下穿隧道开挖区域边坡变形现场检测与数值模拟对比分析

杨伟良，董英伟，安江龙

（1.山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊261021；2.山西路桥建设集团有限公司，山西 太原030006）

近年来，随着国民经济的迅猛发展和城市现代步伐的加快，地面交通空间已经难以满足实际要求，为了提高城市利用率，开发地下交通已成为必然的发展趋势。基坑开挖规模逐渐扩大、深度更深，随之对基坑的稳定性及安全性要求更高。在基坑支护方面［1］，应综合考虑现场实际情况的各种影响因素，在保证安全的前提下，尽可能节约资源和方便施工。李四维和徐新光等［2-4］以某实际工程基坑开挖为背景，对基坑现场进行了监测，并对其进行数值模拟，将实测结果与数值模拟结果对比分析，其结果较为合理，验证了数值分析的可靠性；文献［5-13］结合工程实际，详细论述了基坑支护的设计方法和现场监测方案，并对数值模拟以及土钉支护的稳定性进行了深入分析与研究。由于工程环境的复杂多变性，现场监测方案与测点布设及数值模拟计算参数的选取也随之变化，综上所述为本文研究提供了可靠的理论依据。

本文结合实际工程进行现场数据监测，并对各个监测断面的坡顶水平位移及竖向沉降规律进行分析研究，同时利用有限元软件建立计算模型，并将其计算结果与监测结果进行对比分析，一方面确保开挖边坡的稳定性，另一方面验证数值模拟计算参数选取的合理性及其结果的可靠性，为类似工程提供参考依据。

1 工程概况

某快速通道明挖浅埋式下穿隧道工程，全长485m，封闭段长100m，下穿隧道采用双向六车道，主体结构主要由封闭段、天井段和U型段三部分组成。下穿隧道平面位于直线上，其纵坡坡度为-3.811%～3.980%，路面横坡坡度均为2%。

1.1 工程地质条件

本下穿隧道位于某市蓬江区西环路与北环路平交口处，隧址区处于山前平原与丘陵区坡脚，场地属于人工平整，地面高程在7.6m～10.8m之间。根据地质勘察资料可知，所处地段岩芯比较破碎，且受附近断层影响，其影响范围在30m以内，隧址区的岩土层主要为人工填土、第四系覆盖层及燕山期混合岩。

1.2 水文地质条件

下穿隧道区域地下水位埋藏较浅，地下水位变化与地下水的补给形式以及补给方式、排泄的关系比较紧密，每年4月—9月为雨季，大气降水丰沛，水位会明显抬升。赋存于松散的人工填土中的水为上层滞水，且富水程度一般；赋存于细砂层中的孔隙水主要为潜水，其含水层厚度约为1.5m～5.2m，是隧道开挖后主要渗水层；根据《公路工程地质勘察规范》［14］（JTG C20—2011）相关内容及水质分析试验结果对其进行判断，地下水对混凝土具有微腐蚀性。

2 现场监测方案及测试成果分析

2.1 测点布设

根据本工程下穿隧道开挖区域的不同支护深度，选取双排土钉支护、三排土钉支护、四排土钉支护、五排土钉支护及六排土钉支护等5个典型断面进行测点布置。由于开挖区域开挖深度不是很大，且在此开挖深度范围内底层均为素填土和粉质黏土，相对稳定，故只在坡顶布设间隔8m的监测点（露出地面以上10cm，直径为18mm的钢筋头），具体布设方案如图1所示。

图1 下穿隧道边坡监测点平面布置示意图

2.2 测试方法

采用激光电子经纬仪DJD2-JC型对下穿隧道开挖区域边坡坡顶的水平位移进行现场监测，采用高精密水准仪DSO3型对其进行坡顶竖向沉降监测。

开挖区域从2013年4月15日开始施工，开挖之前对其边坡坡顶竖向沉降及水平位移进行了测量，假定此时所选取双排土钉支护、三排土钉支护、四排土钉支护、五排土钉支护及六排土钉支护的5个典型断面的变化量均为0.00mm。边坡施工监测每天进行一次测试，直到边坡开挖施工完成结束测试。根据测试结果及时对边坡的开挖和施工做出切合实际的调整，以便控制边坡坡体的变形及保证周边建筑物的完全性能。

