主動區溶洞對樁錨支護基坑穩定性的影響

李金奎，高家寧

(1. 大連大學建筑工程學院，大連 116622； 2. 大連市隧道與地下工程中心，大連 116622)

隨著中國城市化建設進程的推進和科學技術的發展，人們對地下空間工程建設的規模越來越大，使得基坑支護成為地下工程建設中的重點和難點。在眾多基坑支護形式中： 樁描支護是目前最常見的支護形式。在影響樁錨結構變形的眾多因素中，巖溶不良地質對其影響不可小覷，如果處理不當，將會導致漏漿、涌水、溶洞頂板坍塌、樁基裸露、地面塌陷等嚴重工程事故。所以，很多專家學者對處理類似巖溶問題上做了大量的研究。劉鴻[1]針對富水區隧道工程水壓襯砌的穩定性問題，提出了“荷載-結構”的力學模型，并結合實際工程地質條件推導了“走向型”和“斜交型”兩類溶洞的體積計算公式，然后通過數值模擬對變水壓下隧道力學響應特點進行了分析。王志鵬等[2]針對高密度電法在實際勘探中遇到的困難，結合實際地質概況分別建立了充水、充泥和未充填三種類型的溶洞模型并對其地電響應特征進行了對比，最后通過與數值模擬結果的對比分析，解釋了在勘探時溶洞產生異常特征的原因。徐海清等[3]以武漢地鐵六號線為工程背景，研究了隧道穿越巖溶地質導致的沙漏型巖溶地面塌陷的計算模型，并提出了加固處理措施。李金良等[4]通過建立不同溶洞頂板厚度的ABAQUS數值模型，對單樁承載特性進行數值模擬分析，并對樁側與樁端的荷載傳遞規律進行了探究。張建同等[5]利用數值模擬分析方法建立巖溶地基、基礎以及上部結構同時作用的有限元模型，得出溶洞的應力、應變、位移變化規律以及樁基礎的受力性能。張永杰等[6]根據巖溶頂板不同的假設條件分別將其簡化為合理的受力模型，并推導出各類模型的溶洞頂板最小安全厚度的計算公式，最后揭示了溶洞矢高對頂板最小安全厚度影響的變化規律。趙明華等[7]以Mindlin解為基礎求出在樁端集中荷載作用下半無限空間范圍內的地層應力，然后利用復變函數求出在重力作用下含有溶洞的地層應力，最后將所求得的兩種地層應力進行疊加，得到含有溶洞的地層在樁端集中荷載作用下的應力表達式。

就目前來看，大多數專家學者對巖溶區橋梁樁基穩定性和隧道施工穩定性研究較多，而關于溶洞對深基坑穩定性影響的研究較少。雖然黃俊光等[8]利用已完成支護樁揭露的實際地質狀況去修正地勘察中溶洞的分布狀況，通過注漿率的大小判斷出錨索穿過的溶洞的大小及其位置，進而可以調整支護樁和錨索參數，實現了樁錨基坑支護在巖溶地區的動態設計；江杰等[9]運用Midas-GTS軟件分析了基坑開挖時不同位置和大小溶洞對其產生的影響，并通過分析樁體內力和位移以及土體最大隆起和沉降位移的變化規律，提出了不同溶洞的處理原則；王孝賓等[10]運用FLAC3D對處于基坑不同位置的溶洞進行了數值分析，得出了樁體位移及地表沉降的變化規律，然后通過單元安全狀態評價指標評價了溶洞處于基坑不同位置時周圍的土體狀態。但他們沒有詳細分析主動區不同大小、不同位置溶洞對樁錨支護深基坑穩定性的影響，且未考慮主動區溶洞和最危險滑移面的綜合作用的不利影響。

