不同開挖與支護方式下隧道洞口深基坑仰坡水平位移變形規律研究

韓苗苗

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 401121）

0 引言

基坑施工過程中仰坡的安全與穩定對于地鐵隧道建設至關重要。現場監測和數值模擬試驗是研究基坑工程的兩種重要手段[1-2]。學者們開發了考慮基坑開挖過程中地下水滲流和土體骨架變形耦合的三維有限元程序，可以分析基坑開挖過程中既有建筑物地基沉降和殘余變形間的相互關系，以及基坑周圍相鄰土體的垂直位移、水平位移等變形規律[3-6]。本文以城市軌道交通隧道洞口深基坑開挖與支護工程項目為背景，采用現場監測試驗與數值模擬試驗相互結合的方法，分析在不同開挖與支護方式下，深基坑仰坡水平位移變形規律，以期為類似基坑工程項目的施工提供參考。

1 數值模擬

1.1 數值模擬概況

根據重慶軌道交通9 號線中從區間隧道從巖寺站始發洞口深基坑的實際情況，采用FLAC3D 有限差分軟件，對始發洞口深基坑的開挖與支護建立三維數值模型。

為了減少邊界效應的影響，以及盡可能提高運算效率，根據相關基坑施工經驗，在本模型中，上部取至地表，基坑周圍取3 倍最大開挖深度，底部取2 倍最大開挖深度，即：Z 方向高度為46～95m；底部X 方向為111m，Y 方向為180m。模型共劃分63712 個單元，38340 個節點，邊界條件為：模型四周施加水平方向約束，底部施加豎向約束，地表為自由表面。數值計算模型如圖1所示。

圖1 數值模擬模型（單位：m）

1.2 數值模型驗證

噴錨支護情況下基坑分級分層開挖完成時仰坡水平位移云圖如圖2所示。

由圖2 可以看出，基坑開挖完成后，最大水平位移的位置集中在仰坡的一級坡最中間位置，最大水平位移量為13.331mm。為了證明該基坑開挖與支護數值模擬方法的可靠性，選擇深基坑南側仰坡坡頂和分級平臺中間位置的2 個監測點BPS4 與BPS10 為研究對象，將數值計算和實際監測結果對比分析，結果如圖3（a）和（b）所示。由圖3 可以看出，BPS4 監測點最終水平位移量的模擬結果和監測結果相差不大，模擬結果為6.96mm，監測結果為7.1mm，僅相差0.14mm；而BPS10 監測點最終水平位移量的模擬結果略大于監測值，模擬結果為7.44mm，監測結果為6.46mm，相差0.98mm。主要原因為地勘報告中基坑巖土層的物理力學參數存在一定的波動范圍，而在本計算模型中的參數均采用了平均值，導致數值計算結果和實際監測結果的最終水平位移量在數值上存在一定的誤差，但模擬結果和監測結果的變化規律基本一致，該計算模型基本可以反應基坑仰坡因開挖而引起的水平位移，從而證明了該基坑開挖與支護數值方法的有效性。

圖3 仰坡水平位移模擬結果與監測結果

2 影響因素試驗分析

2.1 試驗設計

在深基坑仰坡開挖與支護數值模擬試驗中，支護結構與開挖方式的不同均會影響仰坡水平位移變形規律。本文結合重慶軌道交通9 號線從巖寺站始發洞口深基坑仰坡開挖的實際施工工況，將開挖方式與支護結構作為主要影響因素，采用數值模擬方法進行研究。該工程中的深基坑仰坡開挖工程采用的是分級分層開挖和噴錨支護的施工方式，仰坡開挖層數為15 層，分為2 級。因此，本文從不支護、錨桿支護和噴錨支護3種情況下考慮分級分層開挖的影響，分析仰坡開挖引起的水平位移變形規律。

2.2 試驗結果對比分析

對表1中的9組數值計算結果進行統計分析，提取計算結果中基坑仰坡中線的坡頂、二級坡中點、分級平臺、一級坡中點和坡底5 處監測點的最終水平位移量，分別記為S1～S5。結果可知，分別在不支護、錨桿支護和噴錨支護情況下，不管采用哪種開挖方式，其最大水平位移量均集中在一級坡中點監測點附近。其中采用一次性開挖完成，并且不進行任何支護的情況下，一級坡中點處監測點的水平位移量最大，該測點的水平位移量達到了21.494mm；而采用分級分層開挖方式下，并同時進行噴錨支護時，一級坡中點處監測點水平位移量僅為12.075mm，水平位移量減少了43.82%。由此可知，采用分級分層開挖，同時進行噴錨支護的施工方式，極大地減少了深基坑仰坡的水平位移變形量，使仰坡開挖變形更加穩定，保證了施工安全，也證明了該工程所采用的開挖和支護方式是安全可靠的。

表1 數值模擬計算結果

為進一步分析深基坑仰坡在未支護、錨桿支護和噴錨支護3 種支護情況下，不同的開挖方式對仰坡水平位移的影響，選擇仰坡中心線坡頂至坡底各監測點的水平位移計算結果進行對比分析，分別如圖4（a）、（b）和（c）所示。由圖4 可知，不管是采用未支護、錨桿支護、還是噴錨支護，開挖方式的不同，均會一定程度影響仰坡水平位移變形量，而采用分級分層的開挖方式，對減少水平位移量有明顯效果。在未支護情況下，采用一次性開挖、分級開挖和分級分層開挖3 種開挖方式的最大水平位移量分別為：21.425mm、20.669mm和19.968mm；在錨桿支護情況下，3 種開挖方式的最大水平位移量分別為：18.927mm、18.679mm和18.420mm；在噴錨支護情況下，3種開挖方式的最大水平位移量分別為：14.009mm、13.233mm和12.462mm，采用分級分層開挖，噴錨支護的施工方式明顯更安全。

圖4 仰坡中心線水平位移

結合圖4 中9 組數值試驗計算結果分析可知，最大水平位移的位置均集中在一級坡中點附近，即TBM 地鐵隧道始發洞口所在位置附近，考慮到該位置對后期施工的重要作用，在實際施工過程中，還采用了大管棚超前支護，以進一步保證仰坡的安全與穩定，減少后續TBM施工對深基坑仰坡的影響。

3 結束語

本文以重慶軌道9 號線TBM 地鐵隧道洞口深基坑為背景，對深基坑仰坡在不同開挖方式和支護形式下的施工建立數值計算模型，并結合實際監測結果進行對比，分析深基坑仰坡水平位移變形規律，主要結論如下：

（1）深基坑仰坡計算結果與實際監測結果的變形規律基本一致，坡頂和分級平臺測點的最大水平位移誤差分別僅為0.14mm和0.98mm。

（2）在不同的開挖方式和支護形式下，其最大水平位移點位置均集中在仰坡一級坡中點附近，為保證施工的安全，該位置需加強支護措施。

（3）對深基坑仰坡采用分級分層開挖、噴錨支護的施工方案，相比不進行支護情況下一次性開挖的施工方案，其一級坡中點處的水平位移量減少了43.82%，證明了該施工方案的可靠性。

（4）由于地勘報告中基坑巖土層的物理力學參數存在一定的波動范圍，而本文采用了平均值，導致計算結果和監測結果仍然存在略微誤差，在今后研究中應選取更加精確合理的取值方式。