泉域巖溶石灰?guī)r質(zhì)深大基坑支護參數(shù)正交試驗研究

汲曉鋒

（中鐵十四局隧道集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

濟南地區(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)條件為濟南基坑建設帶來了諸多困難，例如豐富的地下水易對石灰?guī)r帶來溶洞、空腔等不利地質(zhì)問題，同時會降低碎石層的力學性能，為基坑開挖帶來難題。因此，如何在特殊的富水條件下保證基坑開挖的穩(wěn)定性具有重要意義。

對于巖質(zhì)基坑穩(wěn)定性的研究，國內(nèi)學者做了不少研究。馮錦艷等［4］對超深巖石基坑破壞機理進行了研究，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)定公式進行了研究，得出了穩(wěn)定安全系數(shù)計算方法；李現(xiàn)敏［6］對石質(zhì)基坑及滑移線選取進行了研究，得到坑底為巖質(zhì)、邊坡為土質(zhì)的基坑滑移線應取直線的結(jié)論；嚴薇［7］對土巖基坑土層開挖穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現(xiàn)巖面深度及巖層走向影響基坑穩(wěn)定性；趙會艷等［8］對土巖組合基坑下基坑開挖變形規(guī)律進行了研究，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，但針對基坑具體的支護方式組合研究不多。針對濟南地區(qū)復雜的巖石地質(zhì)條件，研究深大基坑開挖支護方式，提出安全、有效的結(jié)構(gòu)形式，對于提高基坑穩(wěn)定性，保證工程健康推進是有重要意義。

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)為銀豐財富商業(yè)樓。車站全長188 m，開挖最大寬度41.2 m，最大深度23.1 m，基坑開挖支護采用分級放坡聯(lián)合錨網(wǎng)噴形式。如圖1所示，若基坑采用三級放坡，第一、二臺階寬度分別為a、b，第二、三級坡率分別為1：x、1：y。第一級坡高度較小，不影響基坑穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于二、三級坡率。下文會進一步對不同x、y取值下的基坑安全系數(shù)進行研究。

圖1 基坑支護斷面圖Fig.1 Section of foundation pit support

1.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)該車站詳勘報告［10］，基坑地表存在0.5m的素填土，以下分布主要為中風化石灰?guī)r，該層分布廣泛，全部鉆孔揭露該層，厚度約40m。中風化石灰?guī)r巖體構(gòu)造節(jié)理及風化裂隙較發(fā)育，節(jié)理面呈閉合-微張開狀，裂隙充填黏土。巖體飽和單軸抗壓強度在11.30～15.20 Mpa之間，烘干狀態(tài)單軸抗壓強度在30.80～43.30之間。地勘報告顯示，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度決定了應力卸載下的巖體狀態(tài)。對于破碎的強風化石灰?guī)r，巖體處于松散狀態(tài)，在支護設計上一般采用錨網(wǎng)噴，計算方法為土質(zhì)邊坡的圓弧滑動法［9-11］。對于結(jié)構(gòu)面規(guī)整且完整的巖體，基坑邊坡破壞時通常沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面或某些軟弱結(jié)構(gòu)面集中部位進行。對于完整且存在結(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單，便于計算，但實際工程中很少發(fā)生此種破壞。該模型主要利用力學平衡理論結(jié)合巖體本構(gòu)模型分析，假設邊坡沿單一軟弱結(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） 沿兩組滑動面破壞

當巖體裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)面存在多條平行的情況時，當基坑處于卸載狀態(tài)會誘發(fā)邊坡沿多個結(jié)構(gòu)面同時滑動。工程常見沿兩個傾角不同的軟弱面滑動，其力學模型如圖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

當巖體中若干滑裂面在邊坡受到擾動后自動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，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，時間間隙短。其力學模型如圖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 基坑支護方案正交設計

根據(jù)基坑中常見的破壞形式結(jié)合支護經(jīng)驗，巖質(zhì)邊坡通常選擇放坡開挖+錨網(wǎng)噴混凝土的支護方式［12-15］。邊坡放坡級數(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)條件下的最佳支護形式，借助正交設計試驗手段尋求最為安全、最為經(jīng)濟的支護方案。

3.1 正交試驗因素及水平設計

正交試驗設計是基于方差分析統(tǒng)計模型的快速算法，可針對繁雜、耗時較多的試驗方案甄選出具有代表性的若干組試驗。該試驗以多因素多水平樣本為基礎，通過正交試驗表格，設置因子水平，可快速完成目標試驗。從統(tǒng)計學角度，正交試驗的結(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)狀及支護方式是決定安全狀態(tài)的重要因素，因此可確定四項主要因素：放坡級數(shù)、放坡坡率、平臺寬度及錨桿間排距等四個因素，四個因素可分為三個水平進行試驗。

