地下隧道深基坑仰坡开挖与支护数值模拟及安全性分析_李小军.pdf

文章编号:1009-6094(2023)03-0812-07地下隧道深基坑仰坡开挖与支护数值模拟及安全性分析*李小军(中铁二十三局集团第六工程有限公司，重庆 401121)摘要:为了降低地下隧道深基坑施工风险，避免基坑仰坡开挖过程中造成坍塌事故，以重庆九号线从岩寺站的隧道掘进机始发洞口深基坑工程为背景，对基坑南侧仰坡的分级分层开挖进行数值模拟，分析在不同支护方式下仰坡开挖产生的围岩变形规律与特征，并结合现场实时监测数据对深基坑开挖过程进行安全性分析。结果表明，深基坑仰坡实测水平位移与数值模拟结果变化规律基本一致，计算模型反映了基坑因开挖而引起的水平变形，数值模拟结果合理。深基坑仰坡水平位移随开挖深度增大而增大，最大值位置从二级坡中点附近逐渐下移到一级坡中点附近;采用喷锚支护的支护方式，相比单纯锚杆支护与未支护下的基坑开挖，支护效果更加显著，最大水平位移有明显减小，表明该深基坑采用的开挖与支护方案是安全有效的。关键词:安全工程;深基坑;隧道掘进机始发洞口;仰坡;围岩变形;安全性分析;数值模拟中图分类号:X93文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1973*收稿日期:2021 11 02作者简介:李小军，高级工程师，硕士，从事城市轨道交通、地下工程施工研究，1097730807 qq com。0引言城市轨道交通的快速发展推动了基坑工程的建设。基坑工程具有很强的区域性，其开挖引起的围岩变形，会随着开挖深度的增加而逐渐增大，在基坑开挖过程中施加合理有效的支护结构可以很好地减小围岩的变形1。因此，利用现场实时监测技术和数值模拟等研究基坑开挖过程中围岩的变化，可以有效防止危险事故的发生2 6。2001 年，李云安7 开创性地采用系统论的观点分析了深基坑工程，并运用实测和数值模拟对 3 个深基坑工程实例的变形规律进行数理统计分析，得出了估算基坑最大沉降、最大水平位移或最大隆起及其位置的统计关系式。2007 年，Finno 等8 对 150 个基坑的变形特性进行了数值模拟，论证了基坑开挖的深度和宽度等都会对基坑变形产生影响，为后续基坑工程的进一步研究奠定了基础。王洪德等9 运用 FLAC3D构建数值分析模型，分析了软弱地层地铁车站深基坑变形特征及地表沉降趋势。奚家米等10 从安全性和经济性角度，对比分析 FLAC3D数值模拟软件模拟结果与现场监测数据，研究了复杂环境下软土深基坑开挖变形对周围环境的影响。赵川等11 采用有限元法对锦屏水电站缆机平台高陡边坡分级开挖支护过程进行数值模拟计算，得出岩体强度参数对边坡的变形影响最大，为实际高陡岩石边坡工程开挖支护方案优化和施工提供了参考。蒙国往等12 对土岩复合地层车站深基坑进行有限元数值模拟，为施工过程中施工工序和参数的调整提供了参考。Xu 等13 利用变形实时监测和数值模拟相结合的方法，研究基坑开挖引起的既有建筑物地基沉降与残余变形之间的关系，为其他类似工程提供了参考。L 等14 通过 BP 神经网络和灰色理论，预测基坑相邻地表的竖向变形，从而保证基坑施工过程中整体的安全与稳定。国内外学者的研究为深基坑施工提供了安全有效的技术支持，但关于在软硬不均的复合岩层地质条件下的深基坑开挖研究较少。因此，有必要结合工程实际对喷锚支护或锚杆支护下的基坑开挖变形进行系统性的对比分析。本文以重庆轨道交通九号线从岩寺站的隧道掘进机始发洞口深基坑为例，采用基坑施工现场实时监测数据与数值模拟相结合的方法，对未支护、锚杆支护和喷锚支护下基坑开挖引起的围岩水平变形规律和安全性进行分析，以期为类似基坑工程项目施工安全提供指导。1工程地质概况从岩寺站作为重庆市轨道交通九号线二期工程的重要组成部分，位于重庆市渝北区空港佳园公租房以西约 200 m 处。研究的从岩寺站始发洞口深基坑仰坡为原始斜坡地貌区，开挖形成高度为 0 25m 高岩土质混合边坡，覆盖土层为厚度 0 3 m 的第四系全新统残坡积粉质黏土，其开挖的主要岩层为侏罗系中下统沉积岩层砂质泥岩(软)，在开挖断面内还有约 4 m 厚的侏罗系中下统沉积岩层砂岩(硬)，与砂质泥岩组成了软硬不均的互层地质结构。