砂土明挖之技術研發－砂土護坡式開挖施工工藝

袁媛 隨燦

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450000）

一般砂質土壤明挖邊坡的潛在破壞面存在負孔隙壓力，使邊坡不會在剛開挖時發生破壞。但當土壤飽和度降低到零，負孔隙壓力消散到零，則邊坡一定發生崩塌。故維持明挖邊坡土壤飽和度，是維持砂土邊坡不崩塌的重要條件。

本研究以階段式開挖及鋼絲網噴凝土護坡封層，保持切坡下土壤的飽和度，使切坡后的負孔隙水壓及毛細應力不消散，用以維持邊坡潛在破壞面在開挖期間的外視凝聚力，而不發生崩塌及保持砂土切坡為楔形破壞，并因護坡殼使砂土切坡后飽和度不變，維持開挖解壓后的負孔隙壓力不排水，即強制砂土在開挖期間屬于短期強度應力行為。本研究護坡封層范圍超過潛在破壞面 2m 以上，維持砂土邊坡潛在破壞面內的飽和度，在無地震下完成開挖深度 5.5m 之 70°、60°、55°砂土邊坡，配合切坡上傾斜變位計管邊坡側向變位量測值及STEDWin2.7、RISS計算機程序分析邊坡安全系數，成功印證階段式開挖配合鋼絲網噴凝土護坡封層之砂土明挖技術的可行性及經濟性。

1 研究目的

目前國內部分地區的山坡地擋土墻施工，習慣先垂直削坡，扎鋼筋封模板再打混凝土，可是多數擋土墻施工在垂直削坡時，若遇砂性土壤，發生崩塌埋死工人的意外時有所聞，尤其砂土地盤無凝聚力、排水排氣能力佳，垂直開挖時負孔隙壓力消散快，崩塌時間亦快，施工上安全性更低，故本研究以砂土為主，如何突破傳統明挖方式限制，而使明挖工藝更安全、更經濟。

2 工地驗證

2.1 工地試驗規劃

試驗規劃以 90°、75°、60°三種不同斜坡明挖角度，在開挖面20m×10m 的空地，預定開挖至 6m 深，并維持一個月監測，評估此明挖技術的可行性。

2.2 地層分布與土壤參數

試驗場地地下開挖到 GL-6.9m，采用筏基，地下一層(大賣場)基地面積為 13246m2。地表面回填土層厚度 1.7m，回填土以下至深度 14.4m 為 N=10 粉質粗中細砂，深度 14.4m~20m為粉質細砂夾粉土薄層。

2.3 施工步驟

地表整平及放樣→地表鋼絲網噴凝土封層→監測儀器埋設→初始值量測→第一階段開挖→第一階段護坡→第二階段開挖與護坡→第三階段開挖與護坡→監測→回填整平→測量飽和度變化

2.4 相關試驗

①開挖面尺寸測量：開挖底面為12m ×8.2m 的長方形，實際深度 5.5m。

②各坡面角度測量：以水平尺吊垂球測量。表1為邊坡實際角度量測數據，北側平均坡角 55°、南側平均坡角60°、西側平均坡角 70°。

表1 邊坡角度測量紀錄

③基本物性試驗：由工地取回的砂土，做土粒比重、含水量等試驗，得砂土 Gs=2.67。

④直接剪力試驗：由工地取回土樣進行室內直接剪力快剪 Q 試驗，得未飽和砂土C=2.6 t/m2、ψ=28.5°，而工地取回的砂土進行直剪快剪 Q 試驗， C=1.6 t/m2、ψ=29.3°。故切坡護坡應力分析采用保守的 C=1.6 t/m2、ψ≒28°。

⑤飽和度測量：以砂錐法、含水量及土粒比重推算，開挖至底面時平均飽和度為 16.08%，開挖到底擱置一個月后，地表封層破除并開挖至 GL-2m 深，計算平均飽和度為39.22%，而無護坡封層處，平均飽和度為 8.81%。[1]

⑥安息角測量：砂土平均安息角為 32°。

3 結果分析

3.1 毛細應力分析

地下水位在GL－7.5m，毛細高度位于GL-7.5M~ GL-6.13M,在開挖面GL-5.5m下方，斜坡應力分析不受毛細應力影響。

3.2 斜坡明挖含混凝土殼護坡的穩定分析

砂土地盤護坡式開挖技術，其中鋼絲網噴凝土護坡可提供土壤與護坡殼介面間的摩擦力，維持砂土孔隙壓力，使砂土不發生顆粒松散而剝落，確保低凝聚力砂土破壞為楔形破壞[2]，故以土楔應力平衡分析各切坡的安全系數。

