汲曉鋒

（中鐵十四局隧道集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

濟(jì)南地區(qū)由南向北地質(zhì)條件差異較大，南面以石灰?guī)r山區(qū)為主，北面以富水粉粘地層為主［1-3］。特殊的地質(zhì)條件為濟(jì)南基坑建設(shè)帶來(lái)了諸多困難，例如豐富的地下水易對(duì)石灰?guī)r帶來(lái)溶洞、空腔等不利地質(zhì)問(wèn)題，同時(shí)會(huì)降低碎石層的力學(xué)性能，為基坑開(kāi)挖帶來(lái)難題。因此，如何在特殊的富水條件下保證基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定性具有重要意義。

對(duì)于巖質(zhì)基坑穩(wěn)定性的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了不少研究。馮錦艷等［4］對(duì)超深巖石基坑破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)巖石基坑破壞與土質(zhì)基坑破壞有本質(zhì)區(qū)別；劉濤等［5］對(duì)巖石基坑和土巖組合基坑在不同結(jié)構(gòu)面滑移下的穩(wěn)定公式進(jìn)行了研究，得出了穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法；李現(xiàn)敏［6］對(duì)石質(zhì)基坑及滑移線選取進(jìn)行了研究，得到坑底為巖質(zhì)、邊坡為土質(zhì)的基坑滑移線應(yīng)取直線的結(jié)論；嚴(yán)薇［7］對(duì)土巖基坑土層開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)巖面深度及巖層走向影響基坑穩(wěn)定性；趙會(huì)艷等［8］對(duì)土巖組合基坑下基坑開(kāi)挖變形規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土巖基坑與土層基坑變形規(guī)律存在較大差異。

綜上可知，對(duì)土巖組合基坑或巖石基坑的滑移及其穩(wěn)定性研究較多，但針對(duì)基坑具體的支護(hù)方式組合研究不多。針對(duì)濟(jì)南地區(qū)復(fù)雜的巖石地質(zhì)條件，研究深大基坑開(kāi)挖支護(hù)方式，提出安全、有效的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于提高基坑穩(wěn)定性，保證工程健康推進(jìn)是有重要意義。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本文研究的車站為濟(jì)南地鐵R3線龍奧站，該站位于龍奧南路與奧體西路交叉口，沿奧體西路南北向布置，西側(cè)為轉(zhuǎn)山，東側(cè)為銀豐財(cái)富商業(yè)樓。車站全長(zhǎng)188 m，開(kāi)挖最大寬度41.2 m，最大深度23.1 m，基坑開(kāi)挖支護(hù)采用分級(jí)放坡聯(lián)合錨網(wǎng)噴形式。如圖1所示，若基坑采用三級(jí)放坡，第一、二臺(tái)階寬度分別為a、b，第二、三級(jí)坡率分別為1：x、1：y。第一級(jí)坡高度較小，不影響基坑穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于二、三級(jí)坡率。下文會(huì)進(jìn)一步對(duì)不同x、y取值下的基坑安全系數(shù)進(jìn)行研究。

圖1 基坑支護(hù)斷面圖Fig.1 Section of foundation pit support

1.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)該車站詳勘報(bào)告［10］，基坑地表存在0.5m的素填土，以下分布主要為中風(fēng)化石灰?guī)r，該層分布廣泛，全部鉆孔揭露該層，厚度約40m。中風(fēng)化石灰?guī)r巖體構(gòu)造節(jié)理及風(fēng)化裂隙較發(fā)育，節(jié)理面呈閉合-微張開(kāi)狀，裂隙充填黏土。巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度在11.30～15.20 Mpa之間，烘干狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度在30.80～43.30之間。地勘報(bào)告顯示，該區(qū)域揭露發(fā)育溶孔、溶洞等溶蝕現(xiàn)象，巖溶發(fā)育為較發(fā)育，屬淺覆蓋型巖溶，呈透鏡體形式存在，大部分填充硬塑性黏土。溶洞平均高度2.1 m，寬度3.0 m左右。

