王衛(wèi)強(qiáng),朱俊霖,閆帆,張紅印,余健宇

(1.中國鐵工投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101300；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；3.中鐵鐵工城市建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，軌道交通事業(yè)也在飛速發(fā)展，地鐵作為城市軌道交通的重要一環(huán)，截至2021年12月30日，中國地鐵運(yùn)營線路長度達(dá)到7 254 km.對于地鐵車站施工來說，深基坑開挖及支護(hù)技術(shù)因?yàn)槠渖婕暗募夹g(shù)領(lǐng)域較多，受不同的地質(zhì)條件影響較大，施工過程極其復(fù)雜，成為深基坑施工中的熱門工程問題[1-3].同時(shí)，由于用地緊張，停車場、變電所等地鐵相關(guān)配套設(shè)施的基坑工程可能鄰近周邊建筑或高大陡坡等特殊位置，從而導(dǎo)致深基坑開挖支護(hù)對鄰近高邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響.

雷用等[4]通過工程實(shí)例，研究了深基坑對既有超限高邊坡支擋結(jié)構(gòu)的影響及對策；王國富等[5]以濟(jì)南地鐵項(xiàng)目為依托，通過建立多屬性決策模型，甄選出緊鄰高層建筑結(jié)構(gòu)下基坑最優(yōu)支護(hù)方案；王紅梅[6]采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算巖質(zhì)高邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并通過有限元模擬驗(yàn)證了該方法的可行性；柯友華[7]研究了地鐵基坑旁高邊坡穩(wěn)定性的主要影響參數(shù)以及邊坡穩(wěn)定對各參數(shù)的敏感性；黃詩淵等[8-11]對天然邊坡穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了研究.胡小平[12]以湖南某地下室基坑項(xiàng)目為依托，研究了受鄰近深基坑開挖影響的既有邊坡加固方法.現(xiàn)有的研究成果主要針對邊坡的穩(wěn)定性及基坑的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但對高陡邊坡坡腳深基坑開挖支護(hù)過程中不同支護(hù)參數(shù)對既有高邊坡影響的研究較少.

本研究以大連地鐵5號線10標(biāo)段解放路66 kV主變電所深基坑項(xiàng)目為背景，運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同支護(hù)參數(shù)，如圍護(hù)樁間距、圍護(hù)樁固嵌深度、錨索間距和錨索預(yù)應(yīng)力等對鄰近高邊坡穩(wěn)定性的影響，并與工程施工的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性.

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

大連地鐵5號線是一條在建線路，全長23.8 km，設(shè)車站18座.地鐵5號線10標(biāo)段解放路66 kV主變電所選址方案位于勞動(dòng)公園南側(cè)，勝利東路東北側(cè)，老干部大學(xué)西側(cè).變電所西北側(cè)為勝利東路高邊坡，高邊坡高約10 m，現(xiàn)存支護(hù)方式為擋土墻支護(hù)，擋土墻類型為重力式擋土墻，墻寬為0.6 m.邊坡坡地與基坑之間存在寬約3 m、高約3 m的平臺(tái).

1.2 工程地質(zhì)

該研究對象邊坡土質(zhì)從上至下依次為素填土、全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖和中風(fēng)化石英巖，土層厚度依次為5 m、10 m、10 m、10 m、20 m.主變電站基坑土質(zhì)從上至下為素填土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化板巖和中風(fēng)化石英巖，土層厚度依次為9 m、9 m、10 m、20 m.該場地表層土層為松散稍密狀態(tài)，填土層的均勻性較差，欠固結(jié)，屬于軟弱地層.各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 基坑支護(hù)方案

基坑鄰近高邊坡段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖立面見圖1.主變電所深基坑尺寸為60.2 m×41.1 m×18.4 m(長×寬×深).在本項(xiàng)工程設(shè)計(jì)方案中，深基坑支護(hù)形式為圍護(hù)樁+錨索結(jié)合的樁錨支護(hù)，圍護(hù)樁采用Φ1 200@1 700 mm的鉆孔灌漿結(jié)構(gòu)，嵌固深度為5 m，圍護(hù)樁總埋深為20 m.錨索傾角為15°，橫排錨索之間間距為1.7 m，在第一層土石方開挖1.5 m深位置上打入第一排錨索，自此豎向每隔3 m打入一排錨索，共計(jì)打入6排錨索.錨索自由端是由3根7股Φ5 mm鋼絞線扭成的鋼索組合而成，錨索錨固端注漿體是水灰比為0.45的純水泥漿.錨索總長度及錨固端長度隨著基坑深度的增加而減小，第一排錨索總長度為19 m，錨固端為11 m；第二、三排錨索總長度為17 m，錨固端為10 m；第四、五排錨索總長度為15 m，錨固端為7 m；第六排錨索總長度為13 m，錨固端為6 m.錨索預(yù)應(yīng)力為250 kN.

