公路下穿通道深基坑开挖稳定分析

赵辰

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000）

一、概述

基坑开挖支护作为一种临时工程，在保证自身及邻近结构物稳定安全的前提下，须充分考虑其经济性。因此，如何根据现场实际情况，做出较为合理经济的开挖支护方案是基坑设计的重点。而基坑土体的性质将直接影响开挖支护方式的选取，软弱土体由于其自身强度低对基坑的稳定性有着重要影响，因此，在基坑开挖支护设计的过程中须充分考虑其自稳能力差的特点，并综合考虑现场实际情况。

本文结合SL33大广高速南康南连接线下穿和谐大道的通道实际情况，充分考虑基坑局部软弱土体对基坑的稳定影响，通过分析平面理论方法和三维有限元法对软弱土体模拟方式的差异性，选取合理的计算方法，进而根据计算结果选择合理经济的开挖支护方案。最后，通过现场实际施工情况验证了计算方法和开挖支护方案的合理性。

二、工程概况

SL33大广高速南康南连接线下穿和谐大道的通道全长1.1km，为顺利完成下穿通道箱涵的建设，首先需对和谐大道段进行基坑开挖，创造出通道箱涵工作面，由于通道箱涵工期较长，因此在基坑回填之前，要确保其稳定性。

基坑最深处达到14m，属于深基坑，根据现场钻探发现基坑存在局部软弱土体，土质为淤泥质土。距基坑大约45m位置有重要建筑物百家姓牌坊，由于该牌坊为当地地标性建筑，因此，在对基坑进行开挖支护设计时，需考虑局部软弱土体以及开挖支护对周围建筑物的影响。

三、基坑开挖支护稳定性分析

经典法和弹性法是较为常用的稳定性计算方法，本文首先采用理正深基坑软件进行基坑开挖支护计算，然后采用三维有限元法对计算结果进行复核，利用三维有限元模拟将基坑作为一个空间模型进行计算分析，可同时分析基坑开挖过程中各因素之间相互影响的程度，包括开挖支护、岩（土）性、支护结构与岩土体的相互作用等。与常规计算方法相比，其主要优点在于模拟计算分析时，可以充分考虑基坑的整体性状。

（一）理论计算及结果

首先，采用理正深基坑软件对软弱土体部位进行计算分析，由于该计算程序仅适用于二维平面问题，因此，本文以软弱土体所在的断面为计算断面，选取的计算土层和土层参数如表1和表2所示。放坡形式依靠其自身稳定性需采用1:2.5的坡率放坡（计算的整体稳定安全系数为1.308），由此基坑边坡坡顶距百家姓牌坊仅有10m左右，在牌坊处的地表下沉量为41mm，对牌坊周围土体的稳定性起到重要影响，因此，根据该计算程序的计算结果可以判断出，放坡开挖支护形式不能保证基坑稳定性。针对上述问题，本文考虑采用“灌注桩＋放坡”和“抗滑桩＋放坡”的支护形式，通过比选，两种支护形式均能满足基坑的稳定性，但存在造价较高、施工工期较长等问题。

表1.土层参数表

表2.开挖支护计算结果

（二）有限元计算及结果

经典法和弹性法仅能从二维平面考虑基坑的稳定性，虽然其计算结果偏安全，但未能充分考虑两侧土体对软弱土体滑裂的抑制作用。对此，本文采用三维有限元模拟方法，综合考虑土体之间的相互作用，模拟计算出合理的结果，再依据该结果制定出较为合理的基坑开挖支护设计方案。

本工程采用迈达斯岩土软件进行计算，土体单元采用摩尔-库伦本构模型。首先，考虑采用放坡开挖形式的基坑稳定性。对1:1、1:1.5和1:2.5三种放坡坡率进行对比分析，模型网格划分如图1所示。

图1.三维有限元网格划分

计算步骤如下：加载自重地应力，进行初始地应力平衡计算；第一级开挖深度为5m，施加锚杆支护，再计算此开挖步骤的基坑边坡稳定系数；第二级开挖深度为4m，施加锚杆支护，再计算此开挖步骤的边坡稳定系数；第三级开挖深度为5m，施加锚杆支护，然后计算此开挖步骤的边坡稳定系数。

