邓江雨

（广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州 510060）

0 引言

随着城市规模的增大，越来越多的城市修建地铁，各超大城市的地铁里程也越来越长。而且我国南方城市主要位于丘陵地带，由于地形的限制，不可避免地有些地铁车站位于山坡下，地铁基坑的开挖，对既有边坡产生扰动或者卸载作用，必然对既有边坡产生不利影响［1-4］。国内外不少学者对此问题进行了研究分析，例如黄诗渊、陈建宏、田全红、李晓林等人［5-14］对影响天然边坡稳定的影响因素进行了研究，现有研究成果主要对天然边坡的稳定性及基坑的整体稳定性进行了分析，但对高大边坡的坡脚处开挖深基坑对既有边坡影响的分析较少。

基于此，本文以广州地铁七号线二期水西北站基坑工程为背景，对基坑、边坡支护方案进行了有限元分析对比，为设计、施工提供依据，同时也为类似工程提供方案参考。

1 工程概况

广州地铁七号线二期水西北站为该线的最后一个车站，位于水西停车场西南侧，本站全长220.9 m，标准段宽度为31.1 m，车站基坑深度约为16.5 m，车站南侧为既有边坡，该边坡为弃土场人工填土边坡，高57 m，坡顶按1∶3 放坡，靠近坡脚有直径 1.8 m、间距3.5 m、排距5 m，同时冠梁用1.5 m 厚的盖板相连的双排抗滑桩支护，坡脚处有宾格石笼及钢板桩，现状边坡及车站位置如图1所示。

水西北站车站南侧连续墙和车站侧墙位于现状宾格石笼范围内，施工连续墙之前需拆除现状宾格石笼，为保障上部边坡稳定，采取距离车站连续墙约10.75 m 施工一排桩径为1.8 m、间距3.3 m 的旋挖桩为抗滑桩，在桩顶施打一排预应力锚索。后期车站主体基坑回填后，将排桩和连续墙通过连梁连接，形成双排桩支护体系，作为永久边坡的支护设计。基坑支护靠近边坡侧采用1 000 厚地下连续墙，其他侧采用800 mm 厚地下连续墙，内支撑采用2 道混凝土撑和1道钢支撑，支护方案如图2所示。

图1 车站、边坡的相对位置及周边环境Fig.1 Relative Position and Surrounding Environment of Subway Station and Slope

图2 车站、边坡的支护方案Fig.2 Supporting Scheme of Subway Station and Slope

2 工程地质与地下水位

2.1 工程地质

水西北站及边坡地貌为丘陵地貌，地势起伏较大，局部地势较陡峭，根据场地内所揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性，将场地内岩土层分为填土层、砂层、冲积-洪积-坡积层、残积层、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带共8 大层。地层物理力学参数如表1所示。

2.2 地下水位

勘察期间车站稳定水位埋深为0.0～6.3 m；边坡地下水稳定水位埋深为1.0～9.0 m；勘察期间边坡坡顶稳定水位标高为41.04～50.25 m，边坡坡底稳定水位标高为 39.57～42.42 m。

3 边坡稳定分析

本文采取边坡典型地质断面的地层地貌情况，对边坡稳定性分别用理正岩土软件和Midas GTS NX 有限元软件，对初始工况、钢板桩及石笼破除工况、基坑开挖到底工况进行了边坡稳定分析。

表1 地层物理力学参数Tab.1 Physical Mechanics Parameter of Stratum

3.1 理正岩土边坡稳定分析基坑开挖到底工况

首先分析自重工况下不考虑静水压力的边坡稳定，通过自动搜索最危险滑动面计算可知，最危险滑动面位于双排抗滑桩上部的填土层，其滑动半径为134.115 m，总下滑力为16 451.955 kN，总的抗滑力为23 132.211 kN，滑动安全系数Fs=1.406，大于《建筑边坡工程技术规范：GB 50330-2013》表5.3.2 边坡稳定安全系数Fst要求的1.35。

然后分析自重工况下考虑7 度抗震和静水压力的边坡稳定，通过自动搜索最危险滑动面计算可知，最危险滑动面位于双排抗滑桩下部填层，其滑动半径为70.315 m，总的下滑力为5 034.805 kN，总的抗滑力为5 803.353 kN，滑动安全系数Fs=1.153，大于《建筑边坡工程技术规范：GB 50330-2013》表5.3.2 边坡稳定安全系数Fst要求的1.15。

