不同深基坑支护参数对邻近高边坡稳定性的影响

王卫强,朱俊霖,闫帆,张红印,余健宇

(1.中国铁工投资建设集团有限公司，北京 101300；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；3.中铁铁工城市建设有限公司，山东 济南 250101)

随着中国城市化进程的加快，轨道交通事业也在飞速发展，地铁作为城市轨道交通的重要一环，截至2021年12月30日，中国地铁运营线路长度达到7 254 km.对于地铁车站施工来说，深基坑开挖及支护技术因为其涉及的技术领域较多，受不同的地质条件影响较大，施工过程极其复杂，成为深基坑施工中的热门工程问题[1-3].同时，由于用地紧张，停车场、变电所等地铁相关配套设施的基坑工程可能邻近周边建筑或高大陡坡等特殊位置，从而导致深基坑开挖支护对邻近高边坡的稳定性产生较大影响.

雷用等[4]通过工程实例，研究了深基坑对既有超限高边坡支挡结构的影响及对策；王国富等[5]以济南地铁项目为依托，通过建立多属性决策模型，甄选出紧邻高层建筑结构下基坑最优支护方案；王红梅[6]采用有限元强度折减法计算岩质高边坡最危险滑动面，并通过有限元模拟验证了该方法的可行性；柯友华[7]研究了地铁基坑旁高边坡稳定性的主要影响参数以及边坡稳定对各参数的敏感性；黄诗渊等[8-11]对天然边坡稳定性的影响因素进行了研究.胡小平[12]以湖南某地下室基坑项目为依托，研究了受邻近深基坑开挖影响的既有边坡加固方法.现有的研究成果主要针对边坡的稳定性及基坑的整体稳定性进行分析，但对高陡边坡坡脚深基坑开挖支护过程中不同支护参数对既有高边坡影响的研究较少.

本研究以大连地铁5号线10标段解放路66 kV主变电所深基坑项目为背景，运用有限元分析软件进行数值模拟，研究不同支护参数，如围护桩间距、围护桩固嵌深度、锚索间距和锚索预应力等对邻近高边坡稳定性的影响，并与工程施工的现场监测数据进行比对，验证模型的准确性.

1 工程概况

1.1 周边环境

大连地铁5号线是一条在建线路，全长23.8 km，设车站18座.地铁5号线10标段解放路66 kV主变电所选址方案位于劳动公园南侧，胜利东路东北侧，老干部大学西侧.变电所西北侧为胜利东路高边坡，高边坡高约10 m，现存支护方式为挡土墙支护，挡土墙类型为重力式挡土墙，墙宽为0.6 m.边坡坡地与基坑之间存在宽约3 m、高约3 m的平台.

1.2 工程地质

该研究对象边坡土质从上至下依次为素填土、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩和中风化石英岩，土层厚度依次为5 m、10 m、10 m、10 m、20 m.主变电站基坑土质从上至下为素填土、粉质黏土、中风化板岩和中风化石英岩，土层厚度依次为9 m、9 m、10 m、20 m.该场地表层土层为松散稍密状态，填土层的均匀性较差，欠固结，属于软弱地层.各土层物理力学参数见表1.

表1 各土层物理力学参数

1.3 基坑支护方案

基坑邻近高边坡段围护结构剖立面见图1.主变电所深基坑尺寸为60.2 m×41.1 m×18.4 m(长×宽×深).在本项工程设计方案中，深基坑支护形式为围护桩+锚索结合的桩锚支护，围护桩采用Φ1 200@1 700 mm的钻孔灌浆结构，嵌固深度为5 m，围护桩总埋深为20 m.锚索倾角为15°，横排锚索之间间距为1.7 m，在第一层土石方开挖1.5 m深位置上打入第一排锚索，自此竖向每隔3 m打入一排锚索，共计打入6排锚索.锚索自由端是由3根7股Φ5 mm钢绞线扭成的钢索组合而成，锚索锚固端注浆体是水灰比为0.45的纯水泥浆.锚索总长度及锚固端长度随着基坑深度的增加而减小，第一排锚索总长度为19 m，锚固端为11 m；第二、三排锚索总长度为17 m，锚固端为10 m；第四、五排锚索总长度为15 m，锚固端为7 m；第六排锚索总长度为13 m，锚固端为6 m.锚索预应力为250 kN.

