公路下穿通道深基坑開(kāi)挖穩(wěn)定分析

趙辰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000）

一、概述

基坑開(kāi)挖支護(hù)作為一種臨時(shí)工程，在保證自身及鄰近結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定安全的前提下，須充分考慮其經(jīng)濟(jì)性。因此，如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，做出較為合理經(jīng)濟(jì)的開(kāi)挖支護(hù)方案是基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。而基坑土體的性質(zhì)將直接影響開(kāi)挖支護(hù)方式的選取，軟弱土體由于其自身強(qiáng)度低對(duì)基坑的穩(wěn)定性有著重要影響，因此，在基坑開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中須充分考慮其自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

本文結(jié)合SL33大廣高速南康南連接線下穿和諧大道的通道實(shí)際情況，充分考慮基坑局部軟弱土體對(duì)基坑的穩(wěn)定影響，通過(guò)分析平面理論方法和三維有限元法對(duì)軟弱土體模擬方式的差異性，選取合理的計(jì)算方法，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇合理經(jīng)濟(jì)的開(kāi)挖支護(hù)方案。最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況驗(yàn)證了計(jì)算方法和開(kāi)挖支護(hù)方案的合理性。

二、工程概況

SL33大廣高速南康南連接線下穿和諧大道的通道全長(zhǎng)1.1km，為順利完成下穿通道箱涵的建設(shè)，首先需對(duì)和諧大道段進(jìn)行基坑開(kāi)挖，創(chuàng)造出通道箱涵工作面，由于通道箱涵工期較長(zhǎng)，因此在基坑回填之前，要確保其穩(wěn)定性。

基坑最深處達(dá)到14m，屬于深基坑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探發(fā)現(xiàn)基坑存在局部軟弱土體，土質(zhì)為淤泥質(zhì)土。距基坑大約45m位置有重要建筑物百家姓牌坊，由于該牌坊為當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性建筑，因此，在對(duì)基坑進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮局部軟弱土體以及開(kāi)挖支護(hù)對(duì)周圍建筑物的影響。

三、基坑開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定性分析

經(jīng)典法和彈性法是較為常用的穩(wěn)定性計(jì)算方法，本文首先采用理正深基坑軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算，然后采用三維有限元法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，利用三維有限元模擬將基坑作為一個(gè)空間模型進(jìn)行計(jì)算分析，可同時(shí)分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中各因素之間相互影響的程度，包括開(kāi)挖支護(hù)、巖（土）性、支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用等。與常規(guī)計(jì)算方法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于模擬計(jì)算分析時(shí)，可以充分考慮基坑的整體性狀。

（一）理論計(jì)算及結(jié)果

首先，采用理正深基坑軟件對(duì)軟弱土體部位進(jìn)行計(jì)算分析，由于該計(jì)算程序僅適用于二維平面問(wèn)題，因此，本文以軟弱土體所在的斷面為計(jì)算斷面，選取的計(jì)算土層和土層參數(shù)如表1和表2所示。放坡形式依靠其自身穩(wěn)定性需采用1:2.5的坡率放坡（計(jì)算的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.308），由此基坑邊坡坡頂距百家姓牌坊僅有10m左右，在牌坊處的地表下沉量為41mm，對(duì)牌坊周圍土體的穩(wěn)定性起到重要影響，因此，根據(jù)該計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果可以判斷出，放坡開(kāi)挖支護(hù)形式不能保證基坑穩(wěn)定性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文考慮采用“灌注樁＋放坡”和“抗滑樁＋放坡”的支護(hù)形式，通過(guò)比選，兩種支護(hù)形式均能滿足基坑的穩(wěn)定性，但存在造價(jià)較高、施工工期較長(zhǎng)等問(wèn)題。

表1.土層參數(shù)表

表2.開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算結(jié)果

（二）有限元計(jì)算及結(jié)果

經(jīng)典法和彈性法僅能從二維平面考慮基坑的穩(wěn)定性，雖然其計(jì)算結(jié)果偏安全，但未能充分考慮兩側(cè)土體對(duì)軟弱土體滑裂的抑制作用。對(duì)此，本文采用三維有限元模擬方法，綜合考慮土體之間的相互作用，模擬計(jì)算出合理的結(jié)果，再依據(jù)該結(jié)果制定出較為合理的基坑開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

本工程采用邁達(dá)斯巖土軟件進(jìn)行計(jì)算，土體單元采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。首先，考慮采用放坡開(kāi)挖形式的基坑穩(wěn)定性。對(duì)1:1、1:1.5和1:2.5三種放坡坡率進(jìn)行對(duì)比分析，模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1.三維有限元網(wǎng)格劃分

計(jì)算步驟如下：加載自重地應(yīng)力，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算；第一級(jí)開(kāi)挖深度為5m，施加錨桿支護(hù)，再計(jì)算此開(kāi)挖步驟的基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)；第二級(jí)開(kāi)挖深度為4m，施加錨桿支護(hù)，再計(jì)算此開(kāi)挖步驟的邊坡穩(wěn)定系數(shù)；第三級(jí)開(kāi)挖深度為5m，施加錨桿支護(hù)，然后計(jì)算此開(kāi)挖步驟的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

不同基坑放坡坡率下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)以及由理正深基坑程序計(jì)算的結(jié)果如表3所示。當(dāng)放坡坡率為1:1.5時(shí)，開(kāi)挖支護(hù)后的滑裂面如圖2所示（塑性變形區(qū)）。

