下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域邊坡變形現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

楊偉良，董英偉，安江龍

（1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊261021；2.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原030006）

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市現(xiàn)代步伐的加快，地面交通空間已經(jīng)難以滿足實(shí)際要求，為了提高城市利用率，開(kāi)發(fā)地下交通已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。基坑開(kāi)挖規(guī)模逐漸擴(kuò)大、深度更深，隨之對(duì)基坑的穩(wěn)定性及安全性要求更高。在基坑支護(hù)方面［1］，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的各種影響因素，在保證安全的前提下，盡可能節(jié)約資源和方便施工。李四維和徐新光等［2-4］以某實(shí)際工程基坑開(kāi)挖為背景，對(duì)基坑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，將實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，其結(jié)果較為合理，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性；文獻(xiàn)［5-13］結(jié)合工程實(shí)際，詳細(xì)論述了基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案，并對(duì)數(shù)值模擬以及土釘支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入分析與研究。由于工程環(huán)境的復(fù)雜多變性，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案與測(cè)點(diǎn)布設(shè)及數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)的選取也隨之變化，綜上所述為本文研究提供了可靠的理論依據(jù)。

本文結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的坡頂水平位移及豎向沉降規(guī)律進(jìn)行分析研究，同時(shí)利用有限元軟件建立計(jì)算模型，并將其計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，一方面確保開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性，另一方面驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)選取的合理性及其結(jié)果的可靠性，為類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某快速通道明挖淺埋式下穿隧道工程，全長(zhǎng)485m，封閉段長(zhǎng)100m，下穿隧道采用雙向六車(chē)道，主體結(jié)構(gòu)主要由封閉段、天井段和U型段三部分組成。下穿隧道平面位于直線上，其縱坡坡度為-3.811%～3.980%，路面橫坡坡度均為2%。

1.1 工程地質(zhì)條件

本下穿隧道位于某市蓬江區(qū)西環(huán)路與北環(huán)路平交口處，隧址區(qū)處于山前平原與丘陵區(qū)坡腳，場(chǎng)地屬于人工平整，地面高程在7.6m～10.8m之間。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，所處地段巖芯比較破碎，且受附近斷層影響，其影響范圍在30m以內(nèi)，隧址區(qū)的巖土層主要為人工填土、第四系覆蓋層及燕山期混合巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

下穿隧道區(qū)域地下水位埋藏較淺，地下水位變化與地下水的補(bǔ)給形式以及補(bǔ)給方式、排泄的關(guān)系比較緊密，每年4月—9月為雨季，大氣降水豐沛，水位會(huì)明顯抬升。賦存于松散的人工填土中的水為上層滯水，且富水程度一般；賦存于細(xì)砂層中的孔隙水主要為潛水，其含水層厚度約為1.5m～5.2m，是隧道開(kāi)挖后主要滲水層；根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［14］（JTG C20—2011）相關(guān)內(nèi)容及水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行判斷，地下水對(duì)混凝土具有微腐蝕性。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及測(cè)試成果分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)本工程下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域的不同支護(hù)深度，選取雙排土釘支護(hù)、三排土釘支護(hù)、四排土釘支護(hù)、五排土釘支護(hù)及六排土釘支護(hù)等5個(gè)典型斷面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。由于開(kāi)挖區(qū)域開(kāi)挖深度不是很大，且在此開(kāi)挖深度范圍內(nèi)底層均為素填土和粉質(zhì)黏土，相對(duì)穩(wěn)定，故只在坡頂布設(shè)間隔8m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（露出地面以上10cm，直徑為18mm的鋼筋頭），具體布設(shè)方案如圖1所示。

圖1 下穿隧道邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖

2.2 測(cè)試方法

采用激光電子經(jīng)緯儀DJD2-JC型對(duì)下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域邊坡坡頂?shù)乃轿灰七M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，采用高精密水準(zhǔn)儀DSO3型對(duì)其進(jìn)行坡頂豎向沉降監(jiān)測(cè)。