图1 基坑邻近高边坡段围护结构剖立面简图

高边坡高度约为8 m，在现有的重力式挡土墙支护方式下，对挡土墙施加预应力锚索进行加固.锚索倾角为15°，横排锚索之间间距为2.0 m，在挡土墙墙脚往上高度为3 m和6 m处各打入一排锚索.锚索形式同基坑锚索形式一致，锚索总长度为11 m，锚固端为5m，锚索预应力为100 kN.

2 计算模型建立

2.1 模型建立及单元类型

挡土墙、围护桩和锚索设置为弹性模型，挡土墙和围护桩采用beam3单元，锚索采用link1单元.锚索自由端设置不受压应力条件，锚索预应力通过设置link1单元的实常数施加，锚索与围护桩之间为刚性连接.挡土墙、围护桩和锚索与土体之间通过节点耦合连接.设计围护结构参数见表2.

表2 支护结构参数表

考虑施工地点的地质和邻近高边坡等因素，选取模型100 m×55 m的区域建立二维计算模型.直角坐标系的XOZ面定为在距边坡顶部-55 m处的基底底面，以模型左下角点为坐标原点，X轴为水平方向，Y轴为竖直方向.实际土体两侧边界具有竖向位移，但没有水平位移，而底面土体既无竖向位移也无水平位移.因此，模型两侧边界对法向(X轴)进行约束，允许竖向(Y轴)位移，底部边界X、Y方向全部约束.计算模型见图2.

数值模拟过程主要研究不同支护参数对高边坡水平位移和竖向位移的影响.

图2 计算模型图

2.2 开挖方案

开挖模拟前先通过对模型施加重力荷载和约束来计算土体初始自重应力场，然后将土体的位移和速度清零，再进行基坑开挖及支护的模拟.具体模拟步骤为：第一步，激活围护桩单元；第二步，激活高边坡既有挡土墙预应力锚索单元；第三步开挖第一层土石方，开挖深度为2 m，并在开挖深度1.5 m处施加第一排预应力锚索；第四到第八步分别开挖3 m、3 m、3 m、3 m、4.4 m，并在上一步开挖处的-0.5 m处施加预应力锚索.基坑开挖前已经进行了降水处理，故模拟时不考虑地下水影响.

3 不同支护参数对高边坡稳定性影响

基坑开挖过程是开挖面上卸荷的过程，这种卸荷会引起坑内外土体初始应力状态的改变.产生的主动土压力会作用在围护结构上，会导致其产生向基坑的侧向移动变形，基坑地表也会产生相应的移动变形.比如基坑周围存在边坡，会导致边坡产生变形、滑移甚至坍塌的可能.因此，基坑在开挖时需要进行一定的支护设计，防止周围地表出现过大的变形情况，造成危险.

本文将对既有邻近高边坡深基坑开挖支护参数进行数值模拟，通过改变不同支护参数，研究其对邻近高边坡的变形影响，并与实测数据进行比较，验证了模型的准确性，可为实际工程或类似工程提供建议.

将工程设计方案参数代入到数值计算模型中，求解得到深基坑邻近高边坡侧的水平位移和竖向位移云图见图3和图4.

图3 深基坑邻近高边坡侧水平位移云图

图4 深基坑邻近高边坡侧竖向位移云图

3.1 围护桩间距变化对高边坡稳定性影响

为了研究深基坑开挖、围护桩间距对邻近高边坡的变形影响，在保持其他支护参数条件为工程设计方案的情况下，分别对围护桩间距1 200 mm、1 700 mm(工程设计方案)、2 200 mm和2 700 mm进行数值计算分析.在不同围护桩间距的条件下，深基坑开挖对高边坡水平位移和竖向位移的影响见图5和图6.