圖1 基坑鄰近高邊坡段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖立面簡圖

高邊坡高度約為8 m，在現(xiàn)有的重力式擋土墻支護(hù)方式下，對擋土墻施加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固.錨索傾角為15°，橫排錨索之間間距為2.0 m，在擋土墻墻腳往上高度為3 m和6 m處各打入一排錨索.錨索形式同基坑錨索形式一致，錨索總長度為11 m，錨固端為5m，錨索預(yù)應(yīng)力為100 kN.

2 計(jì)算模型建立

2.1 模型建立及單元類型

擋土墻、圍護(hù)樁和錨索設(shè)置為彈性模型，擋土墻和圍護(hù)樁采用beam3單元，錨索采用link1單元.錨索自由端設(shè)置不受壓應(yīng)力條件，錨索預(yù)應(yīng)力通過設(shè)置link1單元的實(shí)常數(shù)施加，錨索與圍護(hù)樁之間為剛性連接.擋土墻、圍護(hù)樁和錨索與土體之間通過節(jié)點(diǎn)耦合連接.設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

考慮施工地點(diǎn)的地質(zhì)和鄰近高邊坡等因素，選取模型100 m×55 m的區(qū)域建立二維計(jì)算模型.直角坐標(biāo)系的XOZ面定為在距邊坡頂部-55 m處的基底底面，以模型左下角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向.實(shí)際土體兩側(cè)邊界具有豎向位移，但沒有水平位移，而底面土體既無豎向位移也無水平位移.因此，模型兩側(cè)邊界對法向(X軸)進(jìn)行約束，允許豎向(Y軸)位移，底部邊界X、Y方向全部約束.計(jì)算模型見圖2.

數(shù)值模擬過程主要研究不同支護(hù)參數(shù)對高邊坡水平位移和豎向位移的影響.

圖2 計(jì)算模型圖

2.2 開挖方案

開挖模擬前先通過對模型施加重力荷載和約束來計(jì)算土體初始自重應(yīng)力場，然后將土體的位移和速度清零，再進(jìn)行基坑開挖及支護(hù)的模擬.具體模擬步驟為：第一步，激活圍護(hù)樁單元；第二步，激活高邊坡既有擋土墻預(yù)應(yīng)力錨索單元；第三步開挖第一層土石方，開挖深度為2 m，并在開挖深度1.5 m處施加第一排預(yù)應(yīng)力錨索；第四到第八步分別開挖3 m、3 m、3 m、3 m、4.4 m，并在上一步開挖處的-0.5 m處施加預(yù)應(yīng)力錨索.基坑開挖前已經(jīng)進(jìn)行了降水處理，故模擬時(shí)不考慮地下水影響.

3 不同支護(hù)參數(shù)對高邊坡穩(wěn)定性影響

基坑開挖過程是開挖面上卸荷的過程，這種卸荷會(huì)引起坑內(nèi)外土體初始應(yīng)力狀態(tài)的改變.產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力會(huì)作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生向基坑的側(cè)向移動(dòng)變形，基坑地表也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)變形.比如基坑周圍存在邊坡，會(huì)導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生變形、滑移甚至坍塌的可能.因此，基坑在開挖時(shí)需要進(jìn)行一定的支護(hù)設(shè)計(jì)，防止周圍地表出現(xiàn)過大的變形情況，造成危險(xiǎn).

本文將對既有鄰近高邊坡深基坑開挖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變不同支護(hù)參數(shù)，研究其對鄰近高邊坡的變形影響，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，可為實(shí)際工程或類似工程提供建議.

將工程設(shè)計(jì)方案參數(shù)代入到數(shù)值計(jì)算模型中，求解得到深基坑鄰近高邊坡側(cè)的水平位移和豎向位移云圖見圖3和圖4.

圖3 深基坑鄰近高邊坡側(cè)水平位移云圖

圖4 深基坑鄰近高邊坡側(cè)豎向位移云圖

3.1 圍護(hù)樁間距變化對高邊坡穩(wěn)定性影響

為了研究深基坑開挖、圍護(hù)樁間距對鄰近高邊坡的變形影響，在保持其他支護(hù)參數(shù)條件為工程設(shè)計(jì)方案的情況下，分別對圍護(hù)樁間距1 200 mm、1 700 mm(工程設(shè)計(jì)方案)、2 200 mm和2 700 mm進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析.在不同圍護(hù)樁間距的條件下，深基坑開挖對高邊坡水平位移和豎向位移的影響見圖5和圖6.