開(kāi)挖區(qū)域從2013年4月15日開(kāi)始施工，開(kāi)挖之前對(duì)其邊坡坡頂豎向沉降及水平位移進(jìn)行了測(cè)量，假定此時(shí)所選取雙排土釘支護(hù)、三排土釘支護(hù)、四排土釘支護(hù)、五排土釘支護(hù)及六排土釘支護(hù)的5個(gè)典型斷面的變化量均為0.00mm。邊坡施工監(jiān)測(cè)每天進(jìn)行一次測(cè)試，直到邊坡開(kāi)挖施工完成結(jié)束測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果及時(shí)對(duì)邊坡的開(kāi)挖和施工做出切合實(shí)際的調(diào)整，以便控制邊坡坡體的變形及保證周邊建筑物的完全性能。

2.3 測(cè)試成果分析

根據(jù)所測(cè)試的結(jié)果，選取與此5個(gè)典型斷面相對(duì)應(yīng)且具有代表性的5個(gè)測(cè)點(diǎn)（JC3、JC6、JC8、JC12、JC16）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)其測(cè)試成果進(jìn)行分析研究。

（1）下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域隨著開(kāi)挖深度不斷加深，坡頂?shù)孛胬塾?jì)沉降曲線及沉降速率變化曲線如圖2、圖3所示。

根據(jù)圖2、圖3可知：

下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域5個(gè)典型斷面的邊坡坡頂豎向沉降隨著邊坡的開(kāi)挖深度加深呈逐漸增大趨勢(shì)，由于各個(gè)斷面所處的開(kāi)挖深度不同，故各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的沉降量相差較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC3、JC6、JC8、JC12和JC16的最大沉降量分別為2.10mm、8.00 mm、9.80mm、14.80mm 和21.98mm，不同開(kāi)挖深度的坡頂豎向沉降差最大值為19.88mm，可見(jiàn)開(kāi)挖深度是影響坡頂豎向位移的直接因素；由于前期開(kāi)挖一定深度范圍內(nèi)沒(méi)有土釘支護(hù)，沉降速率較大，最大可達(dá)2.78mm／d，隨著各排土釘?shù)拇蛉?，沉降速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

圖2 下穿隧道坡頂豎向累計(jì)沉降

圖3 下穿隧道坡頂豎向沉降速率

（2）下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域隨著開(kāi)挖深度不斷加深，坡頂累計(jì)水平位移曲線及水平位移速率變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 下穿隧道坡頂累計(jì)水平位移

根據(jù)圖4、圖5可知：

在起初第一步開(kāi)挖邊坡期間，未設(shè)置土釘支護(hù)的坡頂水平位移曲線呈陡降趨勢(shì)，而由于下穿隧道存在一定的縱坡，在縱坡較小的開(kāi)挖區(qū)域，坡頂水平位移曲線變化不明顯且位移量較小，JC3、JC6處的水平位移分別為3.2mm、5.5mm；縱坡坡度較大的開(kāi)挖區(qū)域，隨著開(kāi)挖深度的增大，坡頂水平位移量也迅速增大，JC16處的最大位移為27.4mm。在第一排土釘支護(hù)施工期間與第二次開(kāi)挖初期坡頂水平位移仍呈不斷增大趨勢(shì)，而水平位移增大速率呈下降趨勢(shì)。隨著土釘逐漸發(fā)揮作用，坡頂水平位移速率趨于穩(wěn)定。

圖5 下穿隧道坡頂水平位移速率

3 下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域邊坡防護(hù)數(shù)值模擬分析

根據(jù)此實(shí)際工程下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域的工程地質(zhì)勘查資料，結(jié)合開(kāi)挖邊坡的理論設(shè)計(jì)，對(duì)土釘墻的邊坡防護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬，在相同條件下，分析研究不同開(kāi)挖深度采用不同長(zhǎng)度土釘支護(hù)條件下坡頂O點(diǎn)（如圖6所示）的水平位移和沉降規(guī)律，計(jì)算結(jié)果可為土釘墻的設(shè)計(jì)提供借鑒價(jià)值，也為類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

