公路下穿通道深基坑開挖穩定分析

趙辰

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430000）

一、概述

基坑開挖支護作為一種臨時工程，在保證自身及鄰近結構物穩定安全的前提下，須充分考慮其經濟性。因此，如何根據現場實際情況，做出較為合理經濟的開挖支護方案是基坑設計的重點。而基坑土體的性質將直接影響開挖支護方式的選取，軟弱土體由于其自身強度低對基坑的穩定性有著重要影響，因此，在基坑開挖支護設計的過程中須充分考慮其自穩能力差的特點，并綜合考慮現場實際情況。

本文結合SL33大廣高速南康南連接線下穿和諧大道的通道實際情況，充分考慮基坑局部軟弱土體對基坑的穩定影響，通過分析平面理論方法和三維有限元法對軟弱土體模擬方式的差異性，選取合理的計算方法，進而根據計算結果選擇合理經濟的開挖支護方案。最后，通過現場實際施工情況驗證了計算方法和開挖支護方案的合理性。

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1.1km，為順利完成下穿通道箱涵的建設，首先需對和諧大道段進行基坑開挖，創造出通道箱涵工作面，由于通道箱涵工期較長，因此在基坑回填之前，要確保其穩定性。

基坑最深處達到14m，屬于深基坑，根據現場鉆探發現基坑存在局部軟弱土體，土質為淤泥質土。距基坑大約45m位置有重要建筑物百家姓牌坊，由于該牌坊為當地地標性建筑，因此，在對基坑進行開挖支護設計時，需考慮局部軟弱土體以及開挖支護對周圍建筑物的影響。

三、基坑開挖支護穩定性分析

經典法和彈性法是較為常用的穩定性計算方法，本文首先采用理正深基坑軟件進行基坑開挖支護計算，然后采用三維有限元法對計算結果進行復核，利用三維有限元模擬將基坑作為一個空間模型進行計算分析，可同時分析基坑開挖過程中各因素之間相互影響的程度，包括開挖支護、巖（土）性、支護結構與巖土體的相互作用等。與常規計算方法相比，其主要優點在于模擬計算分析時，可以充分考慮基坑的整體性狀。

（一）理論計算及結果

首先，采用理正深基坑軟件對軟弱土體部位進行計算分析，由于該計算程序僅適用于二維平面問題，因此，本文以軟弱土體所在的斷面為計算斷面，選取的計算土層和土層參數如表1和表2所示。放坡形式依靠其自身穩定性需采用1:2.5的坡率放坡（計算的整體穩定安全系數為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，對牌坊周圍土體的穩定性起到重要影響，因此，根據該計算程序的計算結果可以判斷出，放坡開挖支護形式不能保證基坑穩定性。針對上述問題，本文考慮采用“灌注樁＋放坡”和“抗滑樁＋放坡”的支護形式，通過比選，兩種支護形式均能滿足基坑的穩定性，但存在造價較高、施工工期較長等問題。

表1.土層參數表

表2.開挖支護計算結果

（二）有限元計算及結果

經典法和彈性法僅能從二維平面考慮基坑的穩定性，雖然其計算結果偏安全，但未能充分考慮兩側土體對軟弱土體滑裂的抑制作用。對此，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，模擬計算出合理的結果，再依據該結果制定出較為合理的基坑開挖支護設計方案。

本工程采用邁達斯巖土軟件進行計算，土體單元采用摩爾-庫倫本構模型。首先，考慮采用放坡開挖形式的基坑穩定性。對1:1、1:1.5和1:2.5三種放坡坡率進行對比分析，模型網格劃分如圖1所示。

圖1.三維有限元網格劃分

計算步驟如下：加載自重地應力，進行初始地應力平衡計算；第一級開挖深度為5m，施加錨桿支護，再計算此開挖步驟的基坑邊坡穩定系數；第二級開挖深度為4m，施加錨桿支護，再計算此開挖步驟的邊坡穩定系數；第三級開挖深度為5m，施加錨桿支護，然后計算此開挖步驟的邊坡穩定系數。

