陳 暉，翟 磊

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，隧道下穿城市密集建筑物的情況十分頻繁。而與此同時，隧道附屬設(shè)施的建設(shè)也成為必須考慮的一個重要問題。近年來，城市地鐵建設(shè)基坑邊坡失穩(wěn)及坍塌事故時有發(fā)生，由此引發(fā)了地表沉降、基坑邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、鄰近建筑物破壞、地面隆起等環(huán)境問題，這些問題是由很多方面的因素造成的，其中施工土層的具體地質(zhì)情況是一個很重要的因素。在城市地鐵建設(shè)過程中，地鐵明挖風道是在非飽和土層介質(zhì)環(huán)境中進行。在施工過程中，風道基坑邊坡在受到雨水入滲后穩(wěn)定性降低，很容易引起基坑邊坡變形，造成基坑地表沉降、邊坡失穩(wěn)甚至塌方等工程事故。為此，投入大量的精力和財力研究雨水入滲對基坑邊坡的影響。由于工程土體性質(zhì)的不同以及其它的多種不確定性因素，尚未形成統(tǒng)一的降雨條件下基坑邊坡變形的規(guī)律，如何安全順利地進行基坑的開挖保證工程順利進行，顯得特別重要。

1 工程背景

重慶市某地鐵車站明挖風道位于重慶市江北區(qū)黃龍路和紅黃路的交匯處附近，地表不遠處有一棟高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，地面高程約為305m，地形平坦。此車站風道利用明挖法進行開挖（垂直開挖），開挖深度約為8m，長約12m，寬約5m，開挖土體為非飽和粉質(zhì)粘土。開挖過程中利用噴混凝土結(jié)構(gòu)進行支護，并設(shè)置有鋼支撐。開挖完成后，邊坡地表發(fā)生的較大沉降是在降雨持續(xù)一段時間后，其中測點2附近沉降最大（邊坡水平收斂值較小，在合理范圍之內(nèi)）。

2 基坑邊坡的穩(wěn)定性分析

在工程建設(shè)中，基坑邊坡土質(zhì)為非飽和土，基質(zhì)吸力都比較高。在降雨條件下，由降雨入滲到邊坡土體中，使得邊坡土體由非飽和狀態(tài)逐漸趨于飽和狀態(tài)，孔隙水壓力uw接近孔隙氣壓力ua，導致土體基質(zhì)吸力（ua－uw）趨于0，土體的抗剪強度也隨之下降。從而在理論上說明降雨入滲導致基坑邊坡抗剪強度降低，引起基坑邊坡變形，基坑周圍地表發(fā)生沉降。

2.1 邊坡飽和土的強度理論

對于飽和土的強度特性，可運用摩爾－庫侖屈服準則進行描述。

摩爾－庫侖抗剪強度為

τf＝c＋σtanφ.

式中：τf為抗剪強度，c為有效凝聚力，σ為剪切面上的法向正應力，φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 邊坡飽和土朗肯土壓力

根據(jù)土的位移狀況得知，風道邊坡的土壓力為主動土壓力。對于作用在支護結(jié)構(gòu)上的土壓力，可用粘性土的朗肯主動土壓力計算。

式中：Ka為朗肯主動土壓力系數(shù)；且Ka＝tan；γ為土的重度；z為土的深度；c，φ為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2.3 邊坡飽和土的抗?jié)B流穩(wěn)定性分析

在土力學里，水在飽和土中的滲透過程服從達西定律，即水流的速度與水力梯度成正比，其比例系數(shù)稱為滲透系數(shù)。

Darcy（1856 年）在進行飽和沙層的滲透試驗時，假設(shè)土中水流速與其水力梯度成正比，這就是著名的達西定律，其表達式為

式中：ν為水的流速，k為土的滲透系數(shù)，h為水頭損失，L為滲流長度，i為水力梯度。

通過土體的滲流對土體施加力稱之為滲透力，滲透力常用單位土體上的力表示。

j＝γwi.

式中：i為水力梯度，γw為水的重度。

設(shè)土柱高度為l，土柱斷面積為A，則作用在土體上的滲透力為

ΔF＝iγwlA.