不同基坑放坡坡率下的边坡稳定系数以及由理正深基坑程序计算的结果如表3所示。当放坡坡率为1:1.5时，开挖支护后的滑裂面如图2所示（塑性变形区）。

表3.放坡开挖支护计算结果对比

图2.放坡开挖后基坑边坡最危滑裂面

从上述结果可以看出，不同的开挖方式对边坡的稳定性有着重要影响。由数据计算得出，采用有限元计算法计算当基坑放坡坡率为1:1.5时，能够满足边坡的稳定性要求，而理正深基坑计算程序结果表明基坑坡率只有为1:2.5时，才能满足边坡的稳定性要求。因此，应选定采用基坑边坡坡率为1:1.5的方案为最佳，如图3所示。通过两种计算方法的对比可知，两侧土体对软弱土体滑裂的抑制作用较为显著，因此在实际的模拟计算中，应将该抑制作用作为考虑因素之一，在基坑局部存在软弱土时，既要考虑软弱土体对基坑稳定性的局部影响，也要考虑其对坑基整体稳定性的影响，若仅由局部稳定结果代替整体稳定结果，既不符合实际情况，也将影响开挖支护方案的选取，甚至会造成支护过量等问题，从而提高经济成本和时间成本。

考虑放坡开挖支护施工顺序对基坑稳定性的影响，通常采用开挖支护方式为分层开挖随层支护形式，但考虑到局部软弱土体的影响，本文提出采用预留核心土的开挖方式，具体操作如图4所示。首先，对软弱土体两侧进行开挖并及时支护，再对软弱土体两侧下一层进行开挖支护，在此之前，保留软弱土体处的土层结构，随后开挖第一层软弱土体处预留的土层，并及时进行支护，由此依序开挖，经过6个开挖步骤后，便完成了项目的整体开挖工程。对此，在开挖支护施工顺序的模拟分析中，对常规的分层开挖随层支护方案和预留核心土开挖方案进行对比分析。

图3.基坑放坡开挖支护剖面图

在基坑边坡坡率为1:1.5的条件下，经计算两种开挖形式的基坑边坡稳定系数分别为1.513和1.734，坡顶沉降量分别为24mm、19mm，预留核心土开挖后的最危滑裂面分布如图5所示。

图4.预留核心土的开挖顺序

图5.预留核心土开挖后基坑边坡最危滑裂面

从上述结果可以看出，不同的开挖方式对边坡的稳定性有着重要影响。本文采用的预留核心土开挖方式，其核心思想是在对软弱土处进行滞后开挖，等两侧土体充分支护后，再对其进行开挖支护，从而减少开挖工程对软弱土体部位的扰动，可起到稳定工作面的作用，并通过两侧的支护作用充分抑制软弱土体的滑移。从基坑边坡稳定安全系数方面来看，采用预留核心土的开挖方式后，其基坑边坡稳定系数较常规开挖方式更大。从滑裂面分布（塑性变形区）来看，采用预留核心土的开挖方式的软弱土体塑性变形量相对较小，进一步验证了该种开挖方式对软弱土体滑移的抑制作用。

四、结语

对于空间效应显著、各稳定因素相互作用明显的基坑工程，应采用三维模型计算，其计算结果能够更加贴近实际情况，从而为基坑开挖支护方案提供更为有效的参考借鉴。

常规的二维平面计算方法适用于土质分布均质的情况，不能充分考虑各断面不同土质之间相互间的作用，虽然从本文的计算结果来看偏安全，但可能带来开挖支护形式选择上的限制，以及增加更多的成本，使得设计的开挖支护形式虽然安全但经济成本较高。

通过本文中两种计算结果的对比分析可以看出，考虑了软弱土体和两侧土体的相互作用后，局部软弱土体的不稳定不足以引起整体基坑边坡的失稳，由此，对于该工程来说，放坡是最为合理且经济效益较好的开挖支护形式。

通过对常规分层开挖和预留核心土开挖两种方式进行对比可以看出，预留核心土开挖方式可以减少对软弱土体的开挖扰动，开挖面稳定性较好，能够防止出现软弱土体滑移等现象。

本文通过对基坑开挖支护进行三维数值计算，验证了放坡开挖形式以及预留核心土开挖施工方案能够确保基坑的整体稳定，在实际工程中产生了良好的经济效益，可为同类型的建设工程提供参考借鉴。