危巖帶下深基坑開挖關鍵技術及仿真分析

胡風明， 宋健， 閆磊， 曲振宇， 趙甜甜

(1.中交一公局重慶萬州高速公路有限公司， 重慶市 404100；2.重慶三峽學院 土木工程學院)

1 前言

隨著城市化建設進程的穩步推進，越來越多的基坑開挖項目出現，且規模越來越大，在面積和深度上不斷有新的增長。伴隨著基坑用途的改變，其周邊環境也日趨復雜，這就要求在基坑施工過程中，提前對基坑開挖后的位移、支護結構的受力情況以及基坑開挖的穩定性等開展研究。陳濤等對軟土地區深基坑開挖過程中不同工況下支護樁深層水平位移、支護樁豎向位移等現場監測數據進行了研究，結果表明：基坑開挖施工對支護樁及周邊環境具有顯著的時空效應影響；周冠南等依托寧波地鐵1號線東門口站深基坑工程，結合現場監測數據，對逆作開挖基坑的時空效應進行了研究；章新等以南京某基坑工程為例，采用數值模擬方法對基坑圍護結構變形進行計算，并與現場監測數據進行對比，總結了開口環形基坑圍護結構變形的規律；曹一龍等分析深基坑施工監測數據，并與數值模擬結果進行對比，結果表明，遵循時空效應原理，加快施工速度、減少基坑暴露時間是控制基坑變形的重要措施。

該文以重慶三峽庫區腹地某紅層泥巖地區懸索橋深基坑工程為背景，對其開挖施工過程中深基坑坑底位移，錨桿、錨索的受力情況，護壁墻受力、位移情況及邊坡穩定系數等進行仿真分析，總結其變形規律。

2 工程背景

2.1 工程概況

擬建工程為懸索橋錨碇基坑，一側緊鄰高陡邊坡，另一側毗鄰長江。高峰岸(北岸)錨碇區位于斜坡中部地帶，地面高程為210～250 m，基坑底面設計高程為198 m(錨塊底面)。錨碇基坑開挖占地面積為5 958 m2，基坑底面面積為1 026 m2，邊坡面積為5 633 m2，錨碇基坑開挖總方量為110 400 m3。錨碇基坑基底位于中風化泥巖上，基底容許承載力不小于1.35 MPa。錨碇區基坑開挖后，邊坡高度為12.0～52.0 m，主要為泥巖和砂巖組成的巖質邊坡，上覆少量塊石土?；娱_挖設計情況如圖1所示。

圖1 擬建工程懸索橋錨碇基坑平面圖

2.2 工程地質水文條件

工程所在地地形呈階梯狀，總體發育有兩級陡崖和兩段陡坡，陡崖有砂巖出露，地形坡度為70°～85°，陡坡區域主要被第四系崩坡積體覆蓋，局部基巖出露，自然坡角為15°～45°，總體地形坡度為40°。根據現場調查及勘察成果，橋址區出露地層巖性主要有人工填土、殘坡積層粉質黏土、沖洪積層卵石土夾砂、崩坡積層塊石土及侏亻羅系中統沙溪廟組泥巖、泥質砂巖、粗砂巖、粉砂巖、頁巖、砂巖。

施工場地所處松散巖類上層滯水主要接受大氣降水補給，季節性變化明顯，該岸土層以崩坡積塊石土和人工填土為主，呈松散-稍密狀態，為含水層，在雨季可能存在水量較大；該岸基巖裂隙水受大氣降雨補給，臨江區域受長江水位影響，由于該岸地表基巖主要以泥巖為主，為相對隔水層，僅陡崖位置為砂巖，故該岸基巖裂隙水總體較貧乏。

2.3 基坑開挖關鍵技術

根據設計圖紙要求，基坑開挖邊坡豎向最多分為6個大層，每個大層開挖完成后進行邊坡防護施工，如圖2所示?；釉O計邊坡中最大坡度為1∶0.3，最小坡度為1∶1，最高處邊坡有6級，最低處為1級，單級邊坡高度為8、10 m兩種。針對不同地層及邊坡坡度采用錨噴支護、錨桿護面墻或錨索護面墻防護。

按照場地整體標高，從高往低，進行土石方開挖。每個大層邊坡在具體開挖時，可結合地質情況分成不同厚度的小層，為方便開挖，一般以最大開挖深度為3 m進行控制。

圖2 基坑設計邊坡標高示意圖(單位：m)

