主动区溶洞对桩锚支护基坑稳定性的影响

李金奎，高家宁

(1. 大连大学建筑工程学院，大连 116622； 2. 大连市隧道与地下工程中心，大连 116622)

随着中国城市化建设进程的推进和科学技术的发展，人们对地下空间工程建设的规模越来越大，使得基坑支护成为地下工程建设中的重点和难点。在众多基坑支护形式中： 桩描支护是目前最常见的支护形式。在影响桩锚结构变形的众多因素中，岩溶不良地质对其影响不可小觑，如果处理不当，将会导致漏浆、涌水、溶洞顶板坍塌、桩基裸露、地面塌陷等严重工程事故。所以，很多专家学者对处理类似岩溶问题上做了大量的研究。刘鸿[1]针对富水区隧道工程水压衬砌的稳定性问题，提出了“荷载-结构”的力学模型，并结合实际工程地质条件推导了“走向型”和“斜交型”两类溶洞的体积计算公式，然后通过数值模拟对变水压下隧道力学响应特点进行了分析。王志鹏等[2]针对高密度电法在实际勘探中遇到的困难，结合实际地质概况分别建立了充水、充泥和未充填三种类型的溶洞模型并对其地电响应特征进行了对比，最后通过与数值模拟结果的对比分析，解释了在勘探时溶洞产生异常特征的原因。徐海清等[3]以武汉地铁六号线为工程背景，研究了隧道穿越岩溶地质导致的沙漏型岩溶地面塌陷的计算模型，并提出了加固处理措施。李金良等[4]通过建立不同溶洞顶板厚度的ABAQUS数值模型，对单桩承载特性进行数值模拟分析，并对桩侧与桩端的荷载传递规律进行了探究。张建同等[5]利用数值模拟分析方法建立岩溶地基、基础以及上部结构同时作用的有限元模型，得出溶洞的应力、应变、位移变化规律以及桩基础的受力性能。张永杰等[6]根据岩溶顶板不同的假设条件分别将其简化为合理的受力模型，并推导出各类模型的溶洞顶板最小安全厚度的计算公式，最后揭示了溶洞矢高对顶板最小安全厚度影响的变化规律。赵明华等[7]以Mindlin解为基础求出在桩端集中荷载作用下半无限空间范围内的地层应力，然后利用复变函数求出在重力作用下含有溶洞的地层应力，最后将所求得的两种地层应力进行叠加，得到含有溶洞的地层在桩端集中荷载作用下的应力表达式。

就目前来看，大多数专家学者对岩溶区桥梁桩基稳定性和隧道施工稳定性研究较多，而关于溶洞对深基坑稳定性影响的研究较少。虽然黄俊光等[8]利用已完成支护桩揭露的实际地质状况去修正地勘察中溶洞的分布状况，通过注浆率的大小判断出锚索穿过的溶洞的大小及其位置，进而可以调整支护桩和锚索参数，实现了桩锚基坑支护在岩溶地区的动态设计；江杰等[9]运用Midas-GTS软件分析了基坑开挖时不同位置和大小溶洞对其产生的影响，并通过分析桩体内力和位移以及土体最大隆起和沉降位移的变化规律，提出了不同溶洞的处理原则；王孝宾等[10]运用FLAC3D对处于基坑不同位置的溶洞进行了数值分析，得出了桩体位移及地表沉降的变化规律，然后通过单元安全状态评价指标评价了溶洞处于基坑不同位置时周围的土体状态。但他们没有详细分析主动区不同大小、不同位置溶洞对桩锚支护深基坑稳定性的影响，且未考虑主动区溶洞和最危险滑移面的综合作用的不利影响。