圖5 不同圍護(hù)樁間距下邊坡水平位移圖

圖6 不同圍護(hù)樁間距下邊坡豎向位移圖

根據(jù)圖5和圖6中實(shí)測值曲線可以看出，距圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)邊線越遠(yuǎn)的高邊坡土體，水平位移越?。挥捎趪o(hù)樁結(jié)構(gòu)的施加，使得高邊坡豎向位移在距離圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)16 m左右處最大.

通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，采用工程設(shè)計(jì)方案數(shù)值計(jì)算出來的邊坡水平位移和豎向位移與實(shí)測值最大相差分別為0.94 mm和0.79 mm，在合理的誤差范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算模型的參數(shù)選取是合理的，數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況.

從圖5和圖6可以看出，隨著圍護(hù)樁間距的減小，高邊坡最大水平位移由21.74 mm減小到13.34 mm，減小幅度為38.64%；最大豎向位移由20.46 mm減小到13.67 mm，減小幅度為33.19%.圍護(hù)樁間距的變化對高邊坡水平位移和豎向位移有顯著的影響.

本項(xiàng)工程基坑監(jiān)測控制值標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：高邊坡坡頂水平位移和豎向位移控制值均不能超過30 mm，預(yù)警值為控制值的70%，即21 mm.當(dāng)圍護(hù)樁間距為2 700 mm時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移最大值分別為21.74 mm、20.46 mm，水平位移已超過預(yù)警值，故不能選擇此圍護(hù)樁間距作為施工方案.

當(dāng)圍護(hù)樁間距為1 700 mm(工程設(shè)計(jì)方案)和2 200 mm時(shí)，高邊坡的水平位移和豎向位移都在預(yù)警值內(nèi)，因此在滿足高邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，建議該項(xiàng)工程適當(dāng)增加圍護(hù)樁間距，將設(shè)計(jì)方案1 700 mm改為2 200 mm，以減少工程投資.

3.2 圍護(hù)樁固嵌深度變化對高邊坡穩(wěn)定性影響

分別取圍護(hù)樁固嵌深度3 m、5 m(工程設(shè)計(jì)方案)、7 m和10 m進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同固嵌深度的條件下，深基坑開挖對高邊坡水平位移和豎向位移的影響見圖7、圖8.

圖7 不同圍護(hù)樁固嵌深度下邊坡水平位移圖

圖8 不同圍護(hù)樁固嵌深度下邊坡豎向位移圖

從圖7和圖8可以看出，圍護(hù)樁固嵌深度越深，高邊坡變形越小.圍護(hù)樁固嵌深度為3 m時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移都較大，分別為22.34 mm、18.31 mm，水平位移超出了預(yù)警值，故不能選擇此方案.當(dāng)圍護(hù)樁固嵌深度增加到5 m時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移減小幅度分別為30.4%、14.63%.當(dāng)固嵌深度由5 m增加到7 m、由7 m增加到10 m時(shí)，水平位移減小幅度分別為8.67%、7.08%；豎向位移減小幅度分別為11.84%、10.59%.因此，當(dāng)固嵌深度超過5 m時(shí)，增大圍護(hù)樁固嵌深度，對減小高邊坡位移變形的作用是不顯著的，反而會(huì)增大施工難度和工程投資.

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)圍護(hù)樁固嵌深度為5 m時(shí)，能夠有效控制高邊坡位移變形在預(yù)警值內(nèi)，因此工程設(shè)計(jì)方案是合理的.

3.3 錨索傾角變化對高邊坡的影響

分別取錨索傾角為10°、15°(工程設(shè)計(jì)方案)、20°和35°進(jìn)行數(shù)值模擬.在不同錨索傾角的條件下，深基坑開挖對高邊坡水平位移和豎向位移的影響見圖9、圖10.

圖9 不同錨索傾角下邊坡水平位移圖

圖10 不同錨索傾角下邊坡豎向位移圖

從圖9和圖10中可知，當(dāng)錨索傾角為35°時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移最大，分別為20.12 mm、22.12 mm.當(dāng)錨索傾角為10°時(shí)，高邊坡水平位移最大為18.23 mm，豎向位移最大為19.74 mm，已經(jīng)接近預(yù)警值.當(dāng)傾角由10°增加到15°、20°時(shí)，高邊坡水平位移分別減小到14.86 mm、13.67 mm，豎向位移分別減小到11.56 mm、10.11 mm.根據(jù)上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看到，錨索傾角過大或過小都不能有效控制高邊坡變形.

