秦坤元， 劉五一， 肖育斐， 張健， 陽軍生， 劉守花， 王健宏

(1.中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南 長沙 410004; 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

城市地鐵大都建在人口密集的地方，車站周邊地形情況通常比較復(fù)雜，基坑施工場地十分狹小，當(dāng)基坑周邊近接邊坡時，為保證現(xiàn)場有充足的施工場地，通常會對邊坡進(jìn)行削坡處理，特別是當(dāng)邊坡上部有建筑物存在時，削坡、基坑開挖對邊坡穩(wěn)定性及坡頂建筑物影響不容忽視。

目前，針對不對稱巖土荷載作用下深基坑變形性狀已有部分研究。石鈺鋒等以深圳地鐵民治站基坑工程為依托，對緊鄰鐵路偏壓基坑的變形形狀進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；劉波等以某緊鄰高速公路深基坑工程為背景，應(yīng)用數(shù)值方法對偏壓作用下非等深基坑開挖效應(yīng)進(jìn)行分析；林剛等應(yīng)用數(shù)值方法對不平衡堆載下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的性狀進(jìn)行了研究；劉繼強(qiáng)等以深圳地鐵5號線水徑車站基坑工程為背景，運(yùn)用數(shù)值方法分析基坑與邊坡不同間距下基坑的穩(wěn)定性特征。針對邊坡穩(wěn)定性的研究較多，楊峰等基于剛體平動運(yùn)動單元的上限有限元理論，建立邊坡穩(wěn)定性分析方法，獲得了邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)過程中的穩(wěn)定性狀況；曾文西等基于飽和-非飽和滲流計算方法，分析了滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響；張磊等建立了滲流潛蝕耦合的邊坡穩(wěn)定性分析模型，并采用有限元方法模擬分析了初始飽和滲透系數(shù)、進(jìn)氣值參數(shù)對入滲和邊坡穩(wěn)定性的影響；曾田等基于飽和-非飽和理論，應(yīng)用數(shù)值方法，分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響?？傊?，對于不對稱巖土荷載作用下的深基坑，主要關(guān)注不對稱荷載對基坑穩(wěn)定性的影響，但基坑開挖對邊坡影響的研究較少，因此有必要開展進(jìn)一步的研究。

該文以長沙地鐵4號線黃土嶺車站基坑工程為背景，采用FLAC3D有限差分軟件，對邊坡削坡、基坑開挖過程中邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)值結(jié)果提出相應(yīng)的邊坡加固措施，并對施工全過程邊坡和建筑變形進(jìn)行實時監(jiān)測，通過對實測結(jié)果統(tǒng)計整理，分析邊坡加固實際實施效果。

1 工程概況

長沙地鐵4號線黃土嶺車站位于芙蓉南路與赤黃路交叉口，沿黃土嶺路呈東西向布置。赤黃路在交叉路口處地勢高差較大，在基坑南側(cè)6 m位置存在原狀土邊坡，邊坡高8 m。車站周邊管線和高層建筑分布眾多(圖1)，施工場地十分狹小，為確保充足的施工空間，將對基坑南側(cè)邊坡坡腳進(jìn)行削坡處理?？辈熨Y料顯示，施工場地范圍內(nèi)地層自上而下分別為：雜填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、卵石、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下穩(wěn)定水位為3.5～7.3 m，水位標(biāo)高62.2～71.1 m。

黃土嶺車站范圍均位于現(xiàn)狀道路路面以下，為了不影響黃土嶺路的正常交通，車站采用半蓋挖法施工。車站基坑長214.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1 m，基坑深度24～26.5 m，基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻厚1 m，坑底地層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時，地連墻的嵌固深度取3 m，坑底地層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時，嵌固深度取5 m。沿基坑深度方向共設(shè)置4道內(nèi)支撐，其中第1道和第3道內(nèi)支撐采用混凝土支撐，水平間距6 m，第2道和第4道內(nèi)支撐采用外徑為609 mm，厚16 mm的鋼支撐，水平間距為3 m，標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)斷面如圖2所示。

圖1 黃土嶺車站平面圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2 基坑開挖對鄰近邊坡影響分析

為保證邊坡削坡和基坑開挖過程中鄰近高邊坡的穩(wěn)定，采用有限差分軟件FLAC3D建立基坑開挖支護(hù)的數(shù)值模型，分析削坡、基坑開挖對鄰近邊坡的影響。為確保邊坡穩(wěn)定性，邊坡坡頂位移應(yīng)小于22.5 mm。