由于主動區溶洞和最危險滑移面綜合作用可能會給基坑穩定性造成較大影響，且前人專家學者對其鮮有研究，故現在已有研究的基礎上，依據實際工程地質情況，首先運用有限差分軟件FLAC3D模擬出沒有溶洞時基坑最危險滑移面的位置，然后再分別模擬主動區不同位置、不同大小的溶洞對深基坑穩定性的影響，最后提出主動區溶洞的處理方法，對解決類似巖溶地區樁錨支護深基坑工程問題具有重要參考意義。

1 基坑概況

地質情況依據大連某地鐵車站深基坑工程，該區間上覆土層為松散-稍密狀雜填土、素填土、黏土、全風化石灰巖，下伏碎塊狀強風化石灰巖和柱狀中風化石灰巖，巖體節理裂隙及溶蝕裂隙較發育，巖體較完整，地下水為巖溶水，巖溶水主要賦存于中風化巖層裂隙及溶隙中，巖溶水水量較小，簡化土(巖)層及其具體物理參數如表 1所示。

表 1 巖層的物理力學指標Table1 Physical and mechanical indicators of rock formations

石灰巖為可溶巖，巖溶為本場地不良地質作用。本次勘察18個鉆孔均揭露石灰巖，其中有9個孔發現有溶洞，溶洞發育不規律，揭露洞高0.30～5.60m，揭露洞頂埋深3.40～36.4m，揭露洞頂標高-10.50～28.80m，揭露洞底標高-11.50～25.65m，場地可溶巖區鉆孔見洞隙率為50%，線巖溶率為6.7%，該工點巖溶發育等級為強烈發育，填充型溶洞填充物有黏土、全風化石灰巖、強風化石灰巖、角礫、碎石等。根據大連某地鐵車站不良地質體地質雷達檢測報告[11]，在鉆孔ZX-D246斷面上，距基坑壁水平距離5.5～7.9m，深度方向-15.1～-12.5m范圍為溶洞。為了研究方便，在數值模擬中，將溶洞假設為規則的空心立方體。

該基坑寬22m，基坑深度28m，采用樁錨結構進行基坑支護，排樁的長度36m，直徑為0.8m，樁心距為1.6m、嵌固部分的深度為8m；冠梁、腰梁截面尺寸均為0.8m×0.8m，冠梁頂部標高為±0；錨索為3束1×7的公稱直徑為15.2mm的鋼絞線，長度l從上到下依次為30、28、26、24、22、20、18、16m，錨索與水平夾角為15°，上下兩排錨桿豎直間距為3m，基坑支護斷面圖如圖 1所示。

圖 1 基坑支護斷面圖Fig.1 Section view of foundation pit support

2 基坑最危險滑移面位置數值模擬

2.1 數值模型的建立

利用FLAC3D軟件進行數值模擬分析。根據基坑的對稱性，取基坑的右半側為研究對象建立數值模型，模型長度約為3倍基坑寬度，模型寬度取一個樁中心間距寬度為1.6m，模型高度約為基坑深度的3倍，整個模型大小為60m×1.6m×80m。模型加密區x和z方向以0.5m為單位進行網格劃分，y方向以0.8m為單位進行網格劃分，非加密區x和z方向以2m為單位進行網格劃分，y方向以1.6m為單位進行網格劃分，共14200個單元，22583個節點。本構模型選擇為摩爾-庫倫模型。在x方向上的左右兩邊界固定x方向的位移，在y方向上的前后兩邊界固定y方向的位移，z方向下邊界x、y、z方向的位移全部固定，上邊界為自由邊界。

2.2 最危險滑移面位置的確定

為了正確評價溶洞對軟巖深基坑邊坡穩定性的影響，合理確定基坑支護中預應力錨桿設計參數，準確確定基坑邊坡最危險滑移面的位置是十分重要的。通常認為，基坑最危險滑移面的剪出口位于坡腳位置，但受地層條件、錨固作用等因素的影響，剪出口并不一定出現在坡腳位置。對于巖體邊坡最危險滑移面的位置常常取決于巖體中強度弱面的分布，即取決于結構面和臨空面的組合形式。但由于類似于本地層這種軟巖結構的復雜性，其最危險滑裂面的確定尚無具體算法[12]。就目前對基坑滑移面的研究來看，大多都是根據未施加預應力時錨桿的受力特點來確定滑移面位置[13]。為了更加直觀地表征最危險滑移面的位置，用錨桿未施加預應力時基坑模型的水平位移云圖和最大剪應變增量云圖顯示最危險滑移面的位置及其形狀。

