危巖帶下深基坑開(kāi)挖關(guān)鍵技術(shù)及仿真分析

胡風(fēng)明， 宋健， 閆磊， 曲振宇， 趙甜甜

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

1 前言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，越來(lái)越多的基坑開(kāi)挖項(xiàng)目出現(xiàn)，且規(guī)模越來(lái)越大，在面積和深度上不斷有新的增長(zhǎng)。伴隨著基坑用途的改變，其周邊環(huán)境也日趨復(fù)雜，這就要求在基坑施工過(guò)程中，提前對(duì)基坑開(kāi)挖后的位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況以及基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定性等開(kāi)展研究。陳濤等對(duì)軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中不同工況下支護(hù)樁深層水平位移、支護(hù)樁豎向位移等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：基坑開(kāi)挖施工對(duì)支護(hù)樁及周邊環(huán)境具有顯著的時(shí)空效應(yīng)影響；周冠南等依托寧波地鐵1號(hào)線(xiàn)東門(mén)口站深基坑工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)逆作開(kāi)挖基坑的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行了研究；章新等以南京某基坑工程為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)了開(kāi)口環(huán)形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律；曹一龍等分析深基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，遵循時(shí)空效應(yīng)原理，加快施工速度、減少基坑暴露時(shí)間是控制基坑變形的重要措施。

該文以重慶三峽庫(kù)區(qū)腹地某紅層泥巖地區(qū)懸索橋深基坑工程為背景，對(duì)其開(kāi)挖施工過(guò)程中深基坑坑底位移，錨桿、錨索的受力情況，護(hù)壁墻受力、位移情況及邊坡穩(wěn)定系數(shù)等進(jìn)行仿真分析，總結(jié)其變形規(guī)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(cè)緊鄰高陡邊坡，另一側(cè)毗鄰長(zhǎng)江。高峰岸(北岸)錨碇區(qū)位于斜坡中部地帶，地面高程為210～250 m，基坑底面設(shè)計(jì)高程為198 m(錨塊底面)。錨碇基坑開(kāi)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(kāi)挖總方量為110 400 m3。錨碇基坑基底位于中風(fēng)化泥巖上，基底容許承載力不小于1.35 MPa。錨碇區(qū)基坑開(kāi)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(zhì)邊坡，上覆少量塊石土?；娱_(kāi)挖設(shè)計(jì)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(zhì)水文條件

工程所在地地形呈階梯狀，總體發(fā)育有兩級(jí)陡崖和兩段陡坡，陡崖有砂巖出露，地形坡度為70°～85°，陡坡區(qū)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘察成果，橋址區(qū)出露地層巖性主要有人工填土、殘坡積層粉質(zhì)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(tǒng)沙溪廟組泥巖、泥質(zhì)砂巖、粗砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖、砂巖。

施工場(chǎng)地所處松散巖類(lèi)上層滯水主要接受大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)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(tài)，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(bǔ)給，臨江區(qū)域受長(zhǎng)江水位影響，由于該岸地表基巖主要以泥巖為主，為相對(duì)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(kāi)挖關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，基坑開(kāi)挖邊坡豎向最多分為6個(gè)大層，每個(gè)大層開(kāi)挖完成后進(jìn)行邊坡防護(hù)施工，如圖2所示?；釉O(shè)計(jì)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(jí)，最低處為1級(jí)，單級(jí)邊坡高度為8、10 m兩種。針對(duì)不同地層及邊坡坡度采用錨噴支護(hù)、錨桿護(hù)面墻或錨索護(hù)面墻防護(hù)。

按照?qǐng)龅卣w標(biāo)高，從高往低，進(jìn)行土石方開(kāi)挖。每個(gè)大層邊坡在具體開(kāi)挖時(shí)，可結(jié)合地質(zhì)情況分成不同厚度的小層，為方便開(kāi)挖，一般以最大開(kāi)挖深度為3 m進(jìn)行控制。

圖2 基坑設(shè)計(jì)邊坡標(biāo)高示意圖(單位：m)

2.4 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1) 錨碇基坑占地面積大、開(kāi)挖土石方量大，使得現(xiàn)場(chǎng)施工組織和施工難度增大，需合理配備施工機(jī)械，科學(xué)組織，流水作業(yè)。

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

(3) 錨碇開(kāi)挖時(shí)需要配合爆破施工，爆破施工過(guò)程中的震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，為保證邊坡的穩(wěn)定，需要編制全面可行的爆破專(zhuān)項(xiàng)施工方案，并采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

