巖土工程施工中基坑邊坡失穩及加固處理技術

王 克（中國建筑材料工業地質勘查中心湖南總隊，湖南 株洲 412011）

基坑工程作為巖土工程施工中的一項重要作業內容，其邊坡的安全穩定性一直受到科研學者和廣大施工從業者們的高度重視。但是，當前關于巖土工程中基坑邊坡失穩及其加固處理技術的研究，一般都集中在單純的土質深基坑，或者是巖質深基坑，對于土巖雙質深基坑的研究相對較少[1]。本文通過某工程案例就土巖雙質深基坑施工中的邊坡失穩及其加固技術進行探究，為廣大從業者提供一些參考。

1 工程概況

位于我國山東青島的某大型公共綜合體項目，建筑總面積約98.5萬m2，地下室共有5層，地上則為高低層連體建筑和多層建筑，該項目占地面積約122600m2，施工基坑周長約1124m，基坑內最小深度18.8m，基坑內最大深度31.2m，其中，土層的厚度約8m～16m，經綜合判定屬于典型的土巖雙質深基坑，該項目基坑起伏程度較大，地質條件相當復雜。

2 基坑數值模擬

由于該工程項目基坑面積大、地質條件復雜，所以基坑施工期間邊坡的失穩監測及其加固就顯得十分重要[2]。施工單位借助FLAC3D軟件對基坑開挖的全過程進行數值模擬，通過模擬數據與現場施工實測數據進行對比，分析基坑可能出現的失穩狀態，進而采取相應的加固措施。

2.1 模型參數取值的確認

FLAC3D軟件是一種基于有限差分數值計算法的建模軟件，該軟件可以根據項目基坑的有關技術參數，對基坑開挖過程中巖土和結構之間的相互作用進行建模[3]。由于軟件建模需要以基坑的有關技術參數作為重要依據，因此施工方通過查閱文獻和現場測量，得到的項目基坑巖土體的物理力學參數如表1所示。

表1 項目基坑巖土體的物理力學參數表

2.2 模型的建立

由于該項目的基坑面積大，南北方向之間跨度范圍690m～710m，東西方向之間跨度范圍140m～165m，且為極其不規則的長方形。由于東西方向的跨度范圍方便建立模型，且經現場測算其模擬結構也較為準確，故而選擇東西跨度方向155m處的基坑剖面進行軟件建模，該位置處基坑剖面的模型尺寸為740m×115m。該模型依照基坑土巖層的分布特點，從地坪地面至基坑底部，土巖層的分布及其平均厚度如表2所示。在對基坑的開挖步驟進行模擬時，依照基坑土巖層的分布特點分三步開挖，第一步挖至室外地坪以下5m處（挖至粉質黏土層底部），第二步挖至室外地坪以下7m處（挖至含黏性土粗粒砂層底部），第三步挖至室外地坪以下18m處（挖至細粒花崗巖層底部）。

表2 項目基坑模型土巖層分布及其平均厚度

在軟件建立的模型中，將開挖部分的土巖通過網格劃分為1m×1m的土巖單元，以便于對土方內外部的應力和邊坡受力狀況進行分析[4]。

2.3 開挖過程基坑變形模擬監測

通過軟件，對三個開挖步驟期間的基坑位移進行模擬監測。

如圖1所示，當基坑在開挖至室外地坪以下5m處時，沒有發生明顯的較大變形，基坑狀態穩定，邊坡安全。但是受面積圖形不規則、網格劃分不均勻等因素影響，基坑存在西負東正（即基坑兩側向后收縮）的較小位移變化。經現場實測，位移量還不到1mm，對于后續的模擬計算無誤差影響。

圖1 基坑開挖至5m深度處位移變化

如圖2所示，隨著基坑開挖深度的逐漸增加，基坑的位移變形也在逐漸增大，經過軟件反應的數據和現場實測確認，當基坑開挖深度達到12m，即第二步驟土體完成開挖時，在基坑的東側頂部出現的最大位移變形為72mm，在基坑的西側頂部出現的最大位移變形為25mm，位于東側的位移變形相對較大，且基坑東側的邊坡失穩隱患也較大。