本場(chǎng)地地下水按賦存條件為裂隙巖溶水，巖溶水位埋深在地表以下100 m，車站主要以上層滯水為主，無(wú)穩(wěn)定地下水。

2 巖質(zhì)基坑失穩(wěn)理論

巖質(zhì)基坑穩(wěn)定性在本質(zhì)上與巖體碎裂程度直接相關(guān)，即巖體結(jié)構(gòu)面方向和巖體裂隙張開(kāi)度決定了應(yīng)力卸載下的巖體狀態(tài)。對(duì)于破碎的強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，巖體處于松散狀態(tài)，在支護(hù)設(shè)計(jì)上一般采用錨網(wǎng)噴，計(jì)算方法為土質(zhì)邊坡的圓弧滑動(dòng)法［9-11］。對(duì)于結(jié)構(gòu)面規(guī)整且完整的巖體，基坑邊坡破壞時(shí)通常沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面或某些軟弱結(jié)構(gòu)面集中部位進(jìn)行。對(duì)于完整且存在結(jié)構(gòu)面的巖體破壞形式有以下幾種：

（1） 沿某一結(jié)構(gòu)面破壞

此種情況理論模型簡(jiǎn)單，便于計(jì)算，但實(shí)際工程中很少發(fā)生此種破壞。該模型主要利用力學(xué)平衡理論結(jié)合巖體本構(gòu)模型分析，假設(shè)邊坡沿單一軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，其模型如圖2所示。

圖2 單一結(jié)構(gòu)面滑裂模型Fig.2 Single structural plane of slide model

該模型下基坑狀態(tài)判定公式為：

式中，W為滑裂塊自重，T為垂直滑裂面分力，H為滑裂塊自然高度，Cj、φj為巖體等效粘聚力和內(nèi)摩擦角。

（2） 沿兩組滑動(dòng)面破壞

當(dāng)巖體裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)面存在多條平行的情況時(shí)，當(dāng)基坑處于卸載狀態(tài)會(huì)誘發(fā)邊坡沿多個(gè)結(jié)構(gòu)面同時(shí)滑動(dòng)。工程常見(jiàn)沿兩個(gè)傾角不同的軟弱面滑動(dòng)，其力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 雙結(jié)構(gòu)面滑裂模型Fig.3 Double structural plane of slide model

該模型下的穩(wěn)定狀態(tài)判定公式為：

式中，W為滑裂塊自重，T為垂直滑裂面分力，L為滑裂塊最小高度，cj、φj為巖體等效粘聚力和內(nèi)摩擦角。

（3） 楔形體滑動(dòng)

當(dāng)巖體中若干滑裂面在邊坡受到擾動(dòng)后自動(dòng)搜索出一組或幾組最不利軟弱面后，將形成局部的三維楔形滑裂體。此種情況在基坑破壞中最為常見(jiàn)，尤其是在溶洞或破碎帶較為發(fā)育地區(qū)，而且破壞通常呈突發(fā)性，時(shí)間間隙短。其力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 楔形體滑裂模型Fig.4 Wedge structural plane of slide model

圖中，楔形體頂面為一平畫面，楔形體W1與W2的滑裂角分別為β1、β2，兩楔形體交界線傾角為β，巖體坡角為α，其穩(wěn)定判定公式如下：

式中，N1、N2分別為滑裂體作用在滑槽兩個(gè)面上的分力，φ1、φ2分別為兩滑裂體的內(nèi)摩擦角。

3 基坑支護(hù)方案正交設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑中常見(jiàn)的破壞形式結(jié)合支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，巖質(zhì)邊坡通常選擇放坡開(kāi)挖+錨網(wǎng)噴混凝土的支護(hù)方式［12-15］。邊坡放坡級(jí)數(shù)及坡率是最為關(guān)鍵的要素之一，直接影響滑裂面形成，其次錨桿支護(hù)參數(shù)及錨網(wǎng)噴厚度是穩(wěn)固滑裂體的重要手段。為找到該地質(zhì)條件下的最佳支護(hù)形式，借助正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)手段尋求最為安全、最為經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案。

3.1 正交試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是基于方差分析統(tǒng)計(jì)模型的快速算法，可針對(duì)繁雜、耗時(shí)較多的試驗(yàn)方案甄選出具有代表性的若干組試驗(yàn)。該試驗(yàn)以多因素多水平樣本為基礎(chǔ)，通過(guò)正交試驗(yàn)表格，設(shè)置因子水平，可快速完成目標(biāo)試驗(yàn)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，正交試驗(yàn)的結(jié)果具有較高的均勻性和整體性。根據(jù)該思想和巖石理論分析，在地質(zhì)情況一定的情況下，邊坡的幾何現(xiàn)狀及支護(hù)方式是決定安全狀態(tài)的重要因素，因此可確定四項(xiàng)主要因素：放坡級(jí)數(shù)、放坡坡率、平臺(tái)寬度及錨桿間排距等四個(gè)因素，四個(gè)因素可分為三個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。