2开挖与支护方案1)隧道掘进机始发洞口深基坑采用明挖法施工。由于后期规划道路的路面标高的影响，以及为了减小开挖引起的围岩变形，基坑采用分级分层的218第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023开挖方式，共分为2 级，台阶宽度为1.5 m，采用人工与机械相结合的方式。在开挖过程中先开挖基坑南侧的仰坡，再开挖其余两侧的边坡，分为 15 层进行施工，每开挖一层立即进行喷锚支护，从而最大限度保证基坑仰坡的稳定性。2)坡率法+喷锚支护。基坑南侧仰坡段一级坡呈 1 0.3 坡率放坡，二级坡呈 60坡率放坡，对前两排锚杆采用直径 22 mm、长度 L=6 m 进行支护，锚杆间距为 1.5 m，其余部分锚杆均采用直径 22 mm、长度 L=4.5 m、间距 1.5 m 进行支护。隧道掘进机始发洞口基坑仰坡支护结构剖面图见图 1。图 1基坑仰坡支护结构剖面图(单位:m)Fig 1Profile diagram of support structure in thefoundation pit(unit:m)3基坑监测结合隧道掘进机始发洞口深基坑围岩地质状况、周围环境，以及深基坑施工对后期隧道掘进机能否顺利始发的重要作用，在基坑实际开挖过程中，需对深基坑的竖向和水平位移，以及北侧三面挡墙和既有航油管线变形情况等进行重点监测。从隧道掘进机始发洞口深基坑监测点平面布置图可知(图2)，本文重点分析的基坑南侧仰坡共布置了 6 个平行于隧道方向的水平位移监测点和 6 个竖向位移监测点，分别位于仰坡坡顶和分级平台处的左侧、中线和右侧。4数值模拟4.1计算工况从岩寺站始发洞口深基坑在实际工程中采用分级分层开挖，边挖边支护，并通过实时监测技术，严格控制基坑的围岩变形。为了使模拟的工况更加符合工程实际，分为 15 个工况，在 3 种支护方式下进行模拟:未支护下的分级分层开挖、边挖边采用锚杆支护和边挖边采用喷锚支护。3 种支护方式下的基坑开挖与支护模拟过程见表 1。图 2基坑监测点平面布置图Fig 2Plan for foundation pit monitoring point4.2模型建立本文利用 FLAC3D有限差分软件，结合从岩寺站始发洞口深基坑的实际情况，建立了基坑三维模型。计算模型除考虑开挖部分外，还需充分考虑基坑开挖过程中对基坑周围岩土体的影响范围。为了保证模拟结果的准确性，根据相关的工程经验，本模型取最大开挖深度的 3 倍作为基坑外侧的围岩变形影响边界，取 2 倍作为基坑的底部边界。整个模型尺寸取为:底部宽111 m 长180 m，最小高度46 m，最大高度 95 m。模型共计 63 712 个单元、38 340 个节点，深基坑三维计算模型见图 3。4.3计算参数基坑模拟过程中，将岩土层视为理想弹塑性材料，基坑及周围岩土体均采用摩尔库伦(Mohr-Coulomb)本构模型进行模拟15。根据地勘报告可知，基坑岩层以砂质泥岩为主，开挖影响范围内的岩土层可分为 4 层，从上至下分别为粉质黏土、砂质泥岩、砂岩、砂质泥岩。考虑到本工程的实际情况，对锚杆支护采用 FLAC3D内置的 cable 单元模拟，对喷锚支护采用 cable 和 shell 单元。各地层、喷层和锚杆的物理力学参数见表 2 和 3。基坑仰坡围护结构3182023 年 3 月李小军:地下隧道深基坑仰坡开挖与支护数值模拟及安全性分析Mar，2023表 1施工工况Table 1Construction conditions工况未支护锚杆(cable)支护喷锚(cable+shell)支护1开挖 1.2 m开挖 1.2 m，打入第 1 排锚杆开挖 1.2 m，第 1 层喷锚支护2开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 2 排锚杆开挖 1.5 m，第 2 层喷锚支护3开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 3 排锚杆开挖 1.5 m，第 3 层喷锚支护4开挖 2.0 m开挖 2.0 m，打入第 4 排锚杆开挖 2.0 m，第 4 