深基坑开挖对邻近边坡稳定性影响与控制

2019-04-16秦坤元刘五一肖育斐张健阳军生刘守花王健宏

中外公路 2019年4期

秦坤元，刘五一，肖育斐，张健，阳军生，刘守花，王健宏

(1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004; 2.中南大学土木工程学院)

城市地铁大都建在人口密集的地方，车站周边地形情况通常比较复杂，基坑施工场地十分狭小，当基坑周边近接边坡时，为保证现场有充足的施工场地，通常会对边坡进行削坡处理，特别是当边坡上部有建筑物存在时，削坡、基坑开挖对边坡稳定性及坡顶建筑物影响不容忽视。

目前，针对不对称岩土荷载作用下深基坑变形性状已有部分研究。石钰锋等以深圳地铁民治站基坑工程为依托，对紧邻铁路偏压基坑的变形形状进行了系统的研究；刘波等以某紧邻高速公路深基坑工程为背景，应用数值方法对偏压作用下非等深基坑开挖效应进行分析；林刚等应用数值方法对不平衡堆载下深基坑支护结构的性状进行了研究；刘继强等以深圳地铁5号线水径车站基坑工程为背景，运用数值方法分析基坑与边坡不同间距下基坑的稳定性特征。针对边坡稳定性的研究较多，杨峰等基于刚体平动运动单元的上限有限元理论，建立边坡稳定性分析方法，获得了边坡渐进失稳过程中的稳定性状况；曾文西等基于饱和-非饱和渗流计算方法，分析了渗透系数对边坡稳定性的影响；张磊等建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型，并采用有限元方法模拟分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响；曾田等基于饱和-非饱和理论，应用数值方法，分析了降雨对边坡稳定性的影响。总之，对于不对称岩土荷载作用下的深基坑，主要关注不对称荷载对基坑稳定性的影响，但基坑开挖对边坡影响的研究较少，因此有必要开展进一步的研究。

该文以长沙地铁4号线黄土岭车站基坑工程为背景，采用FLAC3D有限差分软件，对边坡削坡、基坑开挖过程中边坡稳定性进行分析，根据数值结果提出相应的边坡加固措施，并对施工全过程边坡和建筑变形进行实时监测，通过对实测结果统计整理，分析边坡加固实际实施效果。

1 工程概况

长沙地铁4号线黄土岭车站位于芙蓉南路与赤黄路交叉口，沿黄土岭路呈东西向布置。赤黄路在交叉路口处地势高差较大，在基坑南侧6 m位置存在原状土边坡，边坡高8 m。车站周边管线和高层建筑分布众多(图1)，施工场地十分狭小，为确保充足的施工空间，将对基坑南侧边坡坡脚进行削坡处理。勘察资料显示，施工场地范围内地层自上而下分别为：杂填土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、卵石、粉质黏土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。地下稳定水位为3.5～7.3 m，水位标高62.2～71.1 m。

黄土岭车站范围均位于现状道路路面以下，为了不影响黄土岭路的正常交通，车站采用半盖挖法施工。车站基坑长214.3 m，标准段宽23.1 m，基坑深度24～26.5 m，基坑采用地下连续墙+内支撑相结合的支护结构。地下连续墙厚1 m，坑底地层为中风化泥质粉砂岩时，地连墙的嵌固深度取3 m，坑底地层为强风化泥质粉砂岩时，嵌固深度取5 m。沿基坑深度方向共设置4道内支撑，其中第1道和第3道内支撑采用混凝土支撑，水平间距6 m，第2道和第4道内支撑采用外径为609 mm，厚16 mm的钢支撑，水平间距为3 m，标准段支护断面如图2所示。

图1 黄土岭车站平面图

图2 标准段支护结构图(单位：mm)

2 基坑开挖对邻近边坡影响分析

为保证边坡削坡和基坑开挖过程中邻近高边坡的稳定，采用有限差分软件FLAC3D建立基坑开挖支护的数值模型，分析削坡、基坑开挖对邻近边坡的影响。为确保边坡稳定性，边坡坡顶位移应小于22.5 mm。

2.1 有限元建模

为提高计算效率，标准段沿基坑长边方向选取14 m进行数值建模，为降低边界效应对计算结果的影响，基坑坑壁到模型边界的距离为(3～4)H，其中H为基坑开挖深度，模型尺寸取X×Y×Z为180 m×98 m×14 m。模型侧面限制其水平方向位移，底面为固定边界条件，上边面为自由边界，计算模型见图3。

图3 有限元模型

土体和地下连续墙采用实体单元(Zone 单元)模拟，内支撑和立柱采用梁单元(Beam 单元)模拟，采用桩单元(Pile 单元)模拟立柱桩。模型中地下连续墙和土体之间的相互作用采用地下连续墙侧面和底面的接触面实现，内支撑和地下连续墙直接的相互作用则采用连接实现。其中，除地下连续墙混凝土强度等级为C35，弹性模量取31.5 GPa外，其他混凝土结构强度等级均为C30，弹性模量取30 GPa，泊松比均为0.25；钢支撑和钢腰梁弹性模量均为209 GPa，泊松比取0.3。

