南京市梅子洲过江通道接线工程———青奥轴线地下交通系统及相关工程是2014年青奥会的主要配套工程之一,主要由梅子洲过江通道连接线、青奥轴线地下交通系统和青奥轴线广场地下空间3部分组成,其按施工区域划分为B1区、B2-J1区、B3区。工程的核心控制性区域B2-J1区为地下立交段施工,由梅子洲主线隧道、滨江大道及互通匝道和地下空间叠落交错组成,为局部地下3层框架结构,主要采用明挖暗埋法施工,“坑中坑”设计为其主要特点,采用大放坡开挖的地下空间基坑内套直立开挖的隧道基坑形式,基坑最大开挖深度达27m,最大开挖宽度(东西向)约258m,最大开挖长度(南北向)约320m。地面下8m为放坡+悬臂开挖区,是目前我国最大规模的城市地下交通枢纽工程。

南京青奥轴线基坑工程支护类型复杂,尤其是在B2-J1区中同时运用地下连续墙、格栅地下连续墙、钻孔灌注桩、三轴搅拌桩、高压旋喷桩、自凝灰浆墙、钢板桩、锚喷支护等十余种支护手段,施工难度大。

M匝道位于B2-J1基坑的西北侧,全长118m,其北端头垂直于基坑放坡,西侧沿基坑全长有三级台阶放坡,第1级台阶放坡高度3m,第2级台阶放坡高度4m,第3级台阶放坡高度4m。放坡总高度11m,基坑开挖深度6.957~9.264m,开挖方量10 993.4m³。M匝道地基土简化为3层,第1层为杂填土,厚度为3m;第2层为淤泥质土,厚度为11m;第3层为粉质黏土,土层材料参数如表1所示。

M匝道围护结构采用800mm@1 000mm钻孔灌注桩进行支护,将其等代为0.8m地下连续墙^[1] ,第1级支撑结构为混凝土支撑,第2层为钢支撑,基坑整体建模如图1所示。

匝道基坑竖向位移如图2所示,从图2可以看出,基坑竖向位移最大值出现在基坑底部的隆起,为8.2cm,基坑周边沉降量最大值发生在右侧第1级台阶的坡面上,为2.3cm。从监测报告上可知,沿着M匝道坡脚线地表沉降测点DCm5-1,DCm7-1,DCm9-1,DCm11-1,DCm13-1,DCm15-1,沉降平均值为1.2cm,该位置地表沉降模拟数据约为1.5cm。

匝道基坑水平位移如图3所示,从图3可以看出,基坑水平位移最大值不是发生在坑边,左侧发生在距离坑边9m,右侧边坡发生在距离坑边11m的位置,基坑两侧最大水平位移分别是26mm和39mm。基坑支护结构的水平位移如图4所示,从图4可以看出,经计算基坑左侧最大水平位移约为3mm,靠边坡的右侧基坑坑顶最大水平位移约为4mm,与实测值相比略小。

从水平位移的计算图示上可以看出,由于右侧边坡在基坑开挖之后的水平作用,使得左侧支护结构事实上是向坑外整体偏移的,且偏移程度自坑顶向坑底不断加大,左侧支护结构偏移最大值发生在支护结构的底部,为-2.5mm。

从支护结构的支撑轴力可以看出,第1层支撑的轴力均为拉力,最大值为1 541k N,第2层支撑的轴力为压力,最大值为2 017k N,监测报告显示,ZLm2-1,ZLm4-1,ZLm5-1的轴力分别为1 059.02,3 442.92,2 511.43k N,其平均值为2 337.79k N,模拟值和实测值相差约13%。

M匝道MK0+228—MK0+437.9段,开挖深度6.957~9.264m,北侧是三级放坡的边坡,坡高11m,水平距离约47m,且边坡上部设有机械设备停车场,来往车辆进出施工比较频繁,因此,有必要对该边坡的稳定性进行评价。利用基于有限元的强度折减法,是评价高边坡稳定性的有效手段。

强度折减法是在外荷载保持不变的情况下,边坡内土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。在极限状态下,外荷载所产生的实际剪应力与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时,这种抗剪强度折减系数相当于传统意义上的边坡整体稳定安全系数F_r,又称为强度储备安全系数^[2] 。