錨索傾角一般不能小于10°，錨索傾角過小會(huì)導(dǎo)致錨索錨固段進(jìn)入潛在滑面以下的長度不足，影響錨固能力.而當(dāng)錨索傾角增大時(shí)，錨索水平分力隨著錨索傾角的增大而減小，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的垂直分力增加，可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍地基發(fā)生過大的沉降，降低錨固效果.

實(shí)際工程中應(yīng)充分考慮鄰近高邊坡基坑周圍土層結(jié)構(gòu)和施工條件，合理設(shè)置錨索傾角.根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)工程將錨索傾角由設(shè)計(jì)方案15°優(yōu)化為20°后，高邊坡最大水平位移降低了8.01%，最大豎向位移降低了12.54%，對控制高邊坡變形更優(yōu).

3.4 錨索預(yù)應(yīng)力變化對高邊坡的影響

分別改變錨索預(yù)應(yīng)力為150 kN、200 kN、250 kN(工程設(shè)計(jì)方案)和300 kN進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同錨索間距的條件下，深基坑開挖對高邊坡水平位移和豎向位移的影響見圖11、圖12.

從圖11和圖12中可知，錨索預(yù)應(yīng)力為150 kN時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移最大，分別為20.37 mm、20.14 mm，均接近預(yù)警值；當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力為300 kN時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移最小，分別為10.78 mm、13.59 mm.隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增加，高邊坡變形呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，水平位移變化幅度為47.07%，豎向位移變化幅度為32.52%，增大錨索預(yù)應(yīng)力對控制高邊坡變形非常有效.由于錨索預(yù)應(yīng)力的改變對于工程投資影響很小，所以改變錨索的預(yù)應(yīng)力是控制邊坡變形經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種方式.

圖11 不同錨索預(yù)應(yīng)力下邊坡水平位移圖

錨索的預(yù)應(yīng)力不應(yīng)設(shè)置太大，不能超過錨索的設(shè)計(jì)錨固力.過大的錨索預(yù)應(yīng)力會(huì)使錨索錨固端與基巖產(chǎn)生滑移破壞，造成錨索失效.因此，通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)值進(jìn)行對比，將錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)置在250 kN是合理的，既能將邊坡變形控制在預(yù)警值內(nèi)，同時(shí)又不會(huì)對錨索錨固端產(chǎn)生破壞.

4 結(jié)論

運(yùn)用有限元數(shù)值模擬軟件對大連地鐵5號線10標(biāo)段解放路66 kV主變電所的深基坑開挖支護(hù)施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同深基坑支護(hù)參數(shù)對既有鄰近高邊坡穩(wěn)定性的影響.結(jié)論如下：

(1)減小圍護(hù)樁間距能夠有效抑制高邊坡的變形，高邊坡位移減小幅度最高可達(dá)38.63%，但是工程投資會(huì)相應(yīng)增加.在滿足高邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，本項(xiàng)工程可以適當(dāng)增加圍護(hù)樁間距，將設(shè)計(jì)方案1 700 mm改為2 200 mm，減少工程投資.

(2)改變圍護(hù)樁固嵌深度能夠有效控制高邊坡變形，但當(dāng)固嵌深度達(dá)到某一值后，繼續(xù)增大固嵌深度對減小高邊坡位移變形作用減小.對于本項(xiàng)工程而言，當(dāng)圍護(hù)樁固嵌深度由3 m增加到5 m時(shí)，鄰近高邊坡變形有顯著減小的趨勢.但是，當(dāng)固嵌深度超過5 m時(shí)，增大圍護(hù)樁固嵌深度，對減小高邊坡位移變形的作用不顯著，反而會(huì)增大施工難度和工程投資.

(3)錨索傾角大小對高邊坡穩(wěn)定性影響顯著，傾角過大或過小都不能有效控制高邊坡變形.錨索傾角由10°增加到15°、20°，高邊坡位移減小，但繼續(xù)增大到35°時(shí)，高邊坡位移增大.根據(jù)數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本工程將錨索傾角由設(shè)計(jì)方案15°優(yōu)化為20°，能進(jìn)一步提高鄰近高邊坡穩(wěn)定性.

(4)錨索預(yù)應(yīng)力由150 kN增加為300 kN時(shí)，高邊坡水平位移和豎向位移幅度達(dá)到47.07%和32.53%.改變錨索預(yù)應(yīng)力能夠在不增加工程投資的情況下有效提高鄰近高邊坡穩(wěn)定性，但是需要注意錨索預(yù)應(yīng)力不宜太大，以免造成錨固結(jié)構(gòu)損壞和失效.