2.1 有限元建模

為提高計算效率，標(biāo)準(zhǔn)段沿基坑長邊方向選取14 m進(jìn)行數(shù)值建模，為降低邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，基坑坑壁到模型邊界的距離為(3～4)H，其中H為基坑開挖深度，模型尺寸取X×Y×Z為180 m×98 m×14 m。模型側(cè)面限制其水平方向位移，底面為固定邊界條件，上邊面為自由邊界，計算模型見圖3。

圖3 有限元模型

土體和地下連續(xù)墻采用實體單元(Zone 單元)模擬，內(nèi)支撐和立柱采用梁單元(Beam 單元)模擬，采用樁單元(Pile 單元)模擬立柱樁。模型中地下連續(xù)墻和土體之間的相互作用采用地下連續(xù)墻側(cè)面和底面的接觸面實現(xiàn)，內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻直接的相互作用則采用連接實現(xiàn)。其中，除地下連續(xù)墻混凝土強(qiáng)度等級為C35，彈性模量取31.5 GPa外，其他混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級均為C30，彈性模量取30 GPa，泊松比均為0.25；鋼支撐和鋼腰梁彈性模量均為209 GPa，泊松比取0.3。

基坑開挖是土體卸荷的過程，Mohr-Coulomb模型所需參數(shù)少，且計算結(jié)果與工程實測結(jié)果比較接近，但計算分析中卸載和加載采用同一模量；修正劍橋模型(MCC)對于土體的模量依賴于應(yīng)力水平和應(yīng)力路徑，應(yīng)用于基坑分析時計算結(jié)果更加合理可靠，但模型參數(shù)較多，且僅適用于正常固結(jié)和弱超固結(jié)黏土。因此，粉質(zhì)黏土和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的本構(gòu)采用修正劍橋模型模擬，砂卵石地層采用摩爾庫侖進(jìn)行模擬，具體土體的計算參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)表

注：γ為土體重度；M為臨界狀態(tài)參數(shù)；λ為e-lnp圧縮曲線斜率；К為e-lnp回彈曲線斜率；μ為泊松比；e0為初始孔隙比；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；E為彈性模量。

根據(jù)實際施工過程，數(shù)值模擬共分為11個分析步：① 初始地應(yīng)力平衡；② 施作地下連續(xù)墻和立柱；③ 挖除表層土體和削坡；④ 施作第1道內(nèi)支撐；⑤ 土體開挖至-8 m；⑥ 架設(shè)第2道鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力；⑦ 土體開挖至-15 m；⑧ 施作第3道混凝土支撐；⑨ 土體開挖至-20 m；⑩ 施作第4道鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力；基坑開挖至坑底(-24 m)。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖4、5分別為邊坡削坡后和基坑開挖完成后土體應(yīng)力狀態(tài)云圖。圖4、5顯示，邊坡削坡后位于坡腳及坡腳下部土體出現(xiàn)較大區(qū)域的剪切塑性區(qū)和拉伸塑性區(qū)，且塑性區(qū)為貫通，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；基坑開挖完成后，邊坡拉伸塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展至距坡頂不足1 m位置?？紤]到施工過程中的施工擾動、降水對邊坡影響，邊坡發(fā)生失穩(wěn)的概率極大，由于邊坡坡頂建筑物的存在，邊坡失穩(wěn)將嚴(yán)重危害人身和財產(chǎn)安全，且邊坡屬于永久性邊坡，應(yīng)在邊坡削坡后及時對邊坡進(jìn)行永久加固以保證邊坡穩(wěn)定性。

圖4 邊坡削坡后土體應(yīng)力狀態(tài)云圖

圖6為施工過程中邊坡坡頂位移曲線，坡頂水平位移以向基坑側(cè)變形為正，豎向位移以沉降位移為正。

圖5 基坑開挖完成后土體應(yīng)力狀態(tài)云圖

圖6 邊坡坡頂位移曲線

由圖6可看出：① 邊坡削坡后坡頂豎向位移達(dá)26.2 mm，基坑開挖后坡頂豎向位移增大至29.2 mm，由基坑開挖引起的坡頂豎向位移增大了3 mm，約占坡頂總豎向位移的10.3%，且邊坡坡頂豎向表現(xiàn)為沉降位移特征；② 削坡后坡頂水平位移為22.6 m，基坑開挖使坡頂水平位移增大至25.3 mm，由基坑開挖引起的坡頂水平位移約占總水平位移的10.7%。邊坡坡頂?shù)奈灰浦饕上髌乱?，基坑開挖對邊坡的影響較小，且坡頂位移大于邊坡穩(wěn)定控制值。