由于主动区溶洞和最危险滑移面综合作用可能会给基坑稳定性造成较大影响，且前人专家学者对其鲜有研究，故现在已有研究的基础上，依据实际工程地质情况，首先运用有限差分软件FLAC3D模拟出没有溶洞时基坑最危险滑移面的位置，然后再分别模拟主动区不同位置、不同大小的溶洞对深基坑稳定性的影响，最后提出主动区溶洞的处理方法，对解决类似岩溶地区桩锚支护深基坑工程问题具有重要参考意义。

1 基坑概况

地质情况依据大连某地铁车站深基坑工程，该区间上覆土层为松散-稍密状杂填土、素填土、黏土、全风化石灰岩，下伏碎块状强风化石灰岩和柱状中风化石灰岩，岩体节理裂隙及溶蚀裂隙较发育，岩体较完整，地下水为岩溶水，岩溶水主要赋存于中风化岩层裂隙及溶隙中，岩溶水水量较小，简化土(岩)层及其具体物理参数如表 1所示。

表 1 岩层的物理力学指标Table1 Physical and mechanical indicators of rock formations

石灰岩为可溶岩，岩溶为本场地不良地质作用。本次勘察18个钻孔均揭露石灰岩，其中有9个孔发现有溶洞，溶洞发育不规律，揭露洞高0.30～5.60m，揭露洞顶埋深3.40～36.4m，揭露洞顶标高-10.50～28.80m，揭露洞底标高-11.50～25.65m，场地可溶岩区钻孔见洞隙率为50%，线岩溶率为6.7%，该工点岩溶发育等级为强烈发育，填充型溶洞填充物有黏土、全风化石灰岩、强风化石灰岩、角砾、碎石等。根据大连某地铁车站不良地质体地质雷达检测报告[11]，在钻孔ZX-D246断面上，距基坑壁水平距离5.5～7.9m，深度方向-15.1～-12.5m范围为溶洞。为了研究方便，在数值模拟中，将溶洞假设为规则的空心立方体。

该基坑宽22m，基坑深度28m，采用桩锚结构进行基坑支护，排桩的长度36m，直径为0.8m，桩心距为1.6m、嵌固部分的深度为8m；冠梁、腰梁截面尺寸均为0.8m×0.8m，冠梁顶部标高为±0；锚索为3束1×7的公称直径为15.2mm的钢绞线，长度l从上到下依次为30、28、26、24、22、20、18、16m，锚索与水平夹角为15°，上下两排锚杆竖直间距为3m，基坑支护断面图如图 1所示。

图 1 基坑支护断面图Fig.1 Section view of foundation pit support

2 基坑最危险滑移面位置数值模拟

2.1 数值模型的建立

利用FLAC3D软件进行数值模拟分析。根据基坑的对称性，取基坑的右半侧为研究对象建立数值模型，模型长度约为3倍基坑宽度，模型宽度取一个桩中心间距宽度为1.6m，模型高度约为基坑深度的3倍，整个模型大小为60m×1.6m×80m。模型加密区x和z方向以0.5m为单位进行网格划分，y方向以0.8m为单位进行网格划分，非加密区x和z方向以2m为单位进行网格划分，y方向以1.6m为单位进行网格划分，共14200个单元，22583个节点。本构模型选择为摩尔-库伦模型。在x方向上的左右两边界固定x方向的位移，在y方向上的前后两边界固定y方向的位移，z方向下边界x、y、z方向的位移全部固定，上边界为自由边界。

2.2 最危险滑移面位置的确定

为了正确评价溶洞对软岩深基坑边坡稳定性的影响，合理确定基坑支护中预应力锚杆设计参数，准确确定基坑边坡最危险滑移面的位置是十分重要的。通常认为，基坑最危险滑移面的剪出口位于坡脚位置，但受地层条件、锚固作用等因素的影响，剪出口并不一定出现在坡脚位置。对于岩体边坡最危险滑移面的位置常常取决于岩体中强度弱面的分布，即取决于结构面和临空面的组合形式。但由于类似于本地层这种软岩结构的复杂性，其最危险滑裂面的确定尚无具体算法[12]。就目前对基坑滑移面的研究来看，大多都是根据未施加预应力时锚杆的受力特点来确定滑移面位置[13]。为了更加直观地表征最危险滑移面的位置，用锚杆未施加预应力时基坑模型的水平位移云图和最大剪应变增量云图显示最危险滑移面的位置及其形状。

