鄧江雨

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 廣州 510060）

0 引言

隨著城市規(guī)模的增大，越來越多的城市修建地鐵，各超大城市的地鐵里程也越來越長。而且我國南方城市主要位于丘陵地帶，由于地形的限制，不可避免地有些地鐵車站位于山坡下，地鐵基坑的開挖，對既有邊坡產(chǎn)生擾動或者卸載作用，必然對既有邊坡產(chǎn)生不利影響［1-4］。國內(nèi)外不少學(xué)者對此問題進行了研究分析，例如黃詩淵、陳建宏、田全紅、李曉林等人［5-14］對影響天然邊坡穩(wěn)定的影響因素進行了研究，現(xiàn)有研究成果主要對天然邊坡的穩(wěn)定性及基坑的整體穩(wěn)定性進行了分析，但對高大邊坡的坡腳處開挖深基坑對既有邊坡影響的分析較少。

基于此，本文以廣州地鐵七號線二期水西北站基坑工程為背景，對基坑、邊坡支護方案進行了有限元分析對比，為設(shè)計、施工提供依據(jù)，同時也為類似工程提供方案參考。

1 工程概況

廣州地鐵七號線二期水西北站為該線的最后一個車站，位于水西停車場西南側(cè)，本站全長220.9 m，標(biāo)準段寬度為31.1 m，車站基坑深度約為16.5 m，車站南側(cè)為既有邊坡，該邊坡為棄土場人工填土邊坡，高57 m，坡頂按1∶3 放坡，靠近坡腳有直徑 1.8 m、間距3.5 m、排距5 m，同時冠梁用1.5 m 厚的蓋板相連的雙排抗滑樁支護，坡腳處有賓格石籠及鋼板樁，現(xiàn)狀邊坡及車站位置如圖1所示。

水西北站車站南側(cè)連續(xù)墻和車站側(cè)墻位于現(xiàn)狀賓格石籠范圍內(nèi)，施工連續(xù)墻之前需拆除現(xiàn)狀賓格石籠，為保障上部邊坡穩(wěn)定，采取距離車站連續(xù)墻約10.75 m 施工一排樁徑為1.8 m、間距3.3 m 的旋挖樁為抗滑樁，在樁頂施打一排預(yù)應(yīng)力錨索。后期車站主體基坑回填后，將排樁和連續(xù)墻通過連梁連接，形成雙排樁支護體系，作為永久邊坡的支護設(shè)計?；又ёo靠近邊坡側(cè)采用1 000 厚地下連續(xù)墻，其他側(cè)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐采用2 道混凝土撐和1道鋼支撐，支護方案如圖2所示。

圖1 車站、邊坡的相對位置及周邊環(huán)境Fig.1 Relative Position and Surrounding Environment of Subway Station and Slope

圖2 車站、邊坡的支護方案Fig.2 Supporting Scheme of Subway Station and Slope

2 工程地質(zhì)與地下水位

2.1 工程地質(zhì)

水西北站及邊坡地貌為丘陵地貌，地勢起伏較大，局部地勢較陡峭，根據(jù)場地內(nèi)所揭露地層的地質(zhì)時代、成因類型、巖性特征、風(fēng)化程度等工程特性，將場地內(nèi)巖土層分為填土層、砂層、沖積-洪積-坡積層、殘積層、巖石全風(fēng)化帶、巖石強風(fēng)化帶、巖石中風(fēng)化帶、巖石微風(fēng)化帶共8 大層。地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 地下水位

勘察期間車站穩(wěn)定水位埋深為0.0～6.3 m；邊坡地下水穩(wěn)定水位埋深為1.0～9.0 m；勘察期間邊坡坡頂穩(wěn)定水位標(biāo)高為41.04～50.25 m，邊坡坡底穩(wěn)定水位標(biāo)高為 39.57～42.42 m。

3 邊坡穩(wěn)定分析

本文采取邊坡典型地質(zhì)斷面的地層地貌情況，對邊坡穩(wěn)定性分別用理正巖土軟件和Midas GTS NX 有限元軟件，對初始工況、鋼板樁及石籠破除工況、基坑開挖到底工況進行了邊坡穩(wěn)定分析。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical Mechanics Parameter of Stratum

3.1 理正巖土邊坡穩(wěn)定分析基坑開挖到底工況

首先分析自重工況下不考慮靜水壓力的邊坡穩(wěn)定，通過自動搜索最危險滑動面計算可知，最危險滑動面位于雙排抗滑樁上部的填土層，其滑動半徑為134.115 m，總下滑力為16 451.955 kN，總的抗滑力為23 132.211 kN，滑動安全系數(shù)Fs=1.406，大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330-2013》表5.3.2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst要求的1.35。

然后分析自重工況下考慮7 度抗震和靜水壓力的邊坡穩(wěn)定，通過自動搜索最危險滑動面計算可知，最危險滑動面位于雙排抗滑樁下部填層，其滑動半徑為70.315 m，總的下滑力為5 034.805 kN，總的抗滑力為5 803.353 kN，滑動安全系數(shù)Fs=1.153，大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330-2013》表5.3.2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst要求的1.15。