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

依據上述數值模型，先不考慮溶洞的影響，對基坑進行分層開挖，邊開挖邊支護，每次開挖3.5m，最后一次開挖4m，基坑開挖支護完成后基坑水平位移云圖如圖 2所示。由圖2可知，在綠色區域范圍內，基坑最大水平位移已達30mm，而在紅色區域范圍內，基坑最大水平位移只有5mm，這是因為在基坑開挖過程中，在巖體分層處以及開挖分層處會出現多條潛在滑移面，當某個滑動面上的下滑力超過它的抗滑力時，此滑動面的穩定性遭到了破壞，形成了潛在的滑動土體，當對滑動土體的約束不足時，滑動土體就會沿著滑動面的切線方向產生斜向下的滑動位移，故滑移面上方的土體位移較大，而未發生滑移的土體位移則很小，此時位移突變的分界面即為基坑的最危險滑移面，剪出口在距基坑底8m處，也即強風化石灰巖與中風化石灰巖的分界線處。另外，由基坑最大剪應變增量云圖(如圖 3所示)同樣可知，在距基坑底8m且與基坑內壁夾角大約45°方向的最大剪應變增量較大，此位置上的剪應力達到它的抗剪強度時易發生基坑滑移，此處也即為基坑最危險滑移面。

圖 3 最大剪應變增量云圖Fig.3 Maximum shear strain increment cloud map

3 主動區溶洞對基坑穩定性影響數值模擬

采用上述數值模型進行數值模擬，溶洞截面形狀簡化為正方形，溶洞填充情況簡化為無填充，溶洞邊長分別取D為1、2、3、4m，溶洞與基坑側邊間距分別取L為2、4、6、8、10m，溶洞中心埋深取H為10、12、14、16、18m，溶洞分布位置如圖 4所示。

圖 4 溶洞位置示意圖Fig.4 Sketch map of karst cave location

3.1 溶洞位置對基坑穩定性影響結果分析

主要分析溶洞邊長D為3m時，溶洞中心埋深H從10m增大到18m、溶洞與基坑邊間距L從2m增大到10m時支護樁最大水平位移和彎矩、錨索最大軸力以及地表最大沉降位移的變化規律。

3.1.1 支護樁水平位移的分析

支護樁最大水平位移的變化如圖 5所示。

圖 5 樁體最大水平位移變化情況Fig.5 Changes in the maximum horizontal displacement of the pile

由圖5可知，對于每一個溶洞埋深，樁體最大水平位移值都不在同一個側邊距上，它們的坐標分別為(4，18)(溶洞與基坑側邊間距，溶洞中心埋深)、(6，16)、(8，14)、(10，12)m，可見，隨著溶洞中心埋深的減小，樁體最大水平位移值的位置也以2m的側邊距有規律地右移，且都發生在溶洞位于基坑最危險滑移面上時，所以可以得出結論：最危險滑移面上的溶洞對樁體水平位移影響最大。另外，當側邊距一定時，溶洞埋深越大，樁體最大水平位移就越大，這是因為埋深越大越接近最危險滑移面底部，其上部土體的下滑力就越大，越容易引起滑移體的滑移，造成樁體水平位移較大，而且靠近剪出口的溶洞對樁體水平位移影響最大，最大位移為41mm，是沒有溶洞時樁體最大水平位移的10倍，可見最危險滑移面上的溶洞對樁體水平位移的影響顯著。