圖2 基坑開挖至7m深度處位移變化

如圖3所示，隨著基坑的進一步開挖，在基坑東西兩側頂部的位移變形進一步增大，但是由于地下巖層相對比較穩定，使得東西兩側頂部位移變形的速率有所減慢，而且位移變形多處于土層空間位置，巖層空間的位移較小。但是東側的位移變形是明顯大于西側的，特別是當開挖深度達到30m時，基坑東側頂部的最大位移變形已達110mm，而基坑西側頂部的最大位移變形僅有26mm。

圖3 基坑開挖至18m深度處位移變化

綜合上述分析，通過軟件模擬和現場實測，基坑東側的邊坡失穩隱患較大。

3 基坑邊坡支護加固模擬

由于在基坑變形的模擬與監測過程中，確認該基坑的東側存在邊坡失穩隱患，故而同樣借助軟件進行支護加固模擬并應用于邊坡的加固維護。

綜合考慮該基坑的巖土物理力學參數，以鉆孔灌注樁和預應力錨桿作為邊坡失穩加固的處理手段[5]，對三個步驟挖運土方過程中的基坑東側邊坡進行加固維護。

在所建立的支護加固模型中，鉆孔灌注樁長度28m，樁與樁之間的距離為3m，第一排預應力錨桿和鉆孔灌注樁樁頂的距離為6m，從第二排預應力錨桿位置起，每排預應力錨桿之間的距離為5m，預應力錨桿的長度為15m，錨固段長度為5m，傾斜角為30°。

在支護加固模擬后，基坑位移云圖如圖4所示，此時基坑頂部橫向的位移都是負值，即基坑整體是由南側向北側發生了微小位移形變，且位移最大值僅有1.41mm；在基坑的縱向方向上，最大位移變形為1.15mm。以上軟件模擬和現場實測結果顯示，采取支護加固措施后，基坑在水平方向上產生了由外向內的微小位移變形，但是基坑邊坡是穩定的，不存在失穩安全隱患。

圖4 基坑開挖至5m深度處時的位移云圖

如圖5所示，當基坑的開挖深度達到13m時，此時土巖深基坑上部的土層已經全部挖出完畢，雖然鉆孔灌注樁和預應力錨桿起到了一定的邊坡加固作用。但是由于基坑深度較大，此時軟件云圖顯示的位移量對于邊坡的穩固而言，存在一定隱患。經現場復核，此時基坑縱向的最大位移變形量為6.6mm，位于基坑東側地下約11m深度位置處，橫向最大位移變形量為5.3mm，發生在基坑南側地下約11m深度位置處。由此說明，基坑邊坡在采取加固措施后，其位移變形開始向基坑壁的中部轉移，但是最大位移均在同一深度位置處，這對于加固施工是有利的。

圖5 基坑開挖至13m深度處時的位移云圖

如圖6所示，當基坑挖至底部標高時，鉆孔灌注樁和預應力錨桿支護完成。根據軟件云圖和現場實測，此時基坑橫向位移變形量最大值為15mm，發生在基坑的南側地下深度約20m位置處；基坑縱向的位移變形量最大值為25mm，發生在基坑的東側地下深度約20m位置處。特別值得注意的是，此時基坑位移變形趨勢開始由基坑的中部向基坑的東部開始延展，這和軟件模型云圖顯示的圖像數據是吻合的，盡管如此，基坑的位移變形都在可控范圍內，基坑邊坡的穩定性安全得到了保障。

圖6 基坑開挖至25m深度處時的位移云圖

4 結語

通過梳理工程項目概況，選取合理的模型參數，借助FLAC3D軟件進行基坑位移變形模擬，通過模擬指示進行現場實測，確認變形模擬的有效性，再通過支護加固情境下的位移變形模擬和實測檢驗支護加固的效果，從而保障基坑邊坡在基坑開挖過程中的安全性。