不同基坑放坡坡率下的邊坡穩定系數以及由理正深基坑程序計算的結果如表3所示。當放坡坡率為1:1.5時，開挖支護后的滑裂面如圖2所示（塑性變形區）。

表3.放坡開挖支護計算結果對比

圖2.放坡開挖后基坑邊坡最危滑裂面

從上述結果可以看出，不同的開挖方式對邊坡的穩定性有著重要影響。由數據計算得出，采用有限元計算法計算當基坑放坡坡率為1:1.5時，能夠滿足邊坡的穩定性要求，而理正深基坑計算程序結果表明基坑坡率只有為1:2.5時，才能滿足邊坡的穩定性要求。因此，應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。通過兩種計算方法的對比可知，兩側土體對軟弱土體滑裂的抑制作用較為顯著，因此在實際的模擬計算中，應將該抑制作用作為考慮因素之一，在基坑局部存在軟弱土時，既要考慮軟弱土體對基坑穩定性的局部影響，也要考慮其對坑基整體穩定性的影響，若僅由局部穩定結果代替整體穩定結果，既不符合實際情況，也將影響開挖支護方案的選取，甚至會造成支護過量等問題，從而提高經濟成本和時間成本。

考慮放坡開挖支護施工順序對基坑穩定性的影響，通常采用開挖支護方式為分層開挖隨層支護形式，但考慮到局部軟弱土體的影響，本文提出采用預留核心土的開挖方式，具體操作如圖4所示。首先，對軟弱土體兩側進行開挖并及時支護，再對軟弱土體兩側下一層進行開挖支護，在此之前，保留軟弱土體處的土層結構，隨后開挖第一層軟弱土體處預留的土層，并及時進行支護，由此依序開挖，經過6個開挖步驟后，便完成了項目的整體開挖工程。對此，在開挖支護施工順序的模擬分析中，對常規的分層開挖隨層支護方案和預留核心土開挖方案進行對比分析。

圖3.基坑放坡開挖支護剖面圖

在基坑邊坡坡率為1:1.5的條件下，經計算兩種開挖形式的基坑邊坡穩定系數分別為1.513和1.734，坡頂沉降量分別為24mm、19mm，預留核心土開挖后的最危滑裂面分布如圖5所示。

圖4.預留核心土的開挖順序

圖5.預留核心土開挖后基坑邊坡最危滑裂面

從上述結果可以看出，不同的開挖方式對邊坡的穩定性有著重要影響。本文采用的預留核心土開挖方式，其核心思想是在對軟弱土處進行滯后開挖，等兩側土體充分支護后，再對其進行開挖支護，從而減少開挖工程對軟弱土體部位的擾動，可起到穩定工作面的作用，并通過兩側的支護作用充分抑制軟弱土體的滑移。從基坑邊坡穩定安全系數方面來看，采用預留核心土的開挖方式后，其基坑邊坡穩定系數較常規開挖方式更大。從滑裂面分布（塑性變形區）來看，采用預留核心土的開挖方式的軟弱土體塑性變形量相對較小，進一步驗證了該種開挖方式對軟弱土體滑移的抑制作用。

四、結語

對于空間效應顯著、各穩定因素相互作用明顯的基坑工程，應采用三維模型計算，其計算結果能夠更加貼近實際情況，從而為基坑開挖支護方案提供更為有效的參考借鑒。

常規的二維平面計算方法適用于土質分布均質的情況，不能充分考慮各斷面不同土質之間相互間的作用，雖然從本文的計算結果來看偏安全，但可能帶來開挖支護形式選擇上的限制，以及增加更多的成本，使得設計的開挖支護形式雖然安全但經濟成本較高。

通過本文中兩種計算結果的對比分析可以看出，考慮了軟弱土體和兩側土體的相互作用后，局部軟弱土體的不穩定不足以引起整體基坑邊坡的失穩，由此，對于該工程來說，放坡是最為合理且經濟效益較好的開挖支護形式。

通過對常規分層開挖和預留核心土開挖兩種方式進行對比可以看出，預留核心土開挖方式可以減少對軟弱土體的開挖擾動，開挖面穩定性較好，能夠防止出現軟弱土體滑移等現象。

本文通過對基坑開挖支護進行三維數值計算，驗證了放坡開挖形式以及預留核心土開挖施工方案能夠確保基坑的整體穩定，在實際工程中產生了良好的經濟效益，可為同類型的建設工程提供參考借鑒。