——以乌鲁木齐市轨道交通4号线红光山站为例
贾世涛
中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600
摘要：以乌鲁木齐市轨道交通红光山站为工程背景，针对深基坑工程处于顺层滑移地质条件的情况，采用MidasGtsNX有限元分析软件建立实体模型，模拟施工过程的各阶段，研究施工过程中地面沉降和围护结构内力的变化规律。结合工程所处的具体地质情况，以岩层顺层中岩块和结构面两种土体参数为基础，对比常规单边模型和整体模型的计算结果，提出采用整体模型进行设计的针对性方法。研究对基坑围护设计提供了优化依据，并可作为类似工程的参考。
关键词：城市轨道交通；深基坑；顺层；MidasGtsNX；模型分析
1引言
随着城市人口的快速增长，地下空间开发日趋增多，地下轨道交通作为缓解交通压力的重要手段也得到了大规模发展。近年来，深度大、环境条件复杂的基坑工程越来越多，对轨道交通深基坑施工和设计提出了越来越高的要求。
基坑支护结构设计采用变形控制和强度控制的理论方法，计算模式采用弹性地基梁简化计算或有限元法。龚旭东[1]对支护结构受力进行简化分析，对成都地铁深基坑进而优化支撑位置；黄沛等[2]对采用分区开挖减小相邻地铁结构变形的方法进行了分析；王元湘[3]论述了深基坑支护结构计算中增量法与总量法的适用条件，指出对于线性受力继承性问题，两者计算结果应一致。
顺层滑移是指沿层面顺层的剪切滑动，其对工程中的影响，多见于边坡防护方面的研究，陈建强[4]针对顺层岩质边坡，采用FLAC3D强度折减法，研究边坡的变形演化过程及稳定性；张国发，王冠[5]分析大锚杆微型桩在顺层岩质边坡的受力机理，并应用于实际工程中；曾中林，刘贵应[6]通过公式推导分析了画面倾角、力学参数误差对边坡安全系数取值的影响。
在众多学者研究的基础上，定性的判断是顺层滑移对采用较强支护体系的深基坑工程影响较小，但未见有针对基坑设计的研究内容，仅有少量介绍了顺层地质的基坑在施工过程中发生的问题及处理方法[7]。为此，本文以城市轨道交通工程中遇见顺层地质的深基坑为研究对象，采用MidasGtsNX有限元分析软件，平行建立多种模型，对车站的施工过程进行模拟，对比分析施工过程中围护结构及主体结构内力的变化规律，指导完善设计方案。
2工程概况
2.1车站概况
红光山站是乌鲁木齐市轨道交通4号线的中间站，位于红光山路与南湖北路交叉口以东，呈东西向布设于红光山路南侧绿化带内。车站为明挖地下三层（局部四层）岛式车站，车站主体总长度170.2m，标准段宽22.7m，有效站台中心里程处车站底板埋深28.6m，顶板覆土厚度2.8~3.3m。围护结构采用?1000钻孔灌注桩＋?609钢支撑体系。
2.2地质条件
场地地层岩性复杂多样，表层主要为第四系全新统、上更新统松散沉积物粉土状黄土、圆砾，下伏侏罗系泥岩、砂岩等。
场区地下水类型主要为第四系松散堆积层中的孔隙潜水、基岩裂隙水。孔隙水受大气降水、高山融雪补给；基岩裂隙水主要分布在砂岩风化层裂隙中，水量较小，补给来源主要为地下水上游及孔隙潜水的入渗补给，对工程的影响较小。
场地的不良地质作用主要表现为顺层滑动。侏罗系的泥岩、砂岩，岩层倾角较大，发育有软弱结构面，线路东西走向，岩层产状一般为N30-35°E/55°。
本次工程中主要表现在基坑开挖时，该车站基坑开挖范围内局部出现泥岩、砂岩互层现象，基坑开挖后东坡及南坡存在岩质边坡顺层问题。
2.3施工方法及顺序
车站采用典型的明挖顺作法施工，遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则，每层开挖深度不大于2m，分层竖向开挖深度不超过支撑竖向间距，逐段开挖、逐段施做内部主体结构、逐段回填覆土。
3车站施工过程模型计算及分析
3.1模型计算概况
根据挡土墙、支护桩、横撑等围护结构的设置过程和土层开挖情况，真实模拟实际施工过程。用MidasGtsNX有限元分析软件建立顺层影响车站范围的基坑断面和周围土体模型。
模型宽150m，高100m，采用弹性模型模拟结构构件，采用摩尔-库伦模型模拟土层，单元类型均采用梁和实体单元，模型网格划分如图1所示。材料参数根据规范和勘察资料确定，见表1。