2.3 测试成果分析

根据所测试的结果，选取与此5个典型断面相对应且具有代表性的5个测点（JC3、JC6、JC8、JC12、JC16）进行数据处理，并对其测试成果进行分析研究。

（1）下穿隧道开挖区域随着开挖深度不断加深，坡顶地面累计沉降曲线及沉降速率变化曲线如图2、图3所示。

根据图2、图3可知：

下穿隧道开挖区域5个典型断面的边坡坡顶竖向沉降随着边坡的开挖深度加深呈逐渐增大趋势，由于各个断面所处的开挖深度不同，故各个监测点所监测的沉降量相差较大，监测点JC3、JC6、JC8、JC12和JC16的最大沉降量分别为2.10mm、8.00 mm、9.80mm、14.80mm 和21.98mm，不同开挖深度的坡顶竖向沉降差最大值为19.88mm，可见开挖深度是影响坡顶竖向位移的直接因素；由于前期开挖一定深度范围内没有土钉支护，沉降速率较大，最大可达2.78mm／d，随着各排土钉的打入，沉降速率逐渐减小，最终趋于稳定。

图2 下穿隧道坡顶竖向累计沉降

图3 下穿隧道坡顶竖向沉降速率

（2）下穿隧道开挖区域随着开挖深度不断加深，坡顶累计水平位移曲线及水平位移速率变化曲线如图4、图5所示。

图4 下穿隧道坡顶累计水平位移

根据图4、图5可知：

在起初第一步开挖边坡期间，未设置土钉支护的坡顶水平位移曲线呈陡降趋势，而由于下穿隧道存在一定的纵坡，在纵坡较小的开挖区域，坡顶水平位移曲线变化不明显且位移量较小，JC3、JC6处的水平位移分别为3.2mm、5.5mm；纵坡坡度较大的开挖区域，随着开挖深度的增大，坡顶水平位移量也迅速增大，JC16处的最大位移为27.4mm。在第一排土钉支护施工期间与第二次开挖初期坡顶水平位移仍呈不断增大趋势，而水平位移增大速率呈下降趋势。随着土钉逐渐发挥作用，坡顶水平位移速率趋于稳定。

图5 下穿隧道坡顶水平位移速率

3 下穿隧道开挖区域边坡防护数值模拟分析

根据此实际工程下穿隧道开挖区域的工程地质勘查资料，结合开挖边坡的理论设计，对土钉墙的边坡防护效果进行数值模拟，在相同条件下，分析研究不同开挖深度采用不同长度土钉支护条件下坡顶O点（如图6所示）的水平位移和沉降规律，计算结果可为土钉墙的设计提供借鉴价值，也为类似工程提供参考依据。

图6 土钉墙防护示意图

3.1 计算软件

本文数值模拟采用MARC非线性有限元分析软件。MARC具有极强的结构分析能力，它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，能够处理大变形几何非线性、材料非线性和包括接触在内的边界条件以及组合的高度非线性问题。

3.2 计算模型

（1）几何模型

结合工程实际下穿隧道开挖区域基坑支护的实际情况，选取五个典型土钉墙支护断面建立计算模型。其具体模型为：双排土钉支护、三排土钉支护、四排土钉支护、五排土钉支护及六排土钉支护，共计5种模型。结合土钉墙结构受力的特点和有限元计算对计算资源的要求，并通过大量试算，确定在计算中土钉两侧土体厚度取2倍的土钉间距，土钉嵌入边坡土体厚度取3倍的土钉长度，开挖边坡底部土体厚度取1倍的开挖深度。模型除土钉采用索结构外，其他均选用8节点六面体单元进行网格划分。为较好地模拟土钉与岩土体之间的相互作用，尽可能加密土钉与岩土体接触区域的离散网格，在满足计算精度和计算资源的前提下，从近到远，由密到疏进行划分。其所建模型各个方向（X、Y、Z）尺寸及各个模型基坑开挖深度H见表1。计算模型如图7所示。

表1 所建模型各个方向尺寸及各模型对应的基坑开挖深度 单位：m

图7 各个土钉支护计算模型

（2）屈服准则选取

混凝土和岩土体以剪切破坏或张拉破坏为主，强度包络线是直线型。经过比较，对土钉、喷射混凝土面层以及边坡岩土体采用能够较好反映其非线性特性的线性Mohr-Coulomb屈服准则［15］进行分析。