图 2 基坑水平位移云图Fig.2 Horizontal displacement cloud map of foundation pit

依据上述数值模型，先不考虑溶洞的影响，对基坑进行分层开挖，边开挖边支护，每次开挖3.5m，最后一次开挖4m，基坑开挖支护完成后基坑水平位移云图如图 2所示。由图2可知，在绿色区域范围内，基坑最大水平位移已达30mm，而在红色区域范围内，基坑最大水平位移只有5mm，这是因为在基坑开挖过程中，在岩体分层处以及开挖分层处会出现多条潜在滑移面，当某个滑动面上的下滑力超过它的抗滑力时，此滑动面的稳定性遭到了破坏，形成了潜在的滑动土体，当对滑动土体的约束不足时，滑动土体就会沿着滑动面的切线方向产生斜向下的滑动位移，故滑移面上方的土体位移较大，而未发生滑移的土体位移则很小，此时位移突变的分界面即为基坑的最危险滑移面，剪出口在距基坑底8m处，也即强风化石灰岩与中风化石灰岩的分界线处。另外，由基坑最大剪应变增量云图(如图 3所示)同样可知，在距基坑底8m且与基坑内壁夹角大约45°方向的最大剪应变增量较大，此位置上的剪应力达到它的抗剪强度时易发生基坑滑移，此处也即为基坑最危险滑移面。

图 3 最大剪应变增量云图Fig.3 Maximum shear strain increment cloud map

3 主动区溶洞对基坑稳定性影响数值模拟

采用上述数值模型进行数值模拟，溶洞截面形状简化为正方形，溶洞填充情况简化为无填充，溶洞边长分别取D为1、2、3、4m，溶洞与基坑侧边间距分别取L为2、4、6、8、10m，溶洞中心埋深取H为10、12、14、16、18m，溶洞分布位置如图 4所示。

图 4 溶洞位置示意图Fig.4 Sketch map of karst cave location

3.1 溶洞位置对基坑稳定性影响结果分析

主要分析溶洞边长D为3m时，溶洞中心埋深H从10m增大到18m、溶洞与基坑边间距L从2m增大到10m时支护桩最大水平位移和弯矩、锚索最大轴力以及地表最大沉降位移的变化规律。

3.1.1 支护桩水平位移的分析

支护桩最大水平位移的变化如图 5所示。

图 5 桩体最大水平位移变化情况Fig.5 Changes in the maximum horizontal displacement of the pile

由图5可知，对于每一个溶洞埋深，桩体最大水平位移值都不在同一个侧边距上，它们的坐标分别为(4，18)(溶洞与基坑侧边间距，溶洞中心埋深)、(6，16)、(8，14)、(10，12)m，可见，随着溶洞中心埋深的减小，桩体最大水平位移值的位置也以2m的侧边距有规律地右移，且都发生在溶洞位于基坑最危险滑移面上时，所以可以得出结论：最危险滑移面上的溶洞对桩体水平位移影响最大。另外，当侧边距一定时，溶洞埋深越大，桩体最大水平位移就越大，这是因为埋深越大越接近最危险滑移面底部，其上部土体的下滑力就越大，越容易引起滑移体的滑移，造成桩体水平位移较大，而且靠近剪出口的溶洞对桩体水平位移影响最大，最大位移为41mm，是没有溶洞时桩体最大水平位移的10倍，可见最危险滑移面上的溶洞对桩体水平位移的影响显著。