放坡級(jí)數(shù)是提高邊坡安全儲(chǔ)備的重要手段，可分為以下三個(gè)水平：（1） 一級(jí)放坡，即坡面無(wú)平臺(tái)；（2） 二級(jí)放坡，即坡面存在一個(gè)平臺(tái)；（3） 三級(jí)放坡，即坡面存在兩個(gè)平臺(tái)。放坡坡率是決定坡面滑裂面位置的關(guān)鍵因素，可分為三個(gè)水平： ①1：0.1； ②1：0.3； ③1：0.5。 基坑工程中邊坡平臺(tái)既可以提高邊坡穩(wěn)定性，又可以作為施工人員操作平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可分為三個(gè)水平：Ⅰ.0.5 m；Ⅱ.1.0 m；Ⅲ.1.5 m。錨桿支護(hù)是保證基坑安全，穩(wěn)固邊坡碎石的主動(dòng)防護(hù)手段，可分為三個(gè)水平：ⅰ.豎向間距4 m，水平間距3 m，梅花形布置；ⅱ.豎向間距3 m，水平間距2 m，梅花形布置；ⅲ.豎向間距2 m，水平間距1 m，梅花形布置。

3.2 試驗(yàn)考察指標(biāo)確定

判定基坑穩(wěn)定性的重要指標(biāo)是坑頂水平位移及地表沉降，兩項(xiàng)指標(biāo)均可通過(guò)圍巖位移反應(yīng)，因此可提出三個(gè)指標(biāo)判斷基坑穩(wěn)定性：①坑頂部圍巖位移最大值（ε）；②坡面集中應(yīng)力最大值（σ）；③基坑塑性區(qū)面積（Δ）。指標(biāo)①可反應(yīng)地表沉降情況，判斷基坑滑陷范圍。通過(guò)指標(biāo)②可看出圍巖應(yīng)力集中部位，判斷出滑裂面刃腳延伸線。指標(biāo)③可綜合反應(yīng)基坑穩(wěn)定狀態(tài)，且指標(biāo)①聯(lián)合指標(biāo)②可判斷任意位置巖體單元狀態(tài)。

3.3 正交試驗(yàn)表建立

根據(jù)上文確定的四項(xiàng)因素及各因素分級(jí)的三中等級(jí)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)核心理論可確定快速、準(zhǔn)確L9（34） 的表格。

表1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

4 仿真模型建立

4.1 模型建立

利用3D仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)可將復(fù)雜、繁多的試驗(yàn)得以程序化、可操作化［16-17］，如圖5所示，根據(jù)基坑尺寸考慮巖體卸荷引起的圍巖應(yīng)力變化范圍，建立長(zhǎng)×寬×高分別為100×50×50 m的Flac有限差分法數(shù)字模型。模型單元數(shù)量為25500，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為72400。在基坑坡頂施加數(shù)值為20 kPa的豎向荷載模擬施工機(jī)械走動(dòng)，在模型底部施加固定支座約束邊界，四周施加水平連桿對(duì)稱約束邊界條件。根據(jù)勘察資料將底層概化為一種均質(zhì)的中風(fēng)化石灰?guī)r，巖體破壞準(zhǔn)則服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。錨桿單元采用Cable單元，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土采用Shell單元模擬。

圖5 仿真數(shù)值模型Fig.5 Numerical simulation model

4.2 仿真步驟

初始化地應(yīng)力，準(zhǔn)確定位模型在基坑開(kāi)挖前的圍巖狀態(tài)，是保證模擬結(jié)果高精度的首要關(guān)鍵步驟。在模擬基坑開(kāi)挖前，根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，反演地層初始地應(yīng)力，以地勘提出的巖體力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合0.98的逼近率手法反復(fù)驗(yàn)算基坑初始參數(shù)，直至達(dá)到設(shè)定數(shù)值。簡(jiǎn)述模擬步驟如下：（1） 初始化模型應(yīng)力狀態(tài)；（2） 設(shè)定模型最大不平衡力（Nubalance Force） 為10 N；（3） 按設(shè)定坡率開(kāi)挖首層土地，單層開(kāi)挖最大深度小于2 m，并打設(shè)錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)，運(yùn)算模型至平衡；（4） 循環(huán)步驟（3）完成基坑開(kāi)挖；（5） 收集監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移、應(yīng)力數(shù)值。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由正交試驗(yàn)表可得出九種計(jì)算結(jié)果，其中圍巖應(yīng)力、位移通過(guò)軟件可自動(dòng)輸出，圍巖塑性區(qū)面積采用程序自動(dòng)調(diào)出。如表2所示為九種模擬結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)各指標(biāo)結(jié)果