3.1.2 支護樁彎矩的分析

支護樁最大彎矩的變化如圖 6所示。

圖 6 支護樁最大彎矩變化情況Fig.6 Change of maximum bending moment of supporting pile

由圖6可知，樁體最大彎矩的變化規律和樁體最大水平位移的變化規律類似，隨著溶洞中心埋深的減小，樁體最大彎矩值的位置也以2m的側邊距有規律地右移，且都發生在溶洞位于基坑最危險滑移面上時；另外，當側邊距一定時，溶洞埋深越大，樁體最大彎矩就越大，而且靠近剪出口的溶洞對樁體彎矩影響最大，最大彎矩為455kN·m，是沒有溶洞時樁體最大彎矩的5倍，可見最危險滑移面上的溶洞對樁體彎矩的影響顯著。

3.1.3 錨索軸力的分析

錨索最大軸力的變化如圖 7所示。

圖 7 錨索最大軸力變化情況Fig.7 Maximum axial force change of anchor cable

由圖7可知，錨索最大軸力的變化規律同樁體最大彎矩和最大水平位移的變化規律類似，隨著溶洞中心埋深的減小，錨索最大軸力的位置也以2m的側邊距有規律地右移，且都發生在溶洞位于基坑最危險滑移面上時；另外，當側邊距一定時，溶洞埋深越大，錨索軸力就越大，而且靠近剪出口的溶洞對錨索軸力影響最大，最大軸力為350kN，是沒有溶洞時錨索最大軸力的2倍，可見最危險滑移面上的溶洞對錨索軸力的影響顯著。

3.1.4 地表沉降位移的分析

地表最大沉降位移的變化如圖 8所示。

圖 8 地表最大沉降位移變化情況Fig.8 Change of maximum surface settlement and displacement

由圖8可知，地表最大沉降規律同樁體最大彎矩、樁體最大水平位移以及錨索最大軸力的變化規律類似，隨著溶洞中心埋深的減小，地表最大沉降值的位置也以2m的側邊距有規律的右移，且都發生在溶洞位于基坑最危險滑移面上時；另外，當側邊距一定時，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對地表沉降影響最大，最大沉降為64mm，而沒有溶洞時地表最大沉降幾乎為0，可見最危險滑移面上的溶洞對地表沉降的影響顯著。

3.2 溶洞大小對基坑穩定性影響結果分析

主要分析溶洞中心埋深H為14m時，溶洞邊長D從1m增大到4m、溶洞與基坑邊間距L從2m增大到10m時支護樁最大水平位移和彎矩、錨索最大軸力以及地表最大沉降位移的變化規律。

3.2.1 支護樁水平位移的分析

支護樁最大水平位移的變化如圖 9所示。

圖 9 樁體最大水平位移變化情況Fig.9 Changes in the maximum horizontal displacement of the pile

由圖 9 可看出，對于不同溶洞大小，都是在與基坑間距8m的地方引起的樁體位移最大，也即溶洞位于最危險滑移面上時引起的樁體位移最大，而越遠離最危險滑移面位移逐漸減小；在側邊距一定時，溶洞越大，樁體最大水平位移越大，當D<2m時，溶洞對樁體位移影響不大，當D≥2m時，溶洞每增加1m，最危險滑移面上溶洞引起的樁體最大水平位移值將成倍增大，當溶洞邊長為4m時，最大位移已達54mm，是沒有溶洞時的14倍，可見最危險滑移面上的溶洞大小對樁體水平位移的影響顯著。

3.2.2 支護樁彎矩的分析

支護樁最大彎矩的變化如圖 10所示。

圖 10 支護樁最大彎矩變化情況Fig.10 Change of maximum bending moment of supporting pile

由圖10可看出，對于不同溶洞大小，都是在與基坑間距8m的地方引起的樁體彎矩最大，也即溶洞位于最危險滑移面上時引起的樁體彎矩最大，越遠離最危險滑移面彎矩逐漸減小；在側邊距一定時，溶洞越大，樁體最大彎矩越大，當D<2m時，溶洞對樁體彎矩影響不大，當D≥2m時，溶洞每增加1m，最危險滑移面上溶洞引起的樁體最大彎矩值將成倍增大，當溶洞邊長為4m時，最大彎矩值已達639kN·m，是沒有溶洞時的7倍，可見最危險滑移面上的溶洞大小對樁體彎矩的影響顯著。