3.2 Midas GTS NX有限元计算边坡稳定

为了保证边坡稳定安全及检验措施的有效性，本文通过有限元软件对3 种工况进行了边坡稳定分析，分别为初始工况（工况1）、坡脚钢板桩及宾格石笼破除工况（工况2）、基坑开挖到底工况（工况3），采用SRM 强度折减法对各工况，进行了自重作用下边坡稳定分析和考虑自重作用及渗流的边坡稳定分析，其中渗流的坡顶总水头57 m，坡脚总水头31 m，动水压力水头差26 m。

3.2.1 工况1

对未开工前的现状边坡建模并进行边坡稳定分析，模型如图3所示，不考虑渗流时通过强度折减法计算边坡稳定，由图4a 得到安全系数为1.418，最大塑性变形区位于双排桩上部的填土层，最危险滑动面从双排桩桩顶切向滑出。考虑渗流的动水压力时通过强度折减法计算边坡稳定，由图4b 得到安全系数为1.188，最大塑性变形区位于双排桩上部的填土层，最危险滑动面从双排桩桩顶切向滑出。相对于只考虑重力作用，最危险滑动面位置更深，安全系数更小。综上可知现状边坡为稳定边坡，安全系数满足规范要求。

图3 工况1 有限元网格模型Fig.3 Working Condition 1 Finite Element Mesh Model

图4 工况1 结果图Fig.4 Working Condition 1 Result Graph

3.2.2 工况2

对坡脚破除钢板桩及石笼工况建模并进行边坡稳定分析，该工况下，在破除钢板桩及石笼前，在坡脚上部施加了一排桩锚支护，模型如图5所示，不考虑渗流时通过强度折减法计算边坡稳定，由图6a 得到安全系数为1.416，最大塑性变形区位于双排桩上部的填土层，最危险滑动面从双排桩桩顶切向滑出。考虑渗流的动水压力时通过强度折减法计算边坡稳定，由图6b 得到安全系数为1.200，最大塑性变形区位于双排桩上部的填土层，最危险滑动面从双排桩桩顶切向滑出。相对于只考虑重力作用，最危险滑动面位置更深，安全系数更小。由计算可知，工况2 下，边坡的稳定系数略大于初始工况，说明在坡脚上部距离连续墙10.75 m 处施加的桩锚支护是有效的，桩锚支护足以抵消坡脚钢板桩及石笼卸载的消极作用。

图6 工况2 结果图Fig.6 Working Condition 2 Result Graph

3.2.3 工况3

对基坑开挖到底工况建模并进行边坡稳定分析，模型如图7所示，不考虑渗流时通过强度折减法计算边坡稳定，由图8a 得到安全系数为1.40，最大塑性变形区位于双排桩上部的填土层，最危险滑动面从双排桩桩顶切向滑出。考虑渗流的动水压力时通过强度折减法计算边坡稳定，由图8b 得到安全系数为1.19，最大塑性变形区位于双排桩上部的填土层，最危险滑动面从双排桩桩顶切向滑出。相对于只考虑重力作用，最危险滑动面位置更深，安全系数更小。综上可知，该支护方案安全有效，满足规范要求，基本将基坑跟边坡隔离开来，使得基坑开挖对边坡稳定基本没有影响。

图7 工况3 有限元网格模型Fig.7 Working Condition 3 Finite Element Mesh Model

图8 工况3 结果图Fig.8 Working Condition 3 Result Graph

4 结论

本文采用理正岩土计算及Midas GTS NX 有限元软件分析对比，以广州地铁七号线二期水西北站项目为工程实例，分析了地铁深基坑开挖对临近既有高大边坡下稳定性的影响。结论如下：

⑴边坡初始状态是稳定的，跟现场监测结果一致且安全系数符合规范要求，说明参数取值合理准确。

⑵破除钢板桩及压脚石笼前在坡脚上部试做了一排桩径1.8 m，间距3 m 的桩锚结构，并在破除钢板桩及压脚石笼后分析了边坡稳定，发现安全系数基本没变，甚至有些许提高，说明桩锚的加固作用是有效的，足以抵消钢板桩及压脚石笼破除的卸荷作用，保证了施工过程中边坡的安全与稳定。

⑶通过理正岩土计算和有限元计算结果的对比分析可知，两者结果及安全系数的一致性保证了计算的准确性，保证了地铁百年工程的安全性。对于最终支护方案为双排桩通过连梁连接基坑的连续墙，基本将基坑及边坡隔离开，形成了类似加强版“双排桩”的受力体系，证明了该方案的安全有效性，为类似工程设计提供了参考方案。