基坑开挖是土体卸荷的过程，Mohr-Coulomb模型所需参数少，且计算结果与工程实测结果比较接近，但计算分析中卸载和加载采用同一模量；修正剑桥模型(MCC)对于土体的模量依赖于应力水平和应力路径，应用于基坑分析时计算结果更加合理可靠，但模型参数较多，且仅适用于正常固结和弱超固结黏土。因此，粉质黏土和中风化泥质粉砂岩的本构采用修正剑桥模型模拟，砂卵石地层采用摩尔库仑进行模拟，具体土体的计算参数见表1。

表1 地层参数表

注：γ为土体重度；M为临界状态参数；λ为e-lnp圧缩曲线斜率；К为e-lnp回弹曲线斜率；μ为泊松比；e0为初始孔隙比；c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；E为弹性模量。

根据实际施工过程，数值模拟共分为11个分析步：① 初始地应力平衡；② 施作地下连续墙和立柱；③ 挖除表层土体和削坡；④ 施作第1道内支撑；⑤ 土体开挖至-8 m；⑥ 架设第2道钢支撑并施加预应力；⑦ 土体开挖至-15 m；⑧ 施作第3道混凝土支撑；⑨ 土体开挖至-20 m；⑩ 施作第4道钢支撑并施加预应力；基坑开挖至坑底(-24 m)。

2.2 数值结果分析

图4、5分别为边坡削坡后和基坑开挖完成后土体应力状态云图。图4、5显示，边坡削坡后位于坡脚及坡脚下部土体出现较大区域的剪切塑性区和拉伸塑性区，且塑性区为贯通，边坡处于稳定状态；基坑开挖完成后，边坡拉伸塑性区进一步扩展至距坡顶不足1 m位置。考虑到施工过程中的施工扰动、降水对边坡影响，边坡发生失稳的概率极大，由于边坡坡顶建筑物的存在，边坡失稳将严重危害人身和财产安全，且边坡属于永久性边坡，应在边坡削坡后及时对边坡进行永久加固以保证边坡稳定性。

图4 边坡削坡后土体应力状态云图

图6为施工过程中边坡坡顶位移曲线，坡顶水平位移以向基坑侧变形为正，竖向位移以沉降位移为正。

图5 基坑开挖完成后土体应力状态云图

图6 边坡坡顶位移曲线

由图6可看出：① 边坡削坡后坡顶竖向位移达26.2 mm，基坑开挖后坡顶竖向位移增大至29.2 mm，由基坑开挖引起的坡顶竖向位移增大了3 mm，约占坡顶总竖向位移的10.3%，且边坡坡顶竖向表现为沉降位移特征；② 削坡后坡顶水平位移为22.6 m，基坑开挖使坡顶水平位移增大至25.3 mm，由基坑开挖引起的坡顶水平位移约占总水平位移的10.7%。边坡坡顶的位移主要由削坡引起，基坑开挖对边坡的影响较小，且坡顶位移大于边坡稳定控制值。

3 边坡稳定安全控制措施

3.1 边坡加固措施

数值结果显示削坡及基坑开挖使边坡稳定性不满足要求，为保证边坡稳定及坡顶建筑的正常使用，基坑开挖前需对边坡进行预加固。为增大边坡体的抗滑力，约束边坡体的变形，坡面采用土钉和挂网喷射混凝土主动加固；同时为平衡边坡体滑坡推力，在坡脚采用抗滑桩对边坡进行被动加固。坡面土钉与坡脚抗滑桩联合加固，确保边坡稳定及坡顶建筑物安全。

边坡采用土钉和挂网喷射混凝土进行加固。其中，土钉竖向布设5排，水平间距1.2 m，与水平向夹角为15°，土钉长9 m，采用直径为28 mm的HRB 400级热轧带肋钢筋；挂网喷射混凝土厚100 mm，采用直径8 mm HPB 300钢筋，钢筋间距300 mm。

采用钻孔灌注隔断桩和三重高压旋喷桩止水相结合方式对边坡坡脚进行加固。其中，钻孔灌注桩桩径800 mm，间距为1 000 mm；三重高压旋喷桩桩径800 mm，间距550 mm。坡脚钻孔灌注桩兼做车站4号出入口结构的围护结构，由于4号出入口结构线尚未确定，先期仅施作土钉及挂网喷射混凝土对边坡进行加固，坡脚钻孔灌注桩及旋喷桩待4号出入口边线确定后施作。

3.2 边坡加固措施的可行性

考虑土钉+挂网喷射混凝土对边坡进行加固(由于车站主体基坑开挖过程中为施作钻孔灌注隔断桩，数值模型中不考虑隔断桩的作用)，土钉采用Cable单元进行模拟，挂网喷射混凝土采用Shell单元模拟，建立基坑开挖数值模型，分析加固后基坑开挖对边坡的影响。图7为加固后基坑开挖完成后土体的应力状态云图，对比图5、7可发现，边坡坡面加固后基坑开挖对边坡塑性区的影响减小，塑性区在削坡后并未随基坑开挖进一步扩展，说明坡面加固措施是有效的。