表3.放坡開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2.放坡開(kāi)挖后基坑邊坡最危滑裂面

從上述結(jié)果可以看出，不同的開(kāi)挖方式對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有著重要影響。由數(shù)據(jù)計(jì)算得出，采用有限元計(jì)算法計(jì)算當(dāng)基坑放坡坡率為1:1.5時(shí)，能夠滿足邊坡的穩(wěn)定性要求，而理正深基坑計(jì)算程序結(jié)果表明基坑坡率只有為1:2.5時(shí)，才能滿足邊坡的穩(wěn)定性要求。因此，應(yīng)選定采用基坑邊坡坡率為1:1.5的方案為最佳，如圖3所示。通過(guò)兩種計(jì)算方法的對(duì)比可知，兩側(cè)土體對(duì)軟弱土體滑裂的抑制作用較為顯著，因此在實(shí)際的模擬計(jì)算中，應(yīng)將該抑制作用作為考慮因素之一，在基坑局部存在軟弱土?xí)r，既要考慮軟弱土體對(duì)基坑穩(wěn)定性的局部影響，也要考慮其對(duì)坑基整體穩(wěn)定性的影響，若僅由局部穩(wěn)定結(jié)果代替整體穩(wěn)定結(jié)果，既不符合實(shí)際情況，也將影響開(kāi)挖支護(hù)方案的選取，甚至?xí)斐芍ёo(hù)過(guò)量等問(wèn)題，從而提高經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。

考慮放坡開(kāi)挖支護(hù)施工順序?qū)臃€(wěn)定性的影響，通常采用開(kāi)挖支護(hù)方式為分層開(kāi)挖隨層支護(hù)形式，但考慮到局部軟弱土體的影響，本文提出采用預(yù)留核心土的開(kāi)挖方式，具體操作如圖4所示。首先，對(duì)軟弱土體兩側(cè)進(jìn)行開(kāi)挖并及時(shí)支護(hù)，再對(duì)軟弱土體兩側(cè)下一層進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)，在此之前，保留軟弱土體處的土層結(jié)構(gòu)，隨后開(kāi)挖第一層軟弱土體處預(yù)留的土層，并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，由此依序開(kāi)挖，經(jīng)過(guò)6個(gè)開(kāi)挖步驟后，便完成了項(xiàng)目的整體開(kāi)挖工程。對(duì)此，在開(kāi)挖支護(hù)施工順序的模擬分析中，對(duì)常規(guī)的分層開(kāi)挖隨層支護(hù)方案和預(yù)留核心土開(kāi)挖方案進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3.基坑放坡開(kāi)挖支護(hù)剖面圖

在基坑邊坡坡率為1:1.5的條件下，經(jīng)計(jì)算兩種開(kāi)挖形式的基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.513和1.734，坡頂沉降量分別為24mm、19mm，預(yù)留核心土開(kāi)挖后的最危滑裂面分布如圖5所示。

圖4.預(yù)留核心土的開(kāi)挖順序

圖5.預(yù)留核心土開(kāi)挖后基坑邊坡最危滑裂面

從上述結(jié)果可以看出，不同的開(kāi)挖方式對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有著重要影響。本文采用的預(yù)留核心土開(kāi)挖方式，其核心思想是在對(duì)軟弱土處進(jìn)行滯后開(kāi)挖，等兩側(cè)土體充分支護(hù)后，再對(duì)其進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)，從而減少開(kāi)挖工程對(duì)軟弱土體部位的擾動(dòng)，可起到穩(wěn)定工作面的作用，并通過(guò)兩側(cè)的支護(hù)作用充分抑制軟弱土體的滑移。從基坑邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)方面來(lái)看，采用預(yù)留核心土的開(kāi)挖方式后，其基坑邊坡穩(wěn)定系數(shù)較常規(guī)開(kāi)挖方式更大。從滑裂面分布（塑性變形區(qū)）來(lái)看，采用預(yù)留核心土的開(kāi)挖方式的軟弱土體塑性變形量相對(duì)較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了該種開(kāi)挖方式對(duì)軟弱土體滑移的抑制作用。

四、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于空間效應(yīng)顯著、各穩(wěn)定因素相互作用明顯的基坑工程，應(yīng)采用三維模型計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果能夠更加貼近實(shí)際情況，從而為基坑開(kāi)挖支護(hù)方案提供更為有效的參考借鑒。

常規(guī)的二維平面計(jì)算方法適用于土質(zhì)分布均質(zhì)的情況，不能充分考慮各斷面不同土質(zhì)之間相互間的作用，雖然從本文的計(jì)算結(jié)果來(lái)看偏安全，但可能帶來(lái)開(kāi)挖支護(hù)形式選擇上的限制，以及增加更多的成本，使得設(shè)計(jì)的開(kāi)挖支護(hù)形式雖然安全但經(jīng)濟(jì)成本較高。

通過(guò)本文中兩種計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，考慮了軟弱土體和兩側(cè)土體的相互作用后，局部軟弱土體的不穩(wěn)定不足以引起整體基坑邊坡的失穩(wěn)，由此，對(duì)于該工程來(lái)說(shuō)，放坡是最為合理且經(jīng)濟(jì)效益較好的開(kāi)挖支護(hù)形式。

通過(guò)對(duì)常規(guī)分層開(kāi)挖和預(yù)留核心土開(kāi)挖兩種方式進(jìn)行對(duì)比可以看出，預(yù)留核心土開(kāi)挖方式可以減少對(duì)軟弱土體的開(kāi)挖擾動(dòng)，開(kāi)挖面穩(wěn)定性較好，能夠防止出現(xiàn)軟弱土體滑移等現(xiàn)象。

本文通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了放坡開(kāi)挖形式以及預(yù)留核心土開(kāi)挖施工方案能夠確?；拥恼w穩(wěn)定，在實(shí)際工程中產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可為同類型的建設(shè)工程提供參考借鑒。