（3）边界条件确定

本文数值模拟中，将模型底面X、Y、Z方向位移固定，侧面X、Z方向位移固定，顶面为自由边界，初始应力场为自重应力场。

（4）参数选取

计算模型中，岩土体、土钉及喷射混凝土等材料的计算参数可根据工程地质勘察资料以及相关规范进行取值，详见表2、表3。

表2 有限元计算模型岩土体参数

3.3 计算结果与分析

根据实际工程下穿隧道开挖区域基坑支护设计要求，数值模拟选取的五个典型边坡支护断面支护结构安全等级均为二级，根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》［16］（JGJ120-2012）、《建 筑 基 坑 工 程 监 测 技 术 规 范》［17］（GB50497-2009）及地方规定，基坑变形控制容许值规定为：地面最大沉降量≤0.25%H（H为基坑开挖深度），且≤50mm；围护结构最大水平位移≤0.40%H，且≤50mm。各模型在基坑开挖后采用设计土钉支护工况下，其变形云图如图8～图12所示。

表3 有限元计算模型土钉及喷射混凝土面层参数

图8 双排土钉支护工况下边坡位移云图

图9 三排土钉支护工况下边坡位移云图

图10 四排土钉支护工况下边坡位移云图

对比分析5种典型断面竖向沉降云图和水平位移云图图8～图12可以看出，随着开挖深度的逐渐加深，下穿隧道开挖区域边坡坡顶水平位移和竖向沉降量逐渐变大，直至开挖到设计深度时，坡顶水平位移分别为0.70mm、4.20mm、14.30mm、22.05 mm、26.55mm，竖向沉降分别为1.95mm、7.15 mm、8.10mm、13.26mm 和20.24mm；但在边坡施工过程中，随着上部每排土钉支护的完成，坡顶水平位移速率与竖向沉降速率逐渐减小，最后趋于稳定，充分说明了边坡上部植入的土钉发挥了与土体接触而产生的咬合力作用。由于土体开挖出现卸荷现象，完全改变了原岩土层的应力状态，使原处于静止状态的土压力逐渐向主动土压力的状态过渡，从而便产生了相对位移或相对位移趋势使得土钉迅速受力而发挥其本身作用。

图11 五排土钉支护工况下边坡位移云图

图12 六排土钉支护工况下边坡位移云图

4 数值模拟计算成果与现场监测成果对比分析

由于工程施工现场环境的复杂多变性原因，数值模拟计算成果与现场测试成果在数值上有一定差异，但大体基本吻合，其两种方法所得到的坡顶竖向沉降量和水平位移见表4。

从现场监测成果与数值模拟成果对比可以看出，坡顶竖向沉降量和水平位移量均大于模拟计算结果，竖向沉降与水平位移最大差值分别为1.74 mm、2.5mm。主要是因为在对现场实际进行模拟时，存在一些难以考虑的影响因素，由于下穿隧道开挖区域旁边存在过往车辆所产生的动荷载，严重影响了开挖面的稳定性及坡面的变形性，从而引起坡顶竖向沉降和水平位移的明显增大，即实测结果比数值模拟的偏大。其他测点处的较小差异可能是由于天气降雨、开挖施工安排上不太紧凑及施工人员超挖现象等原因所造成的。以总体的对比结果而言，开挖区域边坡的坡顶竖向沉降量和水平位移量与数值模拟的计算结果基本一致，故模拟结果符合实际情况，所选用的土体参数是合理可靠的。

表4 现场监测成果与数值模拟计算成果对照表单位：mm

5 结 论

本文结合工程实例，对下穿隧道开挖区域边坡的坡顶竖向沉降和水平位移的现场监测数据与数值模拟的对比结果分析，得出以下主要结论：

（1）在进行开挖第一步且还没有对其进行土钉支护期间，开挖处坡顶竖向沉降与水平位移比较大，可见及时对已开挖坡面进行土钉支护，减小开挖坡面的暴露时间，随挖随支护对已开挖坡面的整体稳定性及安全性具有重要意义。

（2）对所开挖的且已进行土钉支护的边坡，由于受现场地形、天气情况、施工工序及施工的紧凑性等因素影响，因此导致现场监测结果比数值模拟结果略大的现象，但坡顶变形量都在所规定的容许变化范围内，说明经过土钉支护后的边坡处于安全状态，且防护效果良好。

（3）根据现场实测数据与数值模拟进行的对比结果分析而言，在数值模拟中所选用的土体本构模型及其计算参数，能较为准确的反映现场实际情况，说明土体及结构参数设置和模型选取较为合理，为类似工程提供参考依据。

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