2.4 工程特點及難點

(1) 錨碇基坑占地面積大、開挖土石方量大，使得現場施工組織和施工難度增大，需合理配備施工機械，科學組織，流水作業。

(2) 錨碇基坑施工區域上方有一危巖帶，崩坡積體上存在有孤石，給錨碇基坑開挖施工帶來了安全隱患，需進行排危和安全防護措施后才能進行開挖作業。

(3) 錨碇開挖時需要配合爆破施工，爆破施工過程中的震動對邊坡穩定性影響較大，為保證邊坡的穩定，需要編制全面可行的爆破專項施工方案，并采取相應的安全防護措施。

(4) 地表高差大，導致基坑開挖過程出渣便道選取困難，現場采用便道隨開挖高程的調整而變化的方式。

(5) 錨碇基坑施工范圍采用永久排水加臨時排水的方式，以減少錨碇基坑施工范圍水流的侵蝕，同時設置集水井，配備抽水泵，預防大雨對基坑浸泡及邊坡的沖刷。

(6) 由于錨碇位置地形坡度大、基坑深，施工過程中需對邊坡進行動態監控，以保證施工的安全。

3 有限元模型的建立

借助MIDAS NX V2018 R1有限元分析軟件進行模擬分析與計算。巖土計算選用莫爾-庫侖彈塑性材料模型，需要輸入的巖石力學參數為黏聚力、內摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強度，如表1、2所示，模型共劃分為32 463個節點和57 080個單元。對模型的建立和分析計算提出了以下假設：模型初始地應力平衡只考慮自重應力，忽略構造應力的影響；邊坡開挖暫不考慮地下水和降雨的作用。巖體及數值計算時的參數分別如表1、2所示。

表1 巖土層主要物理力學參數

表2 數值計算時支護結構材料參數

4 有限元計算結果

4.1 開挖過程基坑位移分析

基坑位移大小直接關系著開挖的安全性，對所建立的有限元模型進行仿真分析，得到不同級邊坡開挖時基坑位移如圖3所示。

圖3 基坑開挖坑底位移云圖(單位：m)

由圖3可知:1級邊坡開挖完成最大位移發生在底板，為2.04 cm。第4、3、2級邊坡開挖時，隨著開挖卸荷和巖體回彈，邊坡側壁位移值分別為0.98、1.42、1.70 cm。

4.2 錨桿、錨索受力情況

對錨桿、錨索的內力圖進行分析可以確定基坑支護結構的安全性，根據有限元模型進行仿真分析，得到錨桿、錨索的軸力情況如圖4、5所示。

圖4 基坑錨桿、錨索軸力云圖(單位：kN)

圖5 基坑錨桿、錨索局部軸力云圖(單位：kN)

由圖4、5可知：錨桿受力均較小，符合設計要求。但是第2級邊坡錨索軸力為605 kN，略高于施加的預應力600 kN；分析其原因主要是錨索受力情況和邊坡巖層位移直接相關，錨索應力增加主要是由邊坡側壁巖體的水平回彈引起的。但是，從總體上看錨桿及錨索的受力仍處于安全范圍內。

4.3 護壁墻受力及位移情況

基坑護壁墻的受力及位移情況如圖6、7所示。

圖6 最大剪應力(單位：kPa)

圖7 護壁墻的總體位移(單位：m)

由圖6可知：坡頂側護壁墻在折角處剪切應力較大，尤其是臺階底緣出現應力集中，最大剪切應力為 2.35 MPa。護壁墻采用C30混凝土，φ6 mm鋼筋網配筋，C30混凝土抗剪強度標準值約為2.85 MPa(具體值通過試驗確定)。模擬計算最大剪切應力小于C30混凝土抗剪強度標準值，護壁墻在靜力條件下強度滿足要求。由圖7可知：除了基坑底板外，基坑第2級、3級邊坡護壁墻位移最大，主要表現為向基坑中心收斂，變形值為1.07～1.76 cm。

4.4 邊坡穩定系數

通過對有限元模型進行仿真分析得出邊坡的體積應變云圖、塑性應變云圖、等效應變云圖、最大剪切應變及邊坡總體位移云圖如圖8～12所示。

圖8 邊坡體積應變

由圖8～12可知：通過體積應變、有效塑性應變、最大剪切應變、位移等計算指標，可判斷出北錨碇基坑潛在滑移面的位置。經計算，開挖支護后(第1級邊坡尚未支護)時邊坡安全系數為2.27。

圖9 邊坡塑性應變

圖10 邊坡等效應變

圖11 邊坡最大剪切應變

圖12 邊坡總體位移(單位:m)

5 結語

以重慶市三峽庫區腹地危巖帶下某大橋錨碇深基坑施工為例，通過對危巖帶下深基坑開挖及支護的關鍵技術進行分析，明確提出邊坡分級、分區域開挖的施工方法可以有效減小基坑的變形，對確?；娱_挖的安全性至關重要，施工時應嚴格按照施工順序有序推進，合理開挖。有限元分析結果表明：開挖最不利工況為第1級邊坡(靠近坡頂側)，開挖完成后最大位移在底板，這為保證施工過程的安全奠定了堅實的基礎。護壁墻及錨桿、錨索在開挖支護過程中的作用不可忽略，由分析結果可以看出：施工中部分錨桿的應力、位移臨近設計值，因此開挖過程中支護結構的強度及位移應重點保證。