放坡級數(shù)是提高邊坡安全儲備的重要手段，可分為以下三個水平：（1） 一級放坡，即坡面無平臺；（2） 二級放坡，即坡面存在一個平臺；（3） 三級放坡，即坡面存在兩個平臺。放坡坡率是決定坡面滑裂面位置的關(guān)鍵因素，可分為三個水平： ①1：0.1； ②1：0.3； ③1：0.5。 基坑工程中邊坡平臺既可以提高邊坡穩(wěn)定性，又可以作為施工人員操作平臺，根據(jù)現(xiàn)場情況，可分為三個水平：Ⅰ.0.5 m；Ⅱ.1.0 m；Ⅲ.1.5 m。錨桿支護是保證基坑安全，穩(wěn)固邊坡碎石的主動防護手段，可分為三個水平：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 試驗考察指標確定

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

3.3 正交試驗表建立

根據(jù)上文確定的四項因素及各因素分級的三中等級，利用正交試驗設計核心理論可確定快速、準確L9（34） 的表格。

表1 正交試驗方案設計表

4 仿真模型建立

4.1 模型建立

利用3D仿真模型進行數(shù)值模擬試驗可將復雜、繁多的試驗得以程序化、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力變化范圍，建立長×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械走動，在模型底部施加固定支座約束邊界，四周施加水平連桿對稱約束邊界條件。根據(jù)勘察資料將底層概化為一種均質(zhì)的中風化石灰?guī)r，巖體破壞準則服從摩爾庫倫準則。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

初始化地應力，準確定位模型在基坑開挖前的圍巖狀態(tài)，是保證模擬結(jié)果高精度的首要關(guān)鍵步驟。在模擬基坑開挖前，根據(jù)理論計算及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，反演地層初始地應力，以地勘提出的巖體力學參數(shù)為基礎，結(jié)合0.98的逼近率手法反復驗算基坑初始參數(shù)，直至達到設定數(shù)值。簡述模擬步驟如下：（1） 初始化模型應力狀態(tài)；（2） 設定模型最大不平衡力（Nubalance Force） 為10 N；（3） 按設定坡率開挖首層土地，單層開挖最大深度小于2 m，并打設錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)，運算模型至平衡；（4） 循環(huán)步驟（3）完成基坑開挖；（5） 收集監(jiān)測點位移、應力數(shù)值。

5 試驗結(jié)果分析

由正交試驗表可得出九種計算結(jié)果，其中圍巖應力、位移通過軟件可自動輸出，圍巖塑性區(qū)面積采用程序自動調(diào)出。如表2所示為九種模擬結(jié)果。

表2 正交試驗各指標結(jié)果

為直觀了解試驗結(jié)果，以7號試驗為例分析基坑穩(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。在第二個平臺處，水平位移值為7.6 mm，即第一級邊坡呈先滑裂趨勢。從圖6（b）中的應力云圖中可以看出，在位移較大區(qū)及位移較小區(qū)分界處出現(xiàn)滑移面上部應力降低，下部應力增加現(xiàn)象，說明該位置圍巖出現(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)擴展，發(fā)生剪切-拉伸破壞（shear-n，tension-n），說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），即圍巖在基坑開挖過程中發(fā)生過剪切破壞，在挖到坑底時圍巖又回歸于穩(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下基坑位移總體來說較小，處于安全狀態(tài)，為直觀分析剩余試驗下基坑安全狀態(tài)，根據(jù)表2遵循極差計算公式，可分析出四種因素下每級水平對研究指標的影響程度，即因素對目標結(jié)果的貢獻率。如表3所示為各因素對指標的貢獻值。

表3 各因素對指標的貢獻值

由表3可知，對圍巖水平位移影響程度由大到小依次為放坡坡率>放坡級數(shù)>錨桿參數(shù)>平臺寬度；對圍巖最大應力影響的程度由大到小依次為：放坡坡率>放坡級數(shù)>錨桿參數(shù)>平臺寬度；對基坑塑性區(qū)范圍影響的程度由大到小依次為：放坡坡率>放坡級數(shù)>錨桿參數(shù)>平臺寬度。放坡坡率及放坡級數(shù)是影響基坑安全性的關(guān)鍵因素，坡面形狀決定滑動巖體幾何重心位置，并影響滑動體的下滑力和阻滑力之間的關(guān)系。對于坡面巖體單元，其豎向應力不變，但水平應力驟降為零，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，因根據(jù)圍巖破碎狀態(tài)合理設置放坡級數(shù)，并且在考慮經(jīng)濟的同時盡量增加平臺寬度，有利于圍巖穩(wěn)定并給施工帶來較大益處。另外，坡面開挖完成后，應及時做錨網(wǎng)噴支護，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

該工程尚處于設計階段，缺少現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證，該文結(jié)論可為基坑支護設計提供一定的借鑒和參考。為此，在控制巖質(zhì)基坑變形時，首要考慮基坑邊坡坡率及放坡級數(shù)，其次注重錨網(wǎng)噴支護參數(shù)，對于保證巖質(zhì)基的安全穩(wěn)定性并降低工程造價具有重要意義。