图1整体模型网格示意
材料参数根据规范和勘察资料确定，中风化砂岩、泥岩考虑顺层时进行了结构面处参数（c、φ）折减，即岩块参数和结构面参数，见表1。
表1结构构件及土层材料参数
构件/土层名称材料类型弹性模量（E）/MPa泊松比（μ）密度（ρ）/（g·cm-3）粘聚力（c）/kPa摩擦角（φ）/°
3.2计算模型对比及结果分析内容
计算模型应做到对实际施工过程的真实模拟，在MidasGtsNX有限元分析软件中通过定义施工阶段激活或钝化目标网格单元实现土层开挖、支撑架设、主体施工等，具体本站的施工在模型中定义了21个施工阶段。
如前所述，常见的基坑计算中，多见的是均匀地层条件或采用单边模型进行简化计算，无法针对性的反映基坑遇见顺层时的情况。为此，考虑了顺层岩层折减前后参数、两个单边模型及一个整体模型的对比，交叉组合后共建立六组模型。
基坑支护结构设计主要包括变形控制和强度控制两部分，与之对应的计算结果为基坑周边地面沉降值、围护结构内力值，模型计算结果在软件中直接读取，如图2所示。
根据以上对比，总结不同条件下模型计算地面沉降值的共同点及差异如下：
1）单边模型的沉降值随施工过程的变化表现为逐渐增加，整体模型为先增后降，两者均在施工阶段11（即基坑开挖到底，开始施工主体结构）出现变化速率的拐点；
2）同地质参数条件下两个单边模型中基坑左侧地面沉降值小于右侧地面沉降值，而在整体模型中左右两侧地面沉降值的情况相反；
3）整体模型的计算沉降最大值与同条件单边模型相比，表现为不同程度的减小（18~54%）；
4）结构面参数条件下地面沉降值结果与岩块参数条件相比，变化不大（变化量在0.4mm左右，所占比例较小）。
3.4围护结构内力结果对比分析
围护结构的强度控制主要体现在边桩弯矩和支撑轴力两个结果中。边桩弯矩与地面沉降类似分左右统计，支撑轴力由上至下进行汇总，见图4。
根据以上对比，总结不同条件下模型计算围护结构内力的共同点及差异如下：
1）左侧边桩正弯矩值（基坑内侧）小于右侧边桩，而负弯矩值（基坑外侧）绝对值大于右侧边桩，在单边模型与整体模型中趋势一致；
2）整体模型的计算支撑轴力极值除首道支撑介于同条件左右单边模型之间，其余支撑轴力均大于单边模型，支撑轴力的大小排序及随施工过程变化情况与单边模型一致；
3）结构面参数条件下结果与岩块参数条件相比，引起两侧边桩正弯矩值的减小和负弯矩值绝对值的增大，引起支撑轴力一致增大。
4结语
通过对多个模型的平行计算结果进行对比分析，得到顺层滑移条件下车站基坑施工过程引起的地面沉降及围护结构内力变化特点如下：
1）各模型的沉降值均未超过规范要求限值，当前设计能够满足变形控制要求；
2）顺层滑移对基坑施工中引起的地面沉降变化有限，而采用整体模型进行计算使沉降量有一定的减小，且引起基坑两侧沉降分布的反方向变化；
3）在各单边模型和整体模型中，顺层滑移更明显的引起了围护结构边桩弯矩分布规律的不均匀变化，导致了支撑轴力的增大，这也支持了设计中采用的格构柱方案。
本次研究的后续工作也将监测数据的收集、验证等作为重点，实时监测成果是验证模型分析准确性的主要依据。基于以上特点，在之后的设计工作中提倡优先选择采用整体模型进行基坑的模拟计算，考虑基坑两侧边桩通过支撑联系，协同受力，以此优化相应的设计方案。
参考文献：
[1]龚旭东.基于受力计算的深基坑支护设计优化方法[J].铁道建筑，2014（5）：82-85.
[2]黄沛，陈华，张倩，等.大型基坑分区开挖对邻近地铁的影响[J].工程勘察，2015，43（8）：15-20.
[3]王元湘.关于深基坑支护结构计算的增量法和总量法[J].地下空间，2000，20（1）：43-46.
[4]陈建强.基于位移信息的顺层岩质边坡稳定性评价[D].成都：西南交通大学，2013：17-31.
[5]张国发，王冠.大锚杆微型桩在顺层岩质边坡上的应用[J].交通世界·运输车辆，2015，24（8月下）：100-101.
[6]曾中林，刘贵应.顺层滑移型边坡安全系数取值探讨[J].山西建筑，2013，39（3）：57-58.
[7]吴铁力，杨光，周光健.顺层岩体对基坑支护的影响浅析[J].科技信息，2010（5）：304.