3.3 程序分析

3.3.1 STEDWin2.7 程序分析

若砂土邊坡不考慮C值，所有邊坡安全系數皆遠小于1，處于危險狀態，但現地邊坡卻站立31天，故C值保守采用重模土壤的直剪快剪試驗數據1.6t/m2，其分析如圖1-3所示。北側切坡60°(55°邊坡)最小安全系數1.34，南側切坡75°(60°邊坡)最小安全系數1.22，西側切坡90°(70°邊坡)最小安全系數1.07。STEDWin2.7分析考慮邊坡直接開挖完成到GL-5.5m，而非模擬分階段開挖與護坡后再挖之程序，故其分析所得安全系數與本研究應力分析所得稍有不同，但除90°切坡外其余FS皆大于1.2屬于安全側。

圖1 北側切坡考慮 C 值最小安全系數

圖2 南側切坡考慮 C 值最小安全系數

圖3 西側切坡考慮 C 值最小安全系數

3.3.2 RISS(Real-time Instrumentation System for Slope)邊坡實時分析軟件

根據傾斜管監測資料，用以回饋分析開挖坡體穩定之狀態，通過其分析結果得知各開挖邊坡安全系數皆大于 1.2，經31 天后安全系數并無減少，其中南側切坡 75°(60°邊坡)由于坡頂為物料堆放區，故回饋分析出之安全系數小于西側切坡90° (70°邊坡)。

各分析方法與各階段之邊坡安全系數，整理如表2所示。

3.4 安全性評估

依照地表護坡封層，階段式隨開挖隨護坡技術，確實可縮短砂土暴露時間，而護坡范圍增大，也可阻擋雨水滲入破壞面，延長坡面穩定時間[3]。若對于地質狀況安全性存有疑慮，可在地表護坡封層前，以鋼軌樁離邊坡 1m 處打設穩定樁，間距 1m 一支，打穿 45°主動破壞面，抵擋破壞土楔的下滑力，再進行開挖護坡。

表2 各分析方法與各階段的安全系數

3.5 施工性評估

與傳統明挖工藝比較，只增加地表護坡封層，施工上并無困難度。施工建議：

1 冬季施工，砂土邊坡降水產生的毛細高度隨溫度降低而增高，故對開挖坡面穩定較有幫助。

2 此工藝僅于 N=10 的砂土降水后的工地試驗成功，故適用于 N>10的砂土降水后工地，而黏土地盤有凝聚力存在，孔隙壓力消散慢，應更適用此法。

3 地表護坡封層范圍應超過潛在破壞面 2m 以上，封層以10cm 厚 RC(一排鋼筋)為佳，并預留可焊鋼筋，與開挖后坡面鋼絲網焊接。

4 護坡時采用鋼絲網噴凝土，可均勻將水泥砂漿覆蓋于砂土顆粒，若采用模版灌漿方式，則需振動搗實。

3.6 經濟效益評估

本試驗成本含回填夯實及監測系統，共花費 390,000 元，若以工地規模(139.75m × 75.05m × 6.9m)作為比較依據，將成本依比例放大(不考慮監測系統與部份回填)，相當于花費5,883,000 元。就同樣工地規模而言，連續壁工藝工程成本約36,260,000 元，排樁工藝工程成本約 16,920,000 元，鋼板樁工藝工程成本約 12,920,000 元。護坡式開挖工藝成本約為連續壁工藝的 1/6，排樁工藝的 1/3，鋼板樁工藝的 1/2。

4 結語

①由現場切坡試驗顯示，部份飽和砂飽和度，在地表護坡封層將蒸發水氣阻擋下而增加，更可維持負孔隙壓力的存在，強制砂土在開挖期間為短期不排水強度應力行為，增加坡面安全性。

②砂土地盤護坡式明挖技術施工程序相對于傳統明挖工藝，只增加地表護坡封層，施工上并無困難度，不會影響工期。

③本研究砂土護坡式明挖工地監測數據顯示，開挖完成后各變位管位移平均速率日變化量未達 0.1mm，月變化量未達2mm，經 STEDWin2.70 及 RISS 程序分析后，各邊坡安全系數皆大于 1，而 RISS 分析成果顯示，各坡面歷經單日累積雨量 3.5mm，雨強度 1.5mm/hr 并擱置 31 天后強制拆除，安全系數并無降低。

④護坡式開挖工法成本約為連續壁工藝 1/6，排樁工藝1/3，鋼板樁工藝1/2。

⑤土釘式護坡明挖技術，可更安全與更省護坡面積，且更安全地在砂土進行護坡式明挖。

[1]雷振甫,陸劍.“鐵板砂”土層基槽開挖施工工藝研究[J].建筑科學.2012（12）：12-13.

[2]許金明.粉砂土路基邊坡防護措施[J].黑龍江交通科技.2013（7）：78-79.

[3]蘇培堅.砂土膜袋圍堰在珠江三角水利工程施工應用[J].商品與質量：房地產研究.2014（2）：111-112.