(4) 地表高差大，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖過(guò)程出渣便道選取困難，現(xiàn)場(chǎng)采用便道隨開(kāi)挖高程的調(diào)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(shí)排水的方式，以減少錨碇基坑施工范圍水流的侵蝕，同時(shí)設(shè)置集水井，配備抽水泵，預(yù)防大雨對(duì)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(guò)程中需對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)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(jìn)行模擬分析與計(jì)算。巖土計(jì)算選用莫爾-庫(kù)侖彈塑性材料模型，需要輸入的巖石力學(xué)參數(shù)為黏聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度，如表1、2所示，模型共劃分為32 463個(gè)節(jié)點(diǎn)和57 080個(gè)單元。對(duì)模型的建立和分析計(jì)算提出了以下假設(shè)：模型初始地應(yīng)力平衡只考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；邊坡開(kāi)挖暫不考慮地下水和降雨的作用。巖體及數(shù)值計(jì)算時(shí)的參數(shù)分別如表1、2所示。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 數(shù)值計(jì)算時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 開(kāi)挖過(guò)程基坑位移分析

基坑位移大小直接關(guān)系著開(kāi)挖的安全性，對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行仿真分析，得到不同級(jí)邊坡開(kāi)挖時(shí)基坑位移如圖3所示。

圖3 基坑開(kāi)挖坑底位移云圖(單位：m)

由圖3可知:1級(jí)邊坡開(kāi)挖完成最大位移發(fā)生在底板，為2.04 cm。第4、3、2級(jí)邊坡開(kāi)挖時(shí)，隨著開(kāi)挖卸荷和巖體回彈，邊坡側(cè)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(duì)錨桿、錨索的內(nèi)力圖進(jìn)行分析可以確定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，根據(jù)有限元模型進(jìn)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(shè)計(jì)要求。但是第2級(jí)邊坡錨索軸力為605 kN，略高于施加的預(yù)應(yīng)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(guān)，錨索應(yīng)力增加主要是由邊坡側(cè)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(nèi)。

4.3 護(hù)壁墻受力及位移情況

基坑護(hù)壁墻的受力及位移情況如圖6、7所示。

圖6 最大剪應(yīng)力(單位：kPa)

圖7 護(hù)壁墻的總體位移(單位：m)

由圖6可知：坡頂側(cè)護(hù)壁墻在折角處剪切應(yīng)力較大，尤其是臺(tái)階底緣出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大剪切應(yīng)力為 2.35 MPa。護(hù)壁墻采用C30混凝土，φ6 mm鋼筋網(wǎng)配筋，C30混凝土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為2.85 MPa(具體值通過(guò)試驗(yàn)確定)。模擬計(jì)算最大剪切應(yīng)力小于C30混凝土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，護(hù)壁墻在靜力條件下強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。由圖7可知：除了基坑底板外，基坑第2級(jí)、3級(jí)邊坡護(hù)壁墻位移最大，主要表現(xiàn)為向基坑中心收斂，變形值為1.07～1.76 cm。

4.4 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

通過(guò)對(duì)有限元模型進(jìn)行仿真分析得出邊坡的體積應(yīng)變?cè)茍D、塑性應(yīng)變?cè)茍D、等效應(yīng)變?cè)茍D、最大剪切應(yīng)變及邊坡總體位移云圖如圖8～12所示。

圖8 邊坡體積應(yīng)變

由圖8～12可知：通過(guò)體積應(yīng)變、有效塑性應(yīng)變、最大剪切應(yīng)變、位移等計(jì)算指標(biāo)，可判斷出北錨碇基坑潛在滑移面的位置。經(jīng)計(jì)算，開(kāi)挖支護(hù)后(第1級(jí)邊坡尚未支護(hù))時(shí)邊坡安全系數(shù)為2.27。

圖9 邊坡塑性應(yīng)變

圖10 邊坡等效應(yīng)變

圖11 邊坡最大剪切應(yīng)變

圖12 邊坡總體位移(單位:m)

5 結(jié)語(yǔ)

以重慶市三峽庫(kù)區(qū)腹地危巖帶下某大橋錨碇深基坑施工為例，通過(guò)對(duì)危巖帶下深基坑開(kāi)挖及支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，明確提出邊坡分級(jí)、分區(qū)域開(kāi)挖的施工方法可以有效減小基坑的變形，對(duì)確保基坑開(kāi)挖的安全性至關(guān)重要，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照施工順序有序推進(jìn)，合理開(kāi)挖。有限元分析結(jié)果表明：開(kāi)挖最不利工況為第1級(jí)邊坡(靠近坡頂側(cè))，開(kāi)挖完成后最大位移在底板，這為保證施工過(guò)程的安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。護(hù)壁墻及錨桿、錨索在開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的作用不可忽略，由分析結(jié)果可以看出：施工中部分錨桿的應(yīng)力、位移臨近設(shè)計(jì)值，因此開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及位移應(yīng)重點(diǎn)保證。