圖6 土釘墻防護(hù)示意圖

3.1 計(jì)算軟件

本文數(shù)值模擬采用MARC非線性有限元分析軟件。MARC具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力，它提供了豐富的結(jié)構(gòu)單元、連續(xù)單元和特殊單元的單元庫(kù)，能夠處理大變形幾何非線性、材料非線性和包括接觸在內(nèi)的邊界條件以及組合的高度非線性問(wèn)題。

3.2 計(jì)算模型

（1）幾何模型

結(jié)合工程實(shí)際下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域基坑支護(hù)的實(shí)際情況，選取五個(gè)典型土釘墻支護(hù)斷面建立計(jì)算模型。其具體模型為：雙排土釘支護(hù)、三排土釘支護(hù)、四排土釘支護(hù)、五排土釘支護(hù)及六排土釘支護(hù)，共計(jì)5種模型。結(jié)合土釘墻結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)和有限元計(jì)算對(duì)計(jì)算資源的要求，并通過(guò)大量試算，確定在計(jì)算中土釘兩側(cè)土體厚度取2倍的土釘間距，土釘嵌入邊坡土體厚度取3倍的土釘長(zhǎng)度，開(kāi)挖邊坡底部土體厚度取1倍的開(kāi)挖深度。模型除土釘采用索結(jié)構(gòu)外，其他均選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為較好地模擬土釘與巖土體之間的相互作用，盡可能加密土釘與巖土體接觸區(qū)域的離散網(wǎng)格，在滿足計(jì)算精度和計(jì)算資源的前提下，從近到遠(yuǎn)，由密到疏進(jìn)行劃分。其所建模型各個(gè)方向（X、Y、Z）尺寸及各個(gè)模型基坑開(kāi)挖深度H見(jiàn)表1。計(jì)算模型如圖7所示。

表1 所建模型各個(gè)方向尺寸及各模型對(duì)應(yīng)的基坑開(kāi)挖深度 單位：m

圖7 各個(gè)土釘支護(hù)計(jì)算模型

（2）屈服準(zhǔn)則選取

混凝土和巖土體以剪切破壞或張拉破壞為主，強(qiáng)度包絡(luò)線是直線型。經(jīng)過(guò)比較，對(duì)土釘、噴射混凝土面層以及邊坡巖土體采用能夠較好反映其非線性特性的線性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則［15］進(jìn)行分析。

（3）邊界條件確定

本文數(shù)值模擬中，將模型底面X、Y、Z方向位移固定，側(cè)面X、Z方向位移固定，頂面為自由邊界，初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)。

（4）參數(shù)選取

計(jì)算模型中，巖土體、土釘及噴射混凝土等材料的計(jì)算參數(shù)可根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料以及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取值，詳見(jiàn)表2、表3。

表2 有限元計(jì)算模型巖土體參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)際工程下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)值模擬選取的五個(gè)典型邊坡支護(hù)斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)均為二級(jí)，根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［16］（JGJ120-2012）、《建 筑 基 坑 工 程 監(jiān) 測(cè) 技 術(shù) 規(guī) 范》［17］（GB50497-2009）及地方規(guī)定，基坑變形控制容許值規(guī)定為：地面最大沉降量≤0.25%H（H為基坑開(kāi)挖深度），且≤50mm；圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.40%H，且≤50mm。各模型在基坑開(kāi)挖后采用設(shè)計(jì)土釘支護(hù)工況下，其變形云圖如圖8～圖12所示。

表3 有限元計(jì)算模型土釘及噴射混凝土面層參數(shù)