图5 不同围护桩间距下边坡水平位移图

图6 不同围护桩间距下边坡竖向位移图

根据图5和图6中实测值曲线可以看出，距围护桩结构边线越远的高边坡土体，水平位移越小；由于围护桩结构的施加，使得高边坡竖向位移在距离围护桩结构16 m左右处最大.

通过与现场实测数据进行比对，采用工程设计方案数值计算出来的边坡水平位移和竖向位移与实测值最大相差分别为0.94 mm和0.79 mm，在合理的误差范围之内，可以认为数值计算模型的参数选取是合理的，数值计算结果基本符合实际情况.

从图5和图6可以看出，随着围护桩间距的减小，高边坡最大水平位移由21.74 mm减小到13.34 mm，减小幅度为38.64%；最大竖向位移由20.46 mm减小到13.67 mm，减小幅度为33.19%.围护桩间距的变化对高边坡水平位移和竖向位移有显著的影响.

本项工程基坑监测控制值标准规定：高边坡坡顶水平位移和竖向位移控制值均不能超过30 mm，预警值为控制值的70%，即21 mm.当围护桩间距为2 700 mm时，高边坡水平位移和竖向位移最大值分别为21.74 mm、20.46 mm，水平位移已超过预警值，故不能选择此围护桩间距作为施工方案.

当围护桩间距为1 700 mm(工程设计方案)和2 200 mm时，高边坡的水平位移和竖向位移都在预警值内，因此在满足高边坡结构稳定性的前提下，建议该项工程适当增加围护桩间距，将设计方案1 700 mm改为2 200 mm，以减少工程投资.

3.2 围护桩固嵌深度变化对高边坡稳定性影响

分别取围护桩固嵌深度3 m、5 m(工程设计方案)、7 m和10 m进行数值模拟，在不同固嵌深度的条件下，深基坑开挖对高边坡水平位移和竖向位移的影响见图7、图8.

图7 不同围护桩固嵌深度下边坡水平位移图

图8 不同围护桩固嵌深度下边坡竖向位移图

从图7和图8可以看出，围护桩固嵌深度越深，高边坡变形越小.围护桩固嵌深度为3 m时，高边坡水平位移和竖向位移都较大，分别为22.34 mm、18.31 mm，水平位移超出了预警值，故不能选择此方案.当围护桩固嵌深度增加到5 m时，高边坡水平位移和竖向位移减小幅度分别为30.4%、14.63%.当固嵌深度由5 m增加到7 m、由7 m增加到10 m时，水平位移减小幅度分别为8.67%、7.08%；竖向位移减小幅度分别为11.84%、10.59%.因此，当固嵌深度超过5 m时，增大围护桩固嵌深度，对减小高边坡位移变形的作用是不显著的，反而会增大施工难度和工程投资.

从数值计算结果可以看出，当围护桩固嵌深度为5 m时，能够有效控制高边坡位移变形在预警值内，因此工程设计方案是合理的.

3.3 锚索倾角变化对高边坡的影响

分别取锚索倾角为10°、15°(工程设计方案)、20°和35°进行数值模拟.在不同锚索倾角的条件下，深基坑开挖对高边坡水平位移和竖向位移的影响见图9、图10.

图9 不同锚索倾角下边坡水平位移图

图10 不同锚索倾角下边坡竖向位移图

从图9和图10中可知，当锚索倾角为35°时，高边坡水平位移和竖向位移最大，分别为20.12 mm、22.12 mm.当锚索倾角为10°时，高边坡水平位移最大为18.23 mm，竖向位移最大为19.74 mm，已经接近预警值.当倾角由10°增加到15°、20°时，高边坡水平位移分别减小到14.86 mm、13.67 mm，竖向位移分别减小到11.56 mm、10.11 mm.根据上述数值计算结果可以看到，锚索倾角过大或过小都不能有效控制高边坡变形.

