危岩带下深基坑开挖关键技术及仿真分析

胡风明， 宋健， 闫磊， 曲振宇， 赵甜甜

(1.中交一公局重庆万州高速公路有限公司， 重庆市 404100；2.重庆三峡学院 土木工程学院)

1 前言

随着城市化建设进程的稳步推进，越来越多的基坑开挖项目出现，且规模越来越大，在面积和深度上不断有新的增长。伴随着基坑用途的改变，其周边环境也日趋复杂，这就要求在基坑施工过程中，提前对基坑开挖后的位移、支护结构的受力情况以及基坑开挖的稳定性等开展研究。陈涛等对软土地区深基坑开挖过程中不同工况下支护桩深层水平位移、支护桩竖向位移等现场监测数据进行了研究，结果表明：基坑开挖施工对支护桩及周边环境具有显著的时空效应影响；周冠南等依托宁波地铁1号线东门口站深基坑工程，结合现场监测数据，对逆作开挖基坑的时空效应进行了研究；章新等以南京某基坑工程为例，采用数值模拟方法对基坑围护结构变形进行计算，并与现场监测数据进行对比，总结了开口环形基坑围护结构变形的规律；曹一龙等分析深基坑施工监测数据，并与数值模拟结果进行对比，结果表明，遵循时空效应原理，加快施工速度、减少基坑暴露时间是控制基坑变形的重要措施。

该文以重庆三峡库区腹地某红层泥岩地区悬索桥深基坑工程为背景，对其开挖施工过程中深基坑坑底位移，锚杆、锚索的受力情况，护壁墙受力、位移情况及边坡稳定系数等进行仿真分析，总结其变形规律。

2 工程背景

2.1 工程概况

拟建工程为悬索桥锚碇基坑，一侧紧邻高陡边坡，另一侧毗邻长江。高峰岸(北岸)锚碇区位于斜坡中部地带，地面高程为210～250 m，基坑底面设计高程为198 m(锚块底面)。锚碇基坑开挖占地面积为5 958 m2，基坑底面面积为1 026 m2，边坡面积为5 633 m2，锚碇基坑开挖总方量为110 400 m3。锚碇基坑基底位于中风化泥岩上，基底容许承载力不小于1.35 MPa。锚碇区基坑开挖后，边坡高度为12.0～52.0 m，主要为泥岩和砂岩组成的岩质边坡，上覆少量块石土。基坑开挖设计情况如图1所示。

图1 拟建工程悬索桥锚碇基坑平面图

2.2 工程地质水文条件

工程所在地地形呈阶梯状，总体发育有两级陡崖和两段陡坡，陡崖有砂岩出露，地形坡度为70°～85°，陡坡区域主要被第四系崩坡积体覆盖，局部基岩出露，自然坡角为15°～45°，总体地形坡度为40°。根据现场调查及勘察成果，桥址区出露地层岩性主要有人工填土、残坡积层粉质黏土、冲洪积层卵石土夹砂、崩坡积层块石土及侏亻罗系中统沙溪庙组泥岩、泥质砂岩、粗砂岩、粉砂岩、页岩、砂岩。

施工场地所处松散岩类上层滞水主要接受大气降水补给，季节性变化明显，该岸土层以崩坡积块石土和人工填土为主，呈松散-稍密状态，为含水层，在雨季可能存在水量较大；该岸基岩裂隙水受大气降雨补给，临江区域受长江水位影响，由于该岸地表基岩主要以泥岩为主，为相对隔水层，仅陡崖位置为砂岩，故该岸基岩裂隙水总体较贫乏。

2.3 基坑开挖关键技术

根据设计图纸要求，基坑开挖边坡竖向最多分为6个大层，每个大层开挖完成后进行边坡防护施工，如图2所示。基坑设计边坡中最大坡度为1∶0.3，最小坡度为1∶1，最高处边坡有6级，最低处为1级，单级边坡高度为8、10 m两种。针对不同地层及边坡坡度采用锚喷支护、锚杆护面墙或锚索护面墙防护。

按照场地整体标高，从高往低，进行土石方开挖。每个大层边坡在具体开挖时，可结合地质情况分成不同厚度的小层，为方便开挖，一般以最大开挖深度为3 m进行控制。

图2 基坑设计边坡标高示意图(单位：m)

