拉薩河城區段治理工程開挖深基坑穩定性分析

牛平平，李棟梁，王 蒙，賀 苗，黃 偉，李乃回，祁國軍

(徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000)

河道整治工程中，常見的地層為雜填土、素填土、粉質黏土、淤泥、砂卵石層等結構較為松散、強度較為低下的巖土體。在臨近河水區域修建水利建筑物時，往往需要對河道進行開挖形成深基坑，因此準確分析基坑的穩定性尤為重要。袁宗浩等對偏壓作用下基坑底部隆起進行分析，獲取了抗隆起上限值；黃偉笑研究了多級開挖對邊坡穩定性的影響；劉漢露等使用未確知測度方法對基坑開挖后的邊坡穩定性進行預測評價；王瀟宇、王中達等使用強度折減法對基坑開挖后的穩定性進行數值模擬分析，數值模擬結果可為工程設計提供參考。目前，有較多的專家學者針對數值模擬方法和卵石層深基坑穩定性問題進行了專項研究，并取得了較為豐碩的成果。本文在前人研究基礎上，結合拉薩河城區段治理工程，對河流區域深基坑開挖穩定性進行研究，以期為工程支護提供參考。

1 工程概況

2 深基坑穩定性分析

影響深基坑開挖穩定性的因素較多，主要有地層結構、支護方案、施工工藝、地下水類型等。結合拉薩河城區段該攔河閘工程，建立離散元(PFC)數值模擬模型如圖1所示，對臨河富水厚層砂卵石地區深基坑開挖的穩定性問題進行研究。

一般情況下，在深基坑開挖施工過程中需要設置多個降水井，將地下水水位降至基坑底部以下，因此，本次數值模擬分析不考慮地下水對基坑穩定性的影響。采用PFC進行數值模擬分析時，將所研究的巖土體劃分為多個離散單元，力學模型較為簡單。

2.1 數值模擬模型建立

在卵石地區，常用的支護方法有支護樁和內支撐。此次水閘開挖基坑為長方形，典型地質斷面為：雜填土(0～2.0m)、粉質黏土(4～6m)、細砂(6～7m)、卵石層(7～21m)、泥巖(21～30m)，此次泥巖未揭穿，深基坑采用支護樁和鋼支撐方法。設計支護樁樁長為24.0m，共架設4道鋼管橫撐。由于基坑地層分布較為均勻，因此僅選擇一個斷面進行數值模擬分析。

2.2 計算參數選取

數值模擬計算參數的選取主要是根據現場原位試驗、周邊工程經驗以及室內力學試驗，各地層數值模擬參數見表1。

表1 各地層數值模擬參數

圖1 PFC數值模擬圖

2.3 鋼支撐施工時間確定

數值模擬計算步驟主要是依據深基坑開挖施工工藝確定。本工程采用明挖法，進行分層開挖，并依次架設鋼支撐，在施工過程中，優化鋼支撐的施工時機，以保證深基坑的穩定性和施工進度需求。為了確定首道支撐的最優時間，使用數值模擬方法確定深基坑直接開挖的極限深度，計算結果見表2。

表2 第一道鋼支撐施工時間

由表2計算結果可知，在不采取鋼支撐的情況下，當開挖深度達到5.0m時，支護樁側向位移大于規范允許值，因此，第一道支撐位于表面以下0.5m處。為了確定第二道支撐的施工時間，數值模擬計算結果見表3。

根據表3計算結果可知，在-0.5m處設置第一道鋼支撐情況下，當開挖深度達到7.0m時，支護樁側向位移大于規范允許值，因此，第二道支

表3 第二道支撐施工時間

撐位于表面以下5.0m處。為了確定第三道支撐的施工時間，數值模擬計算結果見表4。

表4 第三道支撐施工時間

根據表4計算結果可知，在-0.5m、-5.0m處設置第一道、第二道鋼支撐情況下，當開挖深度達到12.0m時，支護樁側向位移大于規范允許值，因此，第三道支撐位于表面以下10.0m處。為了確定第四道支撐的施工時間，數值模擬計算結果見表5。

表5 第四道支撐施工時間

根據表5計算結果可知，在-0.5、-5.0、-10.0m處設置第一道、第二道、第三道鋼支撐情況下，當開挖深度達到17.0m時，支護樁側向位移大于規范允許值，因此，第四道支撐位于表面以下15.0m處。四道鋼支撐施工后，基坑變形結果見表6。

表6 四道鋼支撐完成后變形結果

根據表6計算結果可知，設置四道鋼支撐后，基坑變形結果滿足規范要求，因此，不必加設第五道鋼支撐。

2.4 支護樁水平方向位移分析

根據上述研究結果，確定數值模擬開挖步驟，見表7。

表7 基坑模擬步驟

各步驟的支護樁水平方向變形結果如圖2所示。從圖2中可知，開挖后，變形曲線呈現出典型的中間大、兩頭小的特點。隨著開挖深度的不斷增加，支護樁相同部位水平方向位移不斷增大，樁體最大位移部位也逐漸下移，在基坑開挖深度范圍內，支護樁各處水平位移均小于30.0mm，滿足設計規范要求。

圖2 變形結果

3 結論

拉薩河深基坑開挖工程較為復雜，砂卵石層分布厚，采用PFC數值模擬方法確定鋼支撐的施工時間。根據數值模擬結果，采用4道鋼支撐可以滿足基坑穩定性要求，各處鋼支撐分別位于-0.5、-5.0、-10.0、-15.0m處，根據繪制支護樁的水平方向位移，支護樁在第五次開挖后，變形仍然小于30.0mm，滿足規范要求。