3.2.3 錨索軸力的分析

錨索最大軸力的變化如圖 11所示。

圖 11 錨索最大軸力變化情況Fig.11 Maximum axial force change of anchor cable

由圖11可看出，對于不同溶洞大小，都是在與基坑間距8m的地方引起的錨索軸力最大，也即溶洞位于最危險滑移面上時引起的錨索軸力最大，越遠離最危險滑移面位移逐漸減小；在側邊距一定時，溶洞越大，錨索最大軸力越大，當D<2m時，溶洞對樁體位移影響不大，當D≥2m時，溶洞每增加1m，最危險滑移面上溶洞引起的錨索最大軸力值將成倍增大，當溶洞邊長為4m時，最大軸力已達395kN，比沒有溶洞時增大了227kN，可見最危險滑移面上的溶洞大小對錨索軸力的影響顯著。

3.2.4 地表沉降位移的分析

地表最大沉降位移的變化如圖 12所示。

圖 12 地表最大沉降位移變化情況Fig.12 Change of maximum surface settlement and displacement

由圖12可看出，對于不同溶洞大小，都是在與基坑間距6m的地方引起的地表沉降最大，也即溶洞位于最危險滑移面上時引起的地表沉降最大，越遠離最危險滑移面地表沉降逐漸減小；在側邊距一定時，溶洞越大，地表沉降越大，當D<2m時，溶洞對地表沉降影響不大，當D≥2m時，溶洞每增加1m，最危險滑移面上溶洞引起的地表最大沉降將成倍增大，當溶洞邊長為4m時，最大沉降已達115mm，而沒有溶洞時地表沉降幾乎為0，可見最危險滑移面上的溶洞大小對地表沉降的影響顯著。

4 主動區溶洞的處理方法及效果

4.1 主動區溶洞的處理方法

由上述分析可知，當溶洞邊長D≥2m時，位于最危險滑移面上溶洞對基坑穩定性影響較大，需要對最危險滑移面及其附近的溶洞進行處理，而一般的處理方法都是對溶洞進行注漿填充，這樣不僅施工復雜，而且還會增加很大經費。由于最危險滑移面的存在使得溶洞對基坑穩定性影響很大，所以可以考慮改變最危險滑移面的狀態，從而間接地減弱溶洞對基坑穩定性的影響。在樁錨支護結構中，滑移體之所以能夠保持穩定的主要原因是因為錨索的錨固作用以及樁身的阻擋作用使得土體之間圍壓增大，根據莫爾-庫侖準則[14]有

(1)

式(1)中：c為黏聚力；φ為內摩擦角； 抗剪強度σ1-σ3與圍壓σ3之間為線性關系，且土體的抗剪強度隨著圍壓σ3的增大而不斷增大。給錨索施加預應力，可以使排樁的變形減小，從而對內部土體起到一定的擠壓效果，也即可以使土體的圍壓增大，使土體顆粒之間咬合力增加，土體的抗剪強度也隨之增大，故可以通過增大錨索預應力的方式來達到對主動區溶洞處理的效果。取預應力為150～330kN進行研究，每次增加20kN，溶洞邊長D為3m、溶洞中心埋深H為14m、溶洞與基坑邊間距L從2m增大到10m時支護樁最大水平位移的變化規律如圖 13所示。

圖 13 錨索預應力對樁體最大水平位移的影響Fig.13 The influence of anchor cable prestress on the maximum horizontal displacement of pile