3.1.2 支护桩弯矩的分析

支护桩最大弯矩的变化如图 6所示。

图 6 支护桩最大弯矩变化情况Fig.6 Change of maximum bending moment of supporting pile

由图6可知，桩体最大弯矩的变化规律和桩体最大水平位移的变化规律类似，随着溶洞中心埋深的减小，桩体最大弯矩值的位置也以2m的侧边距有规律地右移，且都发生在溶洞位于基坑最危险滑移面上时；另外，当侧边距一定时，溶洞埋深越大，桩体最大弯矩就越大，而且靠近剪出口的溶洞对桩体弯矩影响最大，最大弯矩为455kN·m，是没有溶洞时桩体最大弯矩的5倍，可见最危险滑移面上的溶洞对桩体弯矩的影响显著。

3.1.3 锚索轴力的分析

锚索最大轴力的变化如图 7所示。

图 7 锚索最大轴力变化情况Fig.7 Maximum axial force change of anchor cable

由图7可知，锚索最大轴力的变化规律同桩体最大弯矩和最大水平位移的变化规律类似，随着溶洞中心埋深的减小，锚索最大轴力的位置也以2m的侧边距有规律地右移，且都发生在溶洞位于基坑最危险滑移面上时；另外，当侧边距一定时，溶洞埋深越大，锚索轴力就越大，而且靠近剪出口的溶洞对锚索轴力影响最大，最大轴力为350kN，是没有溶洞时锚索最大轴力的2倍，可见最危险滑移面上的溶洞对锚索轴力的影响显著。

3.1.4 地表沉降位移的分析

地表最大沉降位移的变化如图 8所示。

图 8 地表最大沉降位移变化情况Fig.8 Change of maximum surface settlement and displacement

由图8可知，地表最大沉降规律同桩体最大弯矩、桩体最大水平位移以及锚索最大轴力的变化规律类似，随着溶洞中心埋深的减小，地表最大沉降值的位置也以2m的侧边距有规律的右移，且都发生在溶洞位于基坑最危险滑移面上时；另外，当侧边距一定时，溶洞埋深越大，地表最大沉降就越大，而且靠近剪出口的溶洞对地表沉降影响最大，最大沉降为64mm，而没有溶洞时地表最大沉降几乎为0，可见最危险滑移面上的溶洞对地表沉降的影响显著。

3.2 溶洞大小对基坑稳定性影响结果分析

主要分析溶洞中心埋深H为14m时，溶洞边长D从1m增大到4m、溶洞与基坑边间距L从2m增大到10m时支护桩最大水平位移和弯矩、锚索最大轴力以及地表最大沉降位移的变化规律。

3.2.1 支护桩水平位移的分析

支护桩最大水平位移的变化如图 9所示。

图 9 桩体最大水平位移变化情况Fig.9 Changes in the maximum horizontal displacement of the pile

由图 9 可看出，对于不同溶洞大小，都是在与基坑间距8m的地方引起的桩体位移最大，也即溶洞位于最危险滑移面上时引起的桩体位移最大，而越远离最危险滑移面位移逐渐减小；在侧边距一定时，溶洞越大，桩体最大水平位移越大，当D<2m时，溶洞对桩体位移影响不大，当D≥2m时，溶洞每增加1m，最危险滑移面上溶洞引起的桩体最大水平位移值将成倍增大，当溶洞边长为4m时，最大位移已达54mm，是没有溶洞时的14倍，可见最危险滑移面上的溶洞大小对桩体水平位移的影响显著。

3.2.2 支护桩弯矩的分析

支护桩最大弯矩的变化如图 10所示。

图 10 支护桩最大弯矩变化情况Fig.10 Change of maximum bending moment of supporting pile

由图10可看出，对于不同溶洞大小，都是在与基坑间距8m的地方引起的桩体弯矩最大，也即溶洞位于最危险滑移面上时引起的桩体弯矩最大，越远离最危险滑移面弯矩逐渐减小；在侧边距一定时，溶洞越大，桩体最大弯矩越大，当D<2m时，溶洞对桩体弯矩影响不大，当D≥2m时，溶洞每增加1m，最危险滑移面上溶洞引起的桩体最大弯矩值将成倍增大，当溶洞边长为4m时，最大弯矩值已达639kN·m，是没有溶洞时的7倍，可见最危险滑移面上的溶洞大小对桩体弯矩的影响显著。

