不同深基坑支護參數對鄰近高邊坡穩定性的影響

王衛強,朱俊霖,閆帆,張紅印,余健宇

(1.中國鐵工投資建設集團有限公司，北京 101300；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；3.中鐵鐵工城市建設有限公司，山東 濟南 250101)

隨著中國城市化進程的加快，軌道交通事業也在飛速發展，地鐵作為城市軌道交通的重要一環，截至2021年12月30日，中國地鐵運營線路長度達到7 254 km.對于地鐵車站施工來說，深基坑開挖及支護技術因為其涉及的技術領域較多，受不同的地質條件影響較大，施工過程極其復雜，成為深基坑施工中的熱門工程問題[1-3].同時，由于用地緊張，停車場、變電所等地鐵相關配套設施的基坑工程可能鄰近周邊建筑或高大陡坡等特殊位置，從而導致深基坑開挖支護對鄰近高邊坡的穩定性產生較大影響.

雷用等[4]通過工程實例，研究了深基坑對既有超限高邊坡支擋結構的影響及對策；王國富等[5]以濟南地鐵項目為依托，通過建立多屬性決策模型，甄選出緊鄰高層建筑結構下基坑最優支護方案；王紅梅[6]采用有限元強度折減法計算巖質高邊坡最危險滑動面，并通過有限元模擬驗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定性的主要影響參數以及邊坡穩定對各參數的敏感性；黃詩淵等[8-11]對天然邊坡穩定性的影響因素進行了研究.胡小平[12]以湖南某地下室基坑項目為依托，研究了受鄰近深基坑開挖影響的既有邊坡加固方法.現有的研究成果主要針對邊坡的穩定性及基坑的整體穩定性進行分析，但對高陡邊坡坡腳深基坑開挖支護過程中不同支護參數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標段解放路66 kV主變電所深基坑項目為背景，運用有限元分析軟件進行數值模擬，研究不同支護參數，如圍護樁間距、圍護樁固嵌深度、錨索間距和錨索預應力等對鄰近高邊坡穩定性的影響，并與工程施工的現場監測數據進行比對，驗證模型的準確性.

1 工程概況

1.1 周邊環境

大連地鐵5號線是一條在建線路，全長23.8 km，設車站18座.地鐵5號線10標段解放路66 kV主變電所選址方案位于勞動公園南側，勝利東路東北側，老干部大學西側.變電所西北側為勝利東路高邊坡，高邊坡高約10 m，現存支護方式為擋土墻支護，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.

1.2 工程地質

該研究對象邊坡土質從上至下依次為素填土、全風化板巖、強風化板巖、中風化板巖和中風化石英巖，土層厚度依次為5 m、10 m、10 m、10 m、20 m.主變電站基坑土質從上至下為素填土、粉質黏土、中風化板巖和中風化石英巖，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，填土層的均勻性較差，欠固結，屬于軟弱地層.各土層物理力學參數見表1.

表1 各土層物理力學參數

1.3 基坑支護方案

基坑鄰近高邊坡段圍護結構剖立面見圖1.主變電所深基坑尺寸為60.2 m×41.1 m×18.4 m(長×寬×深).在本項工程設計方案中，深基坑支護形式為圍護樁+錨索結合的樁錨支護，圍護樁采用Φ1 200@1 700 mm的鉆孔灌漿結構，嵌固深度為5 m，圍護樁總埋深為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.錨索預應力為250 kN.

圖1 基坑鄰近高邊坡段圍護結構剖立面簡圖

高邊坡高度約為8 m，在現有的重力式擋土墻支護方式下，對擋土墻施加預應力錨索進行加固.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，錨索預應力為100 kN.

2 計算模型建立

2.1 模型建立及單元類型

擋土墻、圍護樁和錨索設置為彈性模型，擋土墻和圍護樁采用beam3單元，錨索采用link1單元.錨索自由端設置不受壓應力條件，錨索預應力通過設置link1單元的實常數施加，錨索與圍護樁之間為剛性連接.擋土墻、圍護樁和錨索與土體之間通過節點耦合連接.設計圍護結構參數見表2.

表2 支護結構參數表

考慮施工地點的地質和鄰近高邊坡等因素，選取模型100 m×55 m的區域建立二維計算模型.直角坐標系的XOZ面定為在距邊坡頂部-55 m處的基底底面，以模型左下角點為坐標原點，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向.實際土體兩側邊界具有豎向位移，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，模型兩側邊界對法向(X軸)進行約束，允許豎向(Y軸)位移，底部邊界X、Y方向全部約束.計算模型見圖2.

數值模擬過程主要研究不同支護參數對高邊坡水平位移和豎向位移的影響.

圖2 計算模型圖

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算土體初始自重應力場，然后將土體的位移和速度清零，再進行基坑開挖及支護的模擬.具體模擬步驟為：第一步，激活圍護樁單元；第二步，激活高邊坡既有擋土墻預應力錨索單元；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處施加第一排預應力錨索；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處施加預應力錨索.基坑開挖前已經進行了降水處理，故模擬時不考慮地下水影響.

3 不同支護參數對高邊坡穩定性影響

基坑開挖過程是開挖面上卸荷的過程，這種卸荷會引起坑內外土體初始應力狀態的改變.產生的主動土壓力會作用在圍護結構上，會導致其產生向基坑的側向移動變形，基坑地表也會產生相應的移動變形.比如基坑周圍存在邊坡，會導致邊坡產生變形、滑移甚至坍塌的可能.因此，基坑在開挖時需要進行一定的支護設計，防止周圍地表出現過大的變形情況，造成危險.