圖8 雙排土釘支護(hù)工況下邊坡位移云圖

圖9 三排土釘支護(hù)工況下邊坡位移云圖

圖10 四排土釘支護(hù)工況下邊坡位移云圖

對(duì)比分析5種典型斷面豎向沉降云圖和水平位移云圖圖8～圖12可以看出，隨著開(kāi)挖深度的逐漸加深，下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域邊坡坡頂水平位移和豎向沉降量逐漸變大，直至開(kāi)挖到設(shè)計(jì)深度時(shí)，坡頂水平位移分別為0.70mm、4.20mm、14.30mm、22.05 mm、26.55mm，豎向沉降分別為1.95mm、7.15 mm、8.10mm、13.26mm 和20.24mm；但在邊坡施工過(guò)程中，隨著上部每排土釘支護(hù)的完成，坡頂水平位移速率與豎向沉降速率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，充分說(shuō)明了邊坡上部植入的土釘發(fā)揮了與土體接觸而產(chǎn)生的咬合力作用。由于土體開(kāi)挖出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象，完全改變了原巖土層的應(yīng)力狀態(tài)，使原處于靜止?fàn)顟B(tài)的土壓力逐漸向主動(dòng)土壓力的狀態(tài)過(guò)渡，從而便產(chǎn)生了相對(duì)位移或相對(duì)位移趨勢(shì)使得土釘迅速受力而發(fā)揮其本身作用。

圖11 五排土釘支護(hù)工況下邊坡位移云圖

圖12 六排土釘支護(hù)工況下邊坡位移云圖

4 數(shù)值模擬計(jì)算成果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析

由于工程施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜多變性原因，數(shù)值模擬計(jì)算成果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果在數(shù)值上有一定差異，但大體基本吻合，其兩種方法所得到的坡頂豎向沉降量和水平位移見(jiàn)表4。

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果與數(shù)值模擬成果對(duì)比可以看出，坡頂豎向沉降量和水平位移量均大于模擬計(jì)算結(jié)果，豎向沉降與水平位移最大差值分別為1.74 mm、2.5mm。主要是因?yàn)樵趯?duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行模擬時(shí)，存在一些難以考慮的影響因素，由于下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域旁邊存在過(guò)往車(chē)輛所產(chǎn)生的動(dòng)荷載，嚴(yán)重影響了開(kāi)挖面的穩(wěn)定性及坡面的變形性，從而引起坡頂豎向沉降和水平位移的明顯增大，即實(shí)測(cè)結(jié)果比數(shù)值模擬的偏大。其他測(cè)點(diǎn)處的較小差異可能是由于天氣降雨、開(kāi)挖施工安排上不太緊湊及施工人員超挖現(xiàn)象等原因所造成的。以總體的對(duì)比結(jié)果而言，開(kāi)挖區(qū)域邊坡的坡頂豎向沉降量和水平位移量與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果基本一致，故模擬結(jié)果符合實(shí)際情況，所選用的土體參數(shù)是合理可靠的。

表4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果與數(shù)值模擬計(jì)算成果對(duì)照表單位：mm

5 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)下穿隧道開(kāi)挖區(qū)域邊坡的坡頂豎向沉降和水平位移的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）在進(jìn)行開(kāi)挖第一步且還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行土釘支護(hù)期間，開(kāi)挖處坡頂豎向沉降與水平位移比較大，可見(jiàn)及時(shí)對(duì)已開(kāi)挖坡面進(jìn)行土釘支護(hù)，減小開(kāi)挖坡面的暴露時(shí)間，隨挖隨支護(hù)對(duì)已開(kāi)挖坡面的整體穩(wěn)定性及安全性具有重要意義。

（2）對(duì)所開(kāi)挖的且已進(jìn)行土釘支護(hù)的邊坡，由于受現(xiàn)場(chǎng)地形、天氣情況、施工工序及施工的緊湊性等因素影響，因此導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果略大的現(xiàn)象，但坡頂變形量都在所規(guī)定的容許變化范圍內(nèi)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)土釘支護(hù)后的邊坡處于安全狀態(tài)，且防護(hù)效果良好。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行的對(duì)比結(jié)果分析而言，在數(shù)值模擬中所選用的土體本構(gòu)模型及其計(jì)算參數(shù)，能較為準(zhǔn)確的反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，說(shuō)明土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置和模型選取較為合理，為類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

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