chǎng)巖土覆蓋層的巖土厚度及巖土性質(zhì)等與原地質(zhì)勘察報(bào)告的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件相符，在所采用的綜合施工技術(shù)措施和設(shè)計(jì)，施工技術(shù)參數(shù)符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，并嚴(yán)格實(shí)施監(jiān)控條件下，實(shí)施"動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工"，并作好有效和到位的安全預(yù)案，提交的施工組織方案的技術(shù)措施能保證工程安全，是可行的。

建議：1）鑒于基坑設(shè)計(jì)是以工程類比為主，并通過現(xiàn)場(chǎng)施工過程的監(jiān)控量測(cè)確認(rèn)和修正，必要時(shí)輔以理論驗(yàn)算。由此可見，基坑設(shè)計(jì)和施工是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)過程。因此，建議監(jiān)測(cè)量測(cè)工作應(yīng)由有資質(zhì)單位進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和實(shí)施。

2）水是影響邊坡巖土穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。建議施工期間，施工單位應(yīng)會(huì)同勘察單位進(jìn)一步復(fù)核和查明水體的源頭，采取有效措施進(jìn)行源頭疏導(dǎo)，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(wěn)定性的土層中。

[1]中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司.重慶市軌道交通三號(hào)線一期工程嘉州路站基坑開挖支護(hù)施工組織設(shè)計(jì)[電子版本],2009.2.24.

[2]重慶市交通科研設(shè)計(jì)院，機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院.重慶市軌道交通三號(hào)線一期工程嘉州路站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖[電子版本],2009.1.

[3]重慶市勘察設(shè)計(jì)院.重慶市軌道交通三號(hào)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(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]JTJ041-2000,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[6]李 圍.ANSYA土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

[7]GB50330-2002,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].