层喷锚支护5开挖 2.0 m开挖 2.0 m，打入第 5 排锚杆开挖 2.0 m，第 5 层喷锚支护6开挖 2.0 m开挖 2.0 m，打入第 6 排锚杆开挖 2.0 m，第 6 层喷锚支护7开挖 0.8 m 至分级平台开挖 0.8 m 至分级平台开挖 0.8 m 至分级平台，挂网喷砼(shell)8开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 7 排锚杆开挖 1.5 m，第 7 层喷锚支护9开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 8 排锚杆开挖 1.5 m，第 8 层喷锚支护10开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 9 排锚杆开挖 1.5 m，第 9 层喷锚支护11开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 10 排锚杆开挖 1.5 m，第 10 层喷锚支护12开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 11 排锚杆开挖 1.5 m，第 11 层喷锚支护13开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 12 排锚杆开挖 1.5 m，第 12 层喷锚支护14开挖 1.5 m开挖 1.5 m，打入第 13 排锚杆开挖 1.5 m，第 13 层喷锚支护15开挖 0.5 m 至坑底开挖 0.5 m 至坑底开挖 0.8 m 至坑底，挂网喷砼(shell)表 2岩土和喷层物理力学参数Table 2Physico-mechanical parameters of rock masses and spray layer名称密度/(kgm3)重度/(kNm3)内聚力/kPa内摩擦角/()弹性模量/MPa粉质黏土2 00020201022砂岩2 500252 26843.82 400砂质泥岩2 56025.644132.21 043150 mm 厚混凝土喷层2 500252 3505720 000图 3数值模拟模型Fig 3Numerical simulation model单元布置情况见图 4。4.4数值模拟与实际数据对比分析在基坑仰坡模拟计算过程中，为了进一步验证图 4仰坡围护结构单元Fig 4etaining structures unit of the upward slope实际施工中所采用的喷锚支护的支护效果，选用 3418Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期表 3锚杆的物理力学参数Table 3Physico-mechanical parameters of anchor bolt锚杆长度/m锚孔直径/mm入射角/()弹性模量/GPa黏结强度/(MNm1)黏结刚度/(MNm2)浆体内摩擦角/()前两排6.0703021012035其余4.5701521012035种支护方式进行模拟开挖，分别是未支护、锚杆(cable)支护及喷锚(cable+shell)支护。在对 3 种模拟开挖方式下的计算结果进行对比分析之前，选择基坑南侧仰坡坡顶和分级平台共计 6 个实测水平位移监测点，与采用喷锚支护进行模拟开挖的模拟结果进行对比分析，验证模型建立的合理性。图 5 为南侧仰坡坡顶左侧、中线和右侧 3 个位置的实际监测数据与模拟结果的对比曲线。如图 5所示:坡顶左侧监测点水平位移实际最大值为 3.05mm，模拟结果的最大值为 3.29 mm，相差 0.24 mm;坡顶中线监测点水平位移实际最大值为 7.1 mm，模拟结果的最大值为 6.96 mm，相差 0.14 mm;坡顶右侧监测点水平位移实际最大值为 4.05 mm，模拟结果的最大值为 3.38 mm，相差 0.67 mm。再取仰坡分级平台左、中、右 3 个位置处的监测点进行水平位移分析，实际监测与数值模拟结果对图 5坡顶的模拟与实测水平位移Fig 5Simulation an