连镇营等^[3] 利用强度折减法对边坡的破坏形式进行了详细的研究;郑颖人等^[4] 介绍了强度折减法在边坡稳定分析中的应用,认为由于其考虑了本构关系的影响,也可考虑土与结构物的相互作用,同时可以模拟出失稳区域的大致位置,无需条分,因此很有发展前途;栾茂田等^[5] 认为用塑性开展区的相互贯通评判土体的整体失稳破坏,比节点不平衡力与外荷载的比值更为合理;目前,对于强度折减有限元法主要还是用于分析自然边坡或者是添加了土钉、锚杆等对土体起到加劲作用的结构,而对于基坑垂直边坡和支挡结构共同作用时的土体强度折减性状的分析比较缺乏。王卫东等^[6] 、孔德森等^[7] 基于强度折减法,分析了基坑支护结构插入比和基坑隆起之间的关系以及塑性区开展情况。

事实上,强度折减法的运用原理比较简单,折减后的抗剪强度参数可分别表达为:

式中:c和φ是土体所能够提供的抗剪强度;c_m和φ_m是维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度;F_r是强度折减系数。

上两式可以理解为通过人为有规律地减少土体物理参数,让破坏包络线下移,使得土体在应力状态不变的情况下达到极限平衡状态。计算中假定不同的强度折减系数,根据折减后的强度参数进行有限元分析,观察计算是否收敛,在整个计算过程中不断地增加F_r,当达到临近破坏时的强度折减系数就是边坡稳定安全系数F_r。

通常判断边坡达到临近破坏的评价标准主要有:①数值计算是否收敛;②特征部位位移拐点;③是否形成连续的贯通区。

根据ABAQUS计算结果,基坑开挖后,有支撑和支护结构的安全系数为4.65,无支撑有支护结构的整体安全系数为2.44,无支护无支撑结构的基坑整体安全系数为1.04。

图5是以边坡坡顶作为特征部位位移拐点的安全系数图。若以数值计算不收敛作为边坡稳定性的评价标准,则对应的F_r即为前基坑整体安全系数所计算的4.65,2.44,1.04,由于本例在ABAQUS step中设置的initial step为0.1,而ABAQUS在计算不断收敛的情况下后续的step会越来越大,如果step第1次小于设置的step则可以认为首次发生了计算不收敛,因此在没有发生明显位移拐点的情况下,可以以F_r变化率首次开始小于0.1为评价标准,如表2所示。对于有支护有支撑的情况来说,ΔF_r首次小于0.1时,F_r≈3.6;对于有支护无支撑的情况来说,ΔF_r首次小于0.1时,F_r≈1.8;对于无支护无支撑的情况来说,ΔF_r首次小于0.1时,F_r≈0.95,相对于以数值计算不收敛的评价标准稍小,但更接近于实际。可以看出,对于一类不容易发现拐点的强度折减分析中,以首次模型不收敛作为强度系数的判断方法更具有可信度。

图6是3种支护方式的PEMAG(积分点上等效塑性应变)图,从图中可以看出,当基坑有支撑且有支护结构时,支撑将支护结构的作用传递到坑边土上,使基坑左侧的土体发生明显的塑性应变,而当基坑无支撑但有支护结构时,基坑右侧的土体变形均由支护结构承担,从而使得基坑坑底发生明显的塑性应变,但这种情况在有支撑有支护结构的情况中并没有发生。对于没有支护结构也没有支撑的情况,塑性应变没有完全充分开展就由于计算的不收敛而停止了。

从3种支护方式的位移云图也可以看出不同支护状态下基坑滑动面的变化情况。对于有支护有支撑的情况,由于支撑的顶推作用,基坑北侧边坡的剪出口位于第1级台阶的坡面上;对于有支护结构无支撑的情况,基坑边坡的剪出口到达了基坑的坑边,并向坑底发展;对于无支护结构无支撑的情况,云图上呈现出两条剪出口,第1段是从基坑顶到第1条边坡的坡脚处,第2条从第1条滑动面的结束位置开始,穿过基坑的底部达到基坑的另一侧。

1)ф800mm@1 000mm钻孔灌注桩加2道支撑满足边坡的稳定性要求,且周边位移和沉降量很小,满足施工需要。

2)提出有限元的强度折减法,以F_r变化率首次开始小于0.1为评价标准,相对于以数值计算不收敛的评价标准稍小,但更接近于实际。

3)通过基于有限元的强度折减法,分析了3种支护方式的PEMAG(积分点上等效塑性应变)和位移场的变化情况。可以看出,不同的支护结构对于边坡滑动面的性状以及剪出口的位置有一定的影响,通过灌注桩的支护和2道支撑,使得该基坑的滑动面位于边坡的坡面上,剪出口位于第1级边坡的坡脚,从这个意义上说,该边坡是稳定的,且隧道也没有发生整体倾覆的危险。