由圖13可知，當預應力從150kN增大到330kN時，不同位置溶洞引起的樁體最大水平位移的變化規律基本類似，最大值都發生在溶洞與基坑側邊間距8m處，可見增大預應力只會改變最危險滑移面上應力的大小，并不會改變最危險滑移面的位置；當溶洞側邊距一定時，樁體最大水平位移值隨著預應力的增大逐漸減小，當側邊距為8m、預應力從150kN增大到330kN時，樁體最大水平位移值從33mm減小到7mm，可見增大預應力對主動區溶洞的處理效果明顯。但隨著預應力的不斷增加，對錨索錨固劑的強度以及張拉錨索時的施工難度都會不斷增大，所以應該選擇合適的預應力進行施加。由圖可知，當預應力在150～250kN時，預應力的增加對樁體最大水平位移值的影響較大，當預應力大于250kN時，影響逐漸減小，當預應力大于310kN時，預應力的增加對樁體最大水平位移值的影響基本不變。由于此工程樁體最大水平位移預警值為30mm，當預應力為250kN時樁體最大水平位移為15mm，滿足工程樁體變形控制標準，所以錨索預應力最終確定為250kN。

4.2 主動區溶洞的處理效果

選取鉆孔ZX-D246斷面為研究對象，根據地質雷達檢測報告，在該斷面上距基坑壁水平距離5.5～7.9m，深度方向-15.1～-12.5m范圍為溶洞，根據數值模擬結果，對該斷面的錨索施加250kN的預應力。為了評價增加錨索預應力后的加固效果，依據《建筑基坑工程監測技術標準》(GB 50497—2019)的規定，選取該斷面的監測項目為錨索軸力、樁頂水平位移、樁體深部水平位移和基坑周邊地表沉降。錨索軸力監測是在第四排錨索錨頭位置安裝錨索測力計進行軸力監測，樁頂水平位移是用全站儀進行監測，樁體深部水平位移采用CX-3E型測斜儀以及配套PVC測斜管進行監測，基坑周邊地表沉降在距基坑邊緣10m范圍內設置2排監測點，第一排距基坑邊緣4m，第二排距離基坑邊緣10m，用精密水準儀進行監測，基坑開挖到底且達到穩定時各監測項目的模擬值、監測值及其對應的預警值如表 2 所示。

表 2 各監測項目模擬值、監測值和預警值Table2 Simulation value，monitoring value and early warning value of each monitoring item

由表2可知，錨索軸力、樁頂水平位移、樁體深部最大水平位移、基坑周邊最大地表沉降的監測值分別為285.75kN、5.29mm、16.94mm、19.15mm，由于基坑開挖還受其他因素影響，監測結果略大于數值模擬結果，但均小于其預警值，說明增大錨索預應力的方法可以達到對主動區溶洞處理的效果。

5 結論

依據以上數值結果分析，可得到以下結論。

(1)受地層條件因素的影響，最危險滑移面的剪出口并沒有出現在坡腳位置，而是出現在強風化石灰巖與中風化石灰巖的分界線處，最危險滑移面為與基坑內壁夾角大約45°方向的弧形面。

(2)在同一溶洞中心埋深下，最危險滑移面上的溶洞對基坑穩定性影響最大，且越靠近最危險滑移面的溶洞對基坑穩定性影響越大；當溶洞中心埋深不同但都在最危險滑移面上時，埋深越深的溶洞對基坑穩定性影響越大，且靠近剪出口的溶洞對基坑穩定性影響最大。

(3)在同一溶洞中心埋深下，對于不同溶洞大小，都是在溶洞位于最危險滑移面上時對基坑穩定性影響最大，越遠離最危險滑移面對基坑穩定性影響逐漸減小；當溶洞邊長D<2m時，溶洞對基坑穩定性影響不大，當溶洞邊長D≥2m時，溶洞每增加1m，對基坑穩定性影響將成倍增大，當溶洞邊長達到4m時，基坑基本處于失穩狀態。

(4)通過增大錨索預應力可以改變最危險滑移面上的應力狀態，從而可以間接減弱溶洞對基坑穩定性的影響，當預應力增大到一定值時，對基坑穩定性影響變得很小，預應力選擇250kN滿足工程樁體變形控制標準，且可以達到對主動區溶洞處理的效果。