作用在土柱上的重力為

W＝lA（γ－γw）.

式中：γ為土的重度。

3 有限元模型的建立

3.1 模型的建立

在建立模型時做簡化處理：

1）由于是在降雨持續(xù)一段時間后才會發(fā)生的比較大的地表沉降，在分析時可以將非飽和土近似考慮成飽和土。

2）由于風道邊坡水平方向設(shè)有支護結(jié)構(gòu)且邊坡水平收斂值較小，近似地認為邊坡變形僅有地表沉降，而無水平收斂。

利用midas gts對基坑邊坡進行有限元模擬，測點2處邊坡有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3.2 模型變形前后

在模型結(jié)構(gòu)上施加荷載，風道基坑邊坡模型變形前如圖2所示；荷載施加后，風道基坑邊坡模型變形后示意圖如圖3所示。

模型計算結(jié)果顯示，風道邊坡地表最大沉降值為46.04mm。

對比以上兩圖中風道邊坡模型變形前后的變化，可以看出風道邊坡在荷載作用下，變形特點：邊坡地表沉降主要是由上部結(jié)構(gòu)變形引起的；雨水的入滲導致的邊坡土體沉降值自上而下越來越?。贿吰鲁两禃斐苫涌拥茁∑?。

4 風道地表位移監(jiān)測

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在邊坡開挖過程中，為保證施工安全和施工的順利進行，對邊坡的地表沉降進行監(jiān)控。

4.1 地表位移監(jiān)控量測警戒值

地表位移監(jiān)控量測警戒值如表1所示。

表1 地表位移監(jiān)控量測警戒值

4.2 監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)業(yè)主及監(jiān)理方的要求，在施工單位的配合下，根據(jù)相關(guān)規(guī)定和施工過程的特點，在開挖的風道周圍邊坡布置3個地表沉降測點，各測點地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖4～6所示（表中數(shù)據(jù)前面的“－”表示沉降）。

從監(jiān)控量測結(jié)果中可以看出，風道邊坡在開始開挖直至12月9日前，地表沉降在合理范圍內(nèi)。風道邊坡地表沉降數(shù)值在12月9日～12月13日這段時間內(nèi)顯著增大并超過警戒值。到12月13日之后地表沉降繼續(xù)減小并低于警戒值。

對比模型和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可知：監(jiān)控量測實測地表沉降值比有限元模型計算的地表沉降值要大，這是模型建立時簡化邊界條件的結(jié)果。

在風道邊坡地表沉降大于警戒值之后，施工單位于12月12日采取措施治理：

1）在邊坡上按照相關(guān)要求增設(shè)錨桿支護、基坑內(nèi)加設(shè)鋼支撐穩(wěn)定基坑邊坡。

2）及時將基坑內(nèi)的水排出并進行二次襯砌施工。

5 結(jié)束語

1）地鐵附屬結(jié)構(gòu)施工過程中，垂直開挖較深基坑時，要采取必要的支護措施。

2）雨季施工時，基坑邊坡穩(wěn)定性降低，容易使基坑邊坡地表產(chǎn)生較大沉降；邊坡沉降原因之一是由于雨水入滲導致邊坡上部土體沉降引起的；基坑邊坡沉降會造成基坑坑底隆起。

3）基坑邊坡施工過程中要注意加強支護，同時要進行穩(wěn)定性分析；雨季施工時要注意加強監(jiān)控量測，并要隨時做好應急預案以應對施工突發(fā)狀況。

4）本文對于邊坡建模進行簡化，邊坡土體土質(zhì)存在一些不確定性，所以，雨水入滲對邊坡變形影響的規(guī)律還需要要進一步的研究完善。

［1］彭立新.降雨入滲對地鐵基坑邊坡變形影響分析［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［2］王曉峰.降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性影響的研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2003.

［3］劉忠玉.土力學［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］龔曉南.高等土力學［M］.杭州：浙江大學出版社，2006.

［5］徐干成，白洪才.地下工程支護結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［6］涂國強.基于ANSYS的邊坡穩(wěn)定性分析［J］.交通科技與經(jīng)濟，2009，11（4）：65－66.