3.2 Midas GTS NX有限元計算邊坡穩(wěn)定

為了保證邊坡穩(wěn)定安全及檢驗措施的有效性，本文通過有限元軟件對3 種工況進行了邊坡穩(wěn)定分析，分別為初始工況（工況1）、坡腳鋼板樁及賓格石籠破除工況（工況2）、基坑開挖到底工況（工況3），采用SRM 強度折減法對各工況，進行了自重作用下邊坡穩(wěn)定分析和考慮自重作用及滲流的邊坡穩(wěn)定分析，其中滲流的坡頂總水頭57 m，坡腳總水頭31 m，動水壓力水頭差26 m。

3.2.1 工況1

對未開工前的現(xiàn)狀邊坡建模并進行邊坡穩(wěn)定分析，模型如圖3所示，不考慮滲流時通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定，由圖4a 得到安全系數(shù)為1.418，最大塑性變形區(qū)位于雙排樁上部的填土層，最危險滑動面從雙排樁樁頂切向滑出。考慮滲流的動水壓力時通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定，由圖4b 得到安全系數(shù)為1.188，最大塑性變形區(qū)位于雙排樁上部的填土層，最危險滑動面從雙排樁樁頂切向滑出。相對于只考慮重力作用，最危險滑動面位置更深，安全系數(shù)更小。綜上可知現(xiàn)狀邊坡為穩(wěn)定邊坡，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

圖3 工況1 有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Working Condition 1 Finite Element Mesh Model

圖4 工況1 結(jié)果圖Fig.4 Working Condition 1 Result Graph

3.2.2 工況2

對坡腳破除鋼板樁及石籠工況建模并進行邊坡穩(wěn)定分析，該工況下，在破除鋼板樁及石籠前，在坡腳上部施加了一排樁錨支護，模型如圖5所示，不考慮滲流時通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定，由圖6a 得到安全系數(shù)為1.416，最大塑性變形區(qū)位于雙排樁上部的填土層，最危險滑動面從雙排樁樁頂切向滑出?？紤]滲流的動水壓力時通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定，由圖6b 得到安全系數(shù)為1.200，最大塑性變形區(qū)位于雙排樁上部的填土層，最危險滑動面從雙排樁樁頂切向滑出。相對于只考慮重力作用，最危險滑動面位置更深，安全系數(shù)更小。由計算可知，工況2 下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)略大于初始工況，說明在坡腳上部距離連續(xù)墻10.75 m 處施加的樁錨支護是有效的，樁錨支護足以抵消坡腳鋼板樁及石籠卸載的消極作用。

圖6 工況2 結(jié)果圖Fig.6 Working Condition 2 Result Graph

3.2.3 工況3

對基坑開挖到底工況建模并進行邊坡穩(wěn)定分析，模型如圖7所示，不考慮滲流時通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定，由圖8a 得到安全系數(shù)為1.40，最大塑性變形區(qū)位于雙排樁上部的填土層，最危險滑動面從雙排樁樁頂切向滑出?？紤]滲流的動水壓力時通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定，由圖8b 得到安全系數(shù)為1.19，最大塑性變形區(qū)位于雙排樁上部的填土層，最危險滑動面從雙排樁樁頂切向滑出。相對于只考慮重力作用，最危險滑動面位置更深，安全系數(shù)更小。綜上可知，該支護方案安全有效，滿足規(guī)范要求，基本將基坑跟邊坡隔離開來，使得基坑開挖對邊坡穩(wěn)定基本沒有影響。

圖7 工況3 有限元網(wǎng)格模型Fig.7 Working Condition 3 Finite Element Mesh Model

圖8 工況3 結(jié)果圖Fig.8 Working Condition 3 Result Graph

4 結(jié)論

本文采用理正巖土計算及Midas GTS NX 有限元軟件分析對比，以廣州地鐵七號線二期水西北站項目為工程實例，分析了地鐵深基坑開挖對臨近既有高大邊坡下穩(wěn)定性的影響。結(jié)論如下：

⑴邊坡初始狀態(tài)是穩(wěn)定的，跟現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致且安全系數(shù)符合規(guī)范要求，說明參數(shù)取值合理準確。

⑵破除鋼板樁及壓腳石籠前在坡腳上部試做了一排樁徑1.8 m，間距3 m 的樁錨結(jié)構(gòu)，并在破除鋼板樁及壓腳石籠后分析了邊坡穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)基本沒變，甚至有些許提高，說明樁錨的加固作用是有效的，足以抵消鋼板樁及壓腳石籠破除的卸荷作用，保證了施工過程中邊坡的安全與穩(wěn)定。

⑶通過理正巖土計算和有限元計算結(jié)果的對比分析可知，兩者結(jié)果及安全系數(shù)的一致性保證了計算的準確性，保證了地鐵百年工程的安全性。對于最終支護方案為雙排樁通過連梁連接基坑的連續(xù)墻，基本將基坑及邊坡隔離開，形成了類似加強版“雙排樁”的受力體系，證明了該方案的安全有效性，為類似工程設(shè)計提供了參考方案。