2.4 工程特点及难点

(1) 锚碇基坑占地面积大、开挖土石方量大，使得现场施工组织和施工难度增大，需合理配备施工机械，科学组织，流水作业。

(2) 锚碇基坑施工区域上方有一危岩带，崩坡积体上存在有孤石，给锚碇基坑开挖施工带来了安全隐患，需进行排危和安全防护措施后才能进行开挖作业。

(3) 锚碇开挖时需要配合爆破施工，爆破施工过程中的震动对边坡稳定性影响较大，为保证边坡的稳定，需要编制全面可行的爆破专项施工方案，并采取相应的安全防护措施。

(4) 地表高差大，导致基坑开挖过程出渣便道选取困难，现场采用便道随开挖高程的调整而变化的方式。

(5) 锚碇基坑施工范围采用永久排水加临时排水的方式，以减少锚碇基坑施工范围水流的侵蚀，同时设置集水井，配备抽水泵，预防大雨对基坑浸泡及边坡的冲刷。

(6) 由于锚碇位置地形坡度大、基坑深，施工过程中需对边坡进行动态监控，以保证施工的安全。

3 有限元模型的建立

借助MIDAS NX V2018 R1有限元分析软件进行模拟分析与计算。岩土计算选用莫尔-库仑弹塑性材料模型，需要输入的岩石力学参数为黏聚力、内摩擦角、体积模量、剪切模量、抗拉强度，如表1、2所示，模型共划分为32 463个节点和57 080个单元。对模型的建立和分析计算提出了以下假设：模型初始地应力平衡只考虑自重应力，忽略构造应力的影响；边坡开挖暂不考虑地下水和降雨的作用。岩体及数值计算时的参数分别如表1、2所示。

表1 岩土层主要物理力学参数

表2 数值计算时支护结构材料参数

4 有限元计算结果

4.1 开挖过程基坑位移分析

基坑位移大小直接关系着开挖的安全性，对所建立的有限元模型进行仿真分析，得到不同级边坡开挖时基坑位移如图3所示。

图3 基坑开挖坑底位移云图(单位：m)

由图3可知:1级边坡开挖完成最大位移发生在底板，为2.04 cm。第4、3、2级边坡开挖时，随着开挖卸荷和岩体回弹，边坡侧壁位移值分别为0.98、1.42、1.70 cm。

4.2 锚杆、锚索受力情况

对锚杆、锚索的内力图进行分析可以确定基坑支护结构的安全性，根据有限元模型进行仿真分析，得到锚杆、锚索的轴力情况如图4、5所示。

图4 基坑锚杆、锚索轴力云图(单位：kN)

图5 基坑锚杆、锚索局部轴力云图(单位：kN)

由图4、5可知：锚杆受力均较小，符合设计要求。但是第2级边坡锚索轴力为605 kN，略高于施加的预应力600 kN；分析其原因主要是锚索受力情况和边坡岩层位移直接相关，锚索应力增加主要是由边坡侧壁岩体的水平回弹引起的。但是，从总体上看锚杆及锚索的受力仍处于安全范围内。

4.3 护壁墙受力及位移情况

基坑护壁墙的受力及位移情况如图6、7所示。

图6 最大剪应力(单位：kPa)

图7 护壁墙的总体位移(单位：m)

由图6可知：坡顶侧护壁墙在折角处剪切应力较大，尤其是台阶底缘出现应力集中，最大剪切应力为 2.35 MPa。护壁墙采用C30混凝土，φ6 mm钢筋网配筋，C30混凝土抗剪强度标准值约为2.85 MPa(具体值通过试验确定)。模拟计算最大剪切应力小于C30混凝土抗剪强度标准值，护壁墙在静力条件下强度满足要求。由图7可知：除了基坑底板外，基坑第2级、3级边坡护壁墙位移最大，主要表现为向基坑中心收敛，变形值为1.07～1.76 cm。

4.4 边坡稳定系数

通过对有限元模型进行仿真分析得出边坡的体积应变云图、塑性应变云图、等效应变云图、最大剪切应变及边坡总体位移云图如图8～12所示。

图8 边坡体积应变

由图8～12可知：通过体积应变、有效塑性应变、最大剪切应变、位移等计算指标，可判断出北锚碇基坑潜在滑移面的位置。经计算，开挖支护后(第1级边坡尚未支护)时边坡安全系数为2.27。

图9 边坡塑性应变

图10 边坡等效应变

图11 边坡最大剪切应变

图12 边坡总体位移(单位:m)

5 结语

以重庆市三峡库区腹地危岩带下某大桥锚碇深基坑施工为例，通过对危岩带下深基坑开挖及支护的关键技术进行分析，明确提出边坡分级、分区域开挖的施工方法可以有效减小基坑的变形，对确保基坑开挖的安全性至关重要，施工时应严格按照施工顺序有序推进，合理开挖。有限元分析结果表明：开挖最不利工况为第1级边坡(靠近坡顶侧)，开挖完成后最大位移在底板，这为保证施工过程的安全奠定了坚实的基础。护壁墙及锚杆、锚索在开挖支护过程中的作用不可忽略，由分析结果可以看出：施工中部分锚杆的应力、位移临近设计值，因此开挖过程中支护结构的强度及位移应重点保证。