不同开挖与支护方式下隧道洞口深基坑仰坡水平位移变形规律研究

韩苗苗

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 401121）

0 引言

基坑施工过程中仰坡的安全与稳定对于地铁隧道建设至关重要。现场监测和数值模拟试验是研究基坑工程的两种重要手段[1-2]。学者们开发了考虑基坑开挖过程中地下水渗流和土体骨架变形耦合的三维有限元程序，可以分析基坑开挖过程中既有建筑物地基沉降和残余变形间的相互关系，以及基坑周围相邻土体的垂直位移、水平位移等变形规律[3-6]。本文以城市轨道交通隧道洞口深基坑开挖与支护工程项目为背景，采用现场监测试验与数值模拟试验相互结合的方法，分析在不同开挖与支护方式下，深基坑仰坡水平位移变形规律，以期为类似基坑工程项目的施工提供参考。

1 数值模拟

1.1 数值模拟概况

根据重庆轨道交通9 号线中从区间隧道从岩寺站始发洞口深基坑的实际情况，采用FLAC3D 有限差分软件，对始发洞口深基坑的开挖与支护建立三维数值模型。

为了减少边界效应的影响，以及尽可能提高运算效率，根据相关基坑施工经验，在本模型中，上部取至地表，基坑周围取3 倍最大开挖深度，底部取2 倍最大开挖深度，即：Z 方向高度为46～95m；底部X 方向为111m，Y 方向为180m。模型共划分63712 个单元，38340 个节点，边界条件为：模型四周施加水平方向约束，底部施加竖向约束，地表为自由表面。数值计算模型如图1所示。

图1 数值模拟模型（单位：m）

1.2 数值模型验证

喷锚支护情况下基坑分级分层开挖完成时仰坡水平位移云图如图2所示。

由图2 可以看出，基坑开挖完成后，最大水平位移的位置集中在仰坡的一级坡最中间位置，最大水平位移量为13.331mm。为了证明该基坑开挖与支护数值模拟方法的可靠性，选择深基坑南侧仰坡坡顶和分级平台中间位置的2 个监测点BPS4 与BPS10 为研究对象，将数值计算和实际监测结果对比分析，结果如图3（a）和（b）所示。由图3 可以看出，BPS4 监测点最终水平位移量的模拟结果和监测结果相差不大，模拟结果为6.96mm，监测结果为7.1mm，仅相差0.14mm；而BPS10 监测点最终水平位移量的模拟结果略大于监测值，模拟结果为7.44mm，监测结果为6.46mm，相差0.98mm。主要原因为地勘报告中基坑岩土层的物理力学参数存在一定的波动范围，而在本计算模型中的参数均采用了平均值，导致数值计算结果和实际监测结果的最终水平位移量在数值上存在一定的误差，但模拟结果和监测结果的变化规律基本一致，该计算模型基本可以反应基坑仰坡因开挖而引起的水平位移，从而证明了该基坑开挖与支护数值方法的有效性。

图3 仰坡水平位移模拟结果与监测结果

2 影响因素试验分析

2.1 试验设计

在深基坑仰坡开挖与支护数值模拟试验中，支护结构与开挖方式的不同均会影响仰坡水平位移变形规律。本文结合重庆轨道交通9 号线从岩寺站始发洞口深基坑仰坡开挖的实际施工工况，将开挖方式与支护结构作为主要影响因素，采用数值模拟方法进行研究。该工程中的深基坑仰坡开挖工程采用的是分级分层开挖和喷锚支护的施工方式，仰坡开挖层数为15 层，分为2 级。因此，本文从不支护、锚杆支护和喷锚支护3种情况下考虑分级分层开挖的影响，分析仰坡开挖引起的水平位移变形规律。

2.2 试验结果对比分析

对表1中的9组数值计算结果进行统计分析，提取计算结果中基坑仰坡中线的坡顶、二级坡中点、分级平台、一级坡中点和坡底5 处监测点的最终水平位移量，分别记为S1～S5。结果可知，分别在不支护、锚杆支护和喷锚支护情况下，不管采用哪种开挖方式，其最大水平位移量均集中在一级坡中点监测点附近。其中采用一次性开挖完成，并且不进行任何支护的情况下，一级坡中点处监测点的水平位移量最大，该测点的水平位移量达到了21.494mm；而采用分级分层开挖方式下，并同时进行喷锚支护时，一级坡中点处监测点水平位移量仅为12.075mm，水平位移量减少了43.82%。由此可知，采用分级分层开挖，同时进行喷锚支护的施工方式，极大地减少了深基坑仰坡的水平位移变形量，使仰坡开挖变形更加稳定，保证了施工安全，也证明了该工程所采用的开挖和支护方式是安全可靠的。

表1 数值模拟计算结果

为进一步分析深基坑仰坡在未支护、锚杆支护和喷锚支护3 种支护情况下，不同的开挖方式对仰坡水平位移的影响，选择仰坡中心线坡顶至坡底各监测点的水平位移计算结果进行对比分析，分别如图4（a）、（b）和（c）所示。由图4 可知，不管是采用未支护、锚杆支护、还是喷锚支护，开挖方式的不同，均会一定程度影响仰坡水平位移变形量，而采用分级分层的开挖方式，对减少水平位移量有明显效果。在未支护情况下，采用一次性开挖、分级开挖和分级分层开挖3 种开挖方式的最大水平位移量分别为：21.425mm、20.669mm和19.968mm；在锚杆支护情况下，3 种开挖方式的最大水平位移量分别为：18.927mm、18.679mm和18.420mm；在喷锚支护情况下，3种开挖方式的最大水平位移量分别为：14.009mm、13.233mm和12.462mm，采用分级分层开挖，喷锚支护的施工方式明显更安全。

图4 仰坡中心线水平位移

结合图4 中9 组数值试验计算结果分析可知，最大水平位移的位置均集中在一级坡中点附近，即TBM 地铁隧道始发洞口所在位置附近，考虑到该位置对后期施工的重要作用，在实际施工过程中，还采用了大管棚超前支护，以进一步保证仰坡的安全与稳定，减少后续TBM施工对深基坑仰坡的影响。

3 结束语

本文以重庆轨道9 号线TBM 地铁隧道洞口深基坑为背景，对深基坑仰坡在不同开挖方式和支护形式下的施工建立数值计算模型，并结合实际监测结果进行对比，分析深基坑仰坡水平位移变形规律，主要结论如下：

（1）深基坑仰坡计算结果与实际监测结果的变形规律基本一致，坡顶和分级平台测点的最大水平位移误差分别仅为0.14mm和0.98mm。

（2）在不同的开挖方式和支护形式下，其最大水平位移点位置均集中在仰坡一级坡中点附近，为保证施工的安全，该位置需加强支护措施。

（3）对深基坑仰坡采用分级分层开挖、喷锚支护的施工方案，相比不进行支护情况下一次性开挖的施工方案，其一级坡中点处的水平位移量减少了43.82%，证明了该施工方案的可靠性。

（4）由于地勘报告中基坑岩土层的物理力学参数存在一定的波动范围，而本文采用了平均值，导致计算结果和监测结果仍然存在略微误差，在今后研究中应选取更加精确合理的取值方式。