為直觀了解試驗(yàn)結(jié)果，以7號(hào)試驗(yàn)為例分析基坑穩(wěn)定狀態(tài)。如圖6（a）所示為基坑水平位移云圖，模型下部水平位移無(wú)發(fā)生，只在上部坡頂位置發(fā)生朝向基坑方向的水平位移。坡頂位置水平位移最大值為8.5 mm，方向朝基坑內(nèi)部。在第二個(gè)平臺(tái)處，水平位移值為7.6 mm，即第一級(jí)邊坡呈先滑裂趨勢(shì)。從圖6（b）中的應(yīng)力云圖中可以看出，在位移較大區(qū)及位移較小區(qū)分界處出現(xiàn)滑移面上部應(yīng)力降低，下部應(yīng)力增加現(xiàn)象，說(shuō)明該位置圍巖出現(xiàn)破壞。從圖6（c）塑性區(qū)云圖可看出，基坑沿某一弧線出現(xiàn)塑性區(qū)擴(kuò)展，發(fā)生剪切-拉伸破壞（shear-n，tension-n），說(shuō)明滑裂線位置巖體經(jīng)歷了剪切破壞和拉伸破壞，并且正處于此狀態(tài)。在滑移線上部圍巖出現(xiàn)（shear-p），即圍巖在基坑開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生過(guò)剪切破壞，在挖到坑底時(shí)圍巖又回歸于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 仿真云圖Fig.6 Numerical nephogram

根據(jù)云圖分析可知該試驗(yàn)下基坑位移總體來(lái)說(shuō)較小，處于安全狀態(tài)，為直觀分析剩余試驗(yàn)下基坑安全狀態(tài)，根據(jù)表2遵循極差計(jì)算公式，可分析出四種因素下每級(jí)水平對(duì)研究指標(biāo)的影響程度，即因素對(duì)目標(biāo)結(jié)果的貢獻(xiàn)率。如表3所示為各因素對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)值。

表3 各因素對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)值

由表3可知，對(duì)圍巖水平位移影響程度由大到小依次為放坡坡率>放坡級(jí)數(shù)>錨桿參數(shù)>平臺(tái)寬度；對(duì)圍巖最大應(yīng)力影響的程度由大到小依次為：放坡坡率>放坡級(jí)數(shù)>錨桿參數(shù)>平臺(tái)寬度；對(duì)基坑塑性區(qū)范圍影響的程度由大到小依次為：放坡坡率>放坡級(jí)數(shù)>錨桿參數(shù)>平臺(tái)寬度。放坡坡率及放坡級(jí)數(shù)是影響基坑安全性的關(guān)鍵因素，坡面形狀決定滑動(dòng)巖體幾何重心位置，并影響滑動(dòng)體的下滑力和阻滑力之間的關(guān)系。對(duì)于坡面巖體單元，其豎向應(yīng)力不變，但水平應(yīng)力驟降為零，由穩(wěn)定的三維受力狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定的雙向受力狀態(tài)，坡面越陡，其狀態(tài)差異越顯著，圍巖也就也易發(fā)生塑性破壞。在施工時(shí)，因根據(jù)圍巖破碎狀態(tài)合理設(shè)置放坡級(jí)數(shù)，并且在考慮經(jīng)濟(jì)的同時(shí)盡量增加平臺(tái)寬度，有利于圍巖穩(wěn)定并給施工帶來(lái)較大益處。另外，坡面開(kāi)挖完成后，應(yīng)及時(shí)做錨網(wǎng)噴支護(hù)，將巖體單元的雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三向受力狀態(tài)。

6 結(jié)論及建議

該工程尚處于設(shè)計(jì)階段，缺少現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該文結(jié)論可為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。為此，在控制巖質(zhì)基坑變形時(shí)，首要考慮基坑邊坡坡率及放坡級(jí)數(shù)，其次注重錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)，對(duì)于保證巖質(zhì)基的安全穩(wěn)定性并降低工程造價(jià)具有重要意義。