本文將對既有鄰近高邊坡深基坑開挖支護參數進行數值模擬，通過改變不同支護參數，研究其對鄰近高邊坡的變形影響，并與實測數據進行比較，驗證了模型的準確性，可為實際工程或類似工程提供建議.

將工程設計方案參數代入到數值計算模型中，求解得到深基坑鄰近高邊坡側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水平位移云圖

圖4 深基坑鄰近高邊坡側豎向位移云圖

3.1 圍護樁間距變化對高邊坡穩定性影響

為了研究深基坑開挖、圍護樁間距對鄰近高邊坡的變形影響，在保持其他支護參數條件為工程設計方案的情況下，分別對圍護樁間距1 200 mm、1 700 mm(工程設計方案)、2 200 mm和2 700 mm進行數值計算分析.在不同圍護樁間距的條件下，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 不同圍護樁間距下邊坡水平位移圖

圖6 不同圍護樁間距下邊坡豎向位移圖

根據圖5和圖6中實測值曲線可以看出，距圍護樁結構邊線越遠的高邊坡土體，水平位移越小；由于圍護樁結構的施加，使得高邊坡豎向位移在距離圍護樁結構16 m左右處最大.

通過與現場實測數據進行比對，采用工程設計方案數值計算出來的邊坡水平位移和豎向位移與實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，可以認為數值計算模型的參數選取是合理的，數值計算結果基本符合實際情況.

從圖5和圖6可以看出，隨著圍護樁間距的減小，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.

本項工程基坑監測控制值標準規定：高邊坡坡頂水平位移和豎向位移控制值均不能超過30 mm，預警值為控制值的70%，即21 mm.當圍護樁間距為2 700 mm時，高邊坡水平位移和豎向位移最大值分別為21.74 mm、20.46 mm，水平位移已超過預警值，故不能選擇此圍護樁間距作為施工方案.

當圍護樁間距為1 700 mm(工程設計方案)和2 200 mm時，高邊坡的水平位移和豎向位移都在預警值內，因此在滿足高邊坡結構穩定性的前提下，建議該項工程適當增加圍護樁間距，將設計方案1 700 mm改為2 200 mm，以減少工程投資.

3.2 圍護樁固嵌深度變化對高邊坡穩定性影響

分別取圍護樁固嵌深度3 m、5 m(工程設計方案)、7 m和10 m進行數值模擬，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 不同圍護樁固嵌深度下邊坡水平位移圖

圖8 不同圍護樁固嵌深度下邊坡豎向位移圖

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

從數值計算結果可以看出，當圍護樁固嵌深度為5 m時，能夠有效控制高邊坡位移變形在預警值內，因此工程設計方案是合理的.

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°(工程設計方案)、20°和35°進行數值模擬.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，當錨索傾角為35°時，高邊坡水平位移和豎向位移最大，分別為20.12 mm、22.12 mm.當錨索傾角為10°時，高邊坡水平位移最大為18.23 mm，豎向位移最大為19.74 mm，已經接近預警值.當傾角由10°增加到15°、20°時，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.根據上述數值計算結果可以看到，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°，錨索傾角過小會導致錨索錨固段進入潛在滑面以下的長度不足，影響錨固能力.而當錨索傾角增大時，錨索水平分力隨著錨索傾角的增大而減小，作用于支護結構上的垂直分力增加，可能造成支護結構和周圍地基發生過大的沉降，降低錨固效果.

實際工程中應充分考慮鄰近高邊坡基坑周圍土層結構和施工條件，合理設置錨索傾角.根據數值計算結果，本項工程將錨索傾角由設計方案15°優化為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.

3.4 錨索預應力變化對高邊坡的影響

分別改變錨索預應力為150 kN、200 kN、250 kN(工程設計方案)和300 kN進行數值模擬，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，錨索預應力為150 kN時，高邊坡水平位移和豎向位移最大，分別為20.37 mm、20.14 mm，均接近預警值；當錨索預應力為300 kN時，高邊坡水平位移和豎向位移最小，分別為10.78 mm、13.59 mm.隨著錨索預應力的增加，高邊坡變形呈現逐漸減小的趨勢，水平位移變化幅度為47.07%，豎向位移變化幅度為32.52%，增大錨索預應力對控制高邊坡變形非常有效.由于錨索預應力的改變對于工程投資影響很小，所以改變錨索的預應力是控制邊坡變形經濟實用的一種方式.

圖11 不同錨索預應力下邊坡水平位移圖

錨索的預應力不應設置太大，不能超過錨索的設計錨固力.過大的錨索預應力會使錨索錨固端與基巖產生滑移破壞，造成錨索失效.因此，通過與現場監測數據值進行對比，將錨索預應力設置在250 kN是合理的，既能將邊坡變形控制在預警值內，同時又不會對錨索錨固端產生破壞.

4 結論

運用有限元數值模擬軟件對大連地鐵5號線10標段解放路66 kV主變電所的深基坑開挖支護施工進行了數值模擬，分析了不同深基坑支護參數對既有鄰近高邊坡穩定性的影響.結論如下：

(1)減小圍護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38.63%，但是工程投資會相應增加.在滿足高邊坡結構穩定性的前提下，本項工程可以適當增加圍護樁間距，將設計方案1 700 mm改為2 200 mm，減少工程投資.

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

(3)錨索傾角大小對高邊坡穩定性影響顯著，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，但繼續增大到35°時，高邊坡位移增大.根據數值計算實驗結果，本工程將錨索傾角由設計方案15°優化為20°，能進一步提高鄰近高邊坡穩定性.

(4)錨索預應力由150 kN增加為300 kN時，高邊坡水平位移和豎向位移幅度達到47.07%和32.53%.改變錨索預應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定性，但是需要注意錨索預應力不宜太大，以免造成錨固結構損壞和失效.