3 邊坡穩(wěn)定安全控制措施

3.1 邊坡加固措施

數(shù)值結(jié)果顯示削坡及基坑開挖使邊坡穩(wěn)定性不滿足要求，為保證邊坡穩(wěn)定及坡頂建筑的正常使用，基坑開挖前需對邊坡進(jìn)行預(yù)加固。為增大邊坡體的抗滑力，約束邊坡體的變形，坡面采用土釘和掛網(wǎng)噴射混凝土主動加固；同時為平衡邊坡體滑坡推力，在坡腳采用抗滑樁對邊坡進(jìn)行被動加固。坡面土釘與坡腳抗滑樁聯(lián)合加固，確保邊坡穩(wěn)定及坡頂建筑物安全。

邊坡采用土釘和掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行加固。其中，土釘豎向布設(shè)5排，水平間距1.2 m，與水平向夾角為15°，土釘長9 m， 采用直徑為28 mm的HRB 400級熱軋帶肋鋼筋；掛網(wǎng)噴射混凝土厚100 mm，采用直徑8 mm HPB 300鋼筋，鋼筋間距300 mm。

采用鉆孔灌注隔斷樁和三重高壓旋噴樁止水相結(jié)合方式對邊坡坡腳進(jìn)行加固。其中，鉆孔灌注樁樁徑800 mm，間距為1 000 mm；三重高壓旋噴樁樁徑800 mm，間距550 mm。坡腳鉆孔灌注樁兼做車站4號出入口結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于4號出入口結(jié)構(gòu)線尚未確定，先期僅施作土釘及掛網(wǎng)噴射混凝土對邊坡進(jìn)行加固，坡腳鉆孔灌注樁及旋噴樁待4號出入口邊線確定后施作。

3.2 邊坡加固措施的可行性

考慮土釘+掛網(wǎng)噴射混凝土對邊坡進(jìn)行加固(由于車站主體基坑開挖過程中為施作鉆孔灌注隔斷樁，數(shù)值模型中不考慮隔斷樁的作用)，土釘采用Cable單元進(jìn)行模擬，掛網(wǎng)噴射混凝土采用Shell單元模擬，建立基坑開挖數(shù)值模型，分析加固后基坑開挖對邊坡的影響。圖7為加固后基坑開挖完成后土體的應(yīng)力狀態(tài)云圖，對比圖5、7可發(fā)現(xiàn)，邊坡坡面加固后基坑開挖對邊坡塑性區(qū)的影響減小，塑性區(qū)在削坡后并未隨基坑開挖進(jìn)一步擴(kuò)展，說明坡面加固措施是有效的。

圖7 基坑開挖完成后土體應(yīng)力狀態(tài)云圖(加固后)

4 邊坡安全控制效果分析

4.1 施工監(jiān)測

為保證施工全過程邊坡和坡頂建筑物的穩(wěn)定安全，對坡頂變形、坡頂建筑沉降及建筑周邊地表沉降進(jìn)行施工全過程監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)詳細(xì)布置如圖1所示。其中，坡頂變形和地表沉降的預(yù)警值為22.5 mm。

4.2 實測結(jié)果分析

圖8、9分別為坡頂豎向和水平位移曲線圖，豎向以沉降變形為負(fù)，水平向以向基坑側(cè)變形為負(fù)。由圖8、9可看出：邊坡變形和地表沉降最大值均小于預(yù)警值22.5 mm，且建筑物沉降最大值小于預(yù)警值，表明邊坡加固效果安全可靠。

圖8 坡頂豎向位移圖(2017年)

圖9 坡頂水平位移圖(2017年)

5 結(jié)論

以長沙地鐵4號線黃土嶺地鐵車站工程為依托，采用數(shù)值方法分析了邊坡削坡和基坑開挖對鄰近邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了保證邊坡穩(wěn)定的安全控制措施，最后通過實測數(shù)據(jù)分析了邊坡的加固效果，可得如下結(jié)論：

(1) 邊坡土體應(yīng)力狀態(tài)，邊坡削坡后坡腳和坡腳下部土體出現(xiàn)較大區(qū)域塑性區(qū)；邊坡坡頂位移，邊坡削坡后坡頂水平和豎向位移均大于邊坡穩(wěn)定控制值。數(shù)值結(jié)果表明，削坡對邊坡的影響不容忽視，應(yīng)在削坡后及時采取合理的邊坡加固措施。

(2) 為保證邊坡的穩(wěn)定性，提出采用土釘和掛網(wǎng)噴射混凝土加固坡面+鉆孔灌注樁加固坡腳的組合加固措施，實測結(jié)果顯示施工階段邊坡和坡頂建筑始終處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，表明現(xiàn)場采用邊坡加固措施有效，可為后續(xù)類似邊坡加固提供參考。