锚索倾角一般不能小于10°，锚索倾角过小会导致锚索锚固段进入潜在滑面以下的长度不足，影响锚固能力.而当锚索倾角增大时，锚索水平分力随着锚索倾角的增大而减小，作用于支护结构上的垂直分力增加，可能造成支护结构和周围地基发生过大的沉降，降低锚固效果.

实际工程中应充分考虑邻近高边坡基坑周围土层结构和施工条件，合理设置锚索倾角.根据数值计算结果，本项工程将锚索倾角由设计方案15°优化为20°后，高边坡最大水平位移降低了8.01%，最大竖向位移降低了12.54%，对控制高边坡变形更优.

3.4 锚索预应力变化对高边坡的影响

分别改变锚索预应力为150 kN、200 kN、250 kN(工程设计方案)和300 kN进行数值模拟，在不同锚索间距的条件下，深基坑开挖对高边坡水平位移和竖向位移的影响见图11、图12.

从图11和图12中可知，锚索预应力为150 kN时，高边坡水平位移和竖向位移最大，分别为20.37 mm、20.14 mm，均接近预警值；当锚索预应力为300 kN时，高边坡水平位移和竖向位移最小，分别为10.78 mm、13.59 mm.随着锚索预应力的增加，高边坡变形呈现逐渐减小的趋势，水平位移变化幅度为47.07%，竖向位移变化幅度为32.52%，增大锚索预应力对控制高边坡变形非常有效.由于锚索预应力的改变对于工程投资影响很小，所以改变锚索的预应力是控制边坡变形经济实用的一种方式.

图11 不同锚索预应力下边坡水平位移图

锚索的预应力不应设置太大，不能超过锚索的设计锚固力.过大的锚索预应力会使锚索锚固端与基岩产生滑移破坏，造成锚索失效.因此，通过与现场监测数据值进行对比，将锚索预应力设置在250 kN是合理的，既能将边坡变形控制在预警值内，同时又不会对锚索锚固端产生破坏.

4 结论

运用有限元数值模拟软件对大连地铁5号线10标段解放路66 kV主变电所的深基坑开挖支护施工进行了数值模拟，分析了不同深基坑支护参数对既有邻近高边坡稳定性的影响.结论如下：

(1)减小围护桩间距能够有效抑制高边坡的变形，高边坡位移减小幅度最高可达38.63%，但是工程投资会相应增加.在满足高边坡结构稳定性的前提下，本项工程可以适当增加围护桩间距，将设计方案1 700 mm改为2 200 mm，减少工程投资.

(2)改变围护桩固嵌深度能够有效控制高边坡变形，但当固嵌深度达到某一值后，继续增大固嵌深度对减小高边坡位移变形作用减小.对于本项工程而言，当围护桩固嵌深度由3 m增加到5 m时，邻近高边坡变形有显著减小的趋势.但是，当固嵌深度超过5 m时，增大围护桩固嵌深度，对减小高边坡位移变形的作用不显著，反而会增大施工难度和工程投资.

(3)锚索倾角大小对高边坡稳定性影响显著，倾角过大或过小都不能有效控制高边坡变形.锚索倾角由10°增加到15°、20°，高边坡位移减小，但继续增大到35°时，高边坡位移增大.根据数值计算实验结果，本工程将锚索倾角由设计方案15°优化为20°，能进一步提高邻近高边坡稳定性.

(4)锚索预应力由150 kN增加为300 kN时，高边坡水平位移和竖向位移幅度达到47.07%和32.53%.改变锚索预应力能够在不增加工程投资的情况下有效提高邻近高边坡稳定性，但是需要注意锚索预应力不宜太大，以免造成锚固结构损坏和失效.