3.2.3 锚索轴力的分析

锚索最大轴力的变化如图 11所示。

图 11 锚索最大轴力变化情况Fig.11 Maximum axial force change of anchor cable

由图11可看出，对于不同溶洞大小，都是在与基坑间距8m的地方引起的锚索轴力最大，也即溶洞位于最危险滑移面上时引起的锚索轴力最大，越远离最危险滑移面位移逐渐减小；在侧边距一定时，溶洞越大，锚索最大轴力越大，当D<2m时，溶洞对桩体位移影响不大，当D≥2m时，溶洞每增加1m，最危险滑移面上溶洞引起的锚索最大轴力值将成倍增大，当溶洞边长为4m时，最大轴力已达395kN，比没有溶洞时增大了227kN，可见最危险滑移面上的溶洞大小对锚索轴力的影响显著。

3.2.4 地表沉降位移的分析

地表最大沉降位移的变化如图 12所示。

图 12 地表最大沉降位移变化情况Fig.12 Change of maximum surface settlement and displacement

由图12可看出，对于不同溶洞大小，都是在与基坑间距6m的地方引起的地表沉降最大，也即溶洞位于最危险滑移面上时引起的地表沉降最大，越远离最危险滑移面地表沉降逐渐减小；在侧边距一定时，溶洞越大，地表沉降越大，当D<2m时，溶洞对地表沉降影响不大，当D≥2m时，溶洞每增加1m，最危险滑移面上溶洞引起的地表最大沉降将成倍增大，当溶洞边长为4m时，最大沉降已达115mm，而没有溶洞时地表沉降几乎为0，可见最危险滑移面上的溶洞大小对地表沉降的影响显著。

4 主动区溶洞的处理方法及效果

4.1 主动区溶洞的处理方法

由上述分析可知，当溶洞边长D≥2m时，位于最危险滑移面上溶洞对基坑稳定性影响较大，需要对最危险滑移面及其附近的溶洞进行处理，而一般的处理方法都是对溶洞进行注浆填充，这样不仅施工复杂，而且还会增加很大经费。由于最危险滑移面的存在使得溶洞对基坑稳定性影响很大，所以可以考虑改变最危险滑移面的状态，从而间接地减弱溶洞对基坑稳定性的影响。在桩锚支护结构中，滑移体之所以能够保持稳定的主要原因是因为锚索的锚固作用以及桩身的阻挡作用使得土体之间围压增大，根据莫尔-库仑准则[14]有

(1)

式(1)中：c为黏聚力；φ为内摩擦角； 抗剪强度σ1-σ3与围压σ3之间为线性关系，且土体的抗剪强度随着围压σ3的增大而不断增大。给锚索施加预应力，可以使排桩的变形减小，从而对内部土体起到一定的挤压效果，也即可以使土体的围压增大，使土体颗粒之间咬合力增加，土体的抗剪强度也随之增大，故可以通过增大锚索预应力的方式来达到对主动区溶洞处理的效果。取预应力为150～330kN进行研究，每次增加20kN，溶洞边长D为3m、溶洞中心埋深H为14m、溶洞与基坑边间距L从2m增大到10m时支护桩最大水平位移的变化规律如图 13所示。

图 13 锚索预应力对桩体最大水平位移的影响Fig.13 The influence of anchor cable prestress on the maximum horizontal displacement of pile

由图13可知，当预应力从150kN增大到330kN时，不同位置溶洞引起的桩体最大水平位移的变化规律基本类似，最大值都发生在溶洞与基坑侧边间距8m处，可见增大预应力只会改变最危险滑移面上应力的大小，并不会改变最危险滑移面的位置；当溶洞侧边距一定时，桩体最大水平位移值随着预应力的增大逐渐减小，当侧边距为8m、预应力从150kN增大到330kN时，桩体最大水平位移值从33mm减小到7mm，可见增大预应力对主动区溶洞的处理效果明显。但随着预应力的不断增加，对锚索锚固剂的强度以及张拉锚索时的施工难度都会不断增大，所以应该选择合适的预应力进行施加。由图可知，当预应力在150～250kN时，预应力的增加对桩体最大水平位移值的影响较大，当预应力大于250kN时，影响逐渐减小，当预应力大于310kN时，预应力的增加对桩体最大水平位移值的影响基本不变。由于此工程桩体最大水平位移预警值为30mm，当预应力为250kN时桩体最大水平位移为15mm，满足工程桩体变形控制标准，所以锚索预应力最终确定为250kN。

4.2 主动区溶洞的处理效果

选取钻孔ZX-D246断面为研究对象，根据地质雷达检测报告，在该断面上距基坑壁水平距离5.5～7.9m，深度方向-15.1～-12.5m范围为溶洞，根据数值模拟结果，对该断面的锚索施加250kN的预应力。为了评价增加锚索预应力后的加固效果，依据《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497—2019)的规定，选取该断面的监测项目为锚索轴力、桩顶水平位移、桩体深部水平位移和基坑周边地表沉降。锚索轴力监测是在第四排锚索锚头位置安装锚索测力计进行轴力监测，桩顶水平位移是用全站仪进行监测，桩体深部水平位移采用CX-3E型测斜仪以及配套PVC测斜管进行监测，基坑周边地表沉降在距基坑边缘10m范围内设置2排监测点，第一排距基坑边缘4m，第二排距离基坑边缘10m，用精密水准仪进行监测，基坑开挖到底且达到稳定时各监测项目的模拟值、监测值及其对应的预警值如表 2 所示。

表 2 各监测项目模拟值、监测值和预警值Table2 Simulation value，monitoring value and early warning value of each monitoring item

由表2可知，锚索轴力、桩顶水平位移、桩体深部最大水平位移、基坑周边最大地表沉降的监测值分别为285.75kN、5.29mm、16.94mm、19.15mm，由于基坑开挖还受其他因素影响，监测结果略大于数值模拟结果，但均小于其预警值，说明增大锚索预应力的方法可以达到对主动区溶洞处理的效果。

5 结论

依据以上数值结果分析，可得到以下结论。

(1)受地层条件因素的影响，最危险滑移面的剪出口并没有出现在坡脚位置，而是出现在强风化石灰岩与中风化石灰岩的分界线处，最危险滑移面为与基坑内壁夹角大约45°方向的弧形面。

(2)在同一溶洞中心埋深下，最危险滑移面上的溶洞对基坑稳定性影响最大，且越靠近最危险滑移面的溶洞对基坑稳定性影响越大；当溶洞中心埋深不同但都在最危险滑移面上时，埋深越深的溶洞对基坑稳定性影响越大，且靠近剪出口的溶洞对基坑稳定性影响最大。

(3)在同一溶洞中心埋深下，对于不同溶洞大小，都是在溶洞位于最危险滑移面上时对基坑稳定性影响最大，越远离最危险滑移面对基坑稳定性影响逐渐减小；当溶洞边长D<2m时，溶洞对基坑稳定性影响不大，当溶洞边长D≥2m时，溶洞每增加1m，对基坑稳定性影响将成倍增大，当溶洞边长达到4m时，基坑基本处于失稳状态。

(4)通过增大锚索预应力可以改变最危险滑移面上的应力状态，从而可以间接减弱溶洞对基坑稳定性的影响，当预应力增大到一定值时，对基坑稳定性影响变得很小，预应力选择250kN满足工程桩体变形控制标准，且可以达到对主动区溶洞处理的效果。