高 晗，馬 可，王 勇，孫廣雨

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.內(nèi)蒙古平西白音華煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

在夏季降雨量較大的露天煤礦，為減少采場(chǎng)積水對(duì)邊坡造成影響，防止出現(xiàn)邊坡滑坡或臺(tái)階崩塌，需進(jìn)行深基坑開挖工作，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行蓄水調(diào)節(jié)；不但能夠緩解強(qiáng)降雨時(shí)采場(chǎng)儲(chǔ)水壓力，還能為旱季灑水降塵、綠化噴灌提供充足的水源，經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前國內(nèi)部分學(xué)者對(duì)深基坑開挖有一定研究。楊宏偉[1]采用工程案例分析的方法，針對(duì)深基坑支護(hù)技術(shù)在巖土工程施工中的應(yīng)用進(jìn)行淺析，制訂深基坑支護(hù)技術(shù)方案；蔡永元等[2]結(jié)合土質(zhì)條件與施工水平，分析地鐵隧道深基坑穩(wěn)定性，設(shè)置多個(gè)支護(hù)參數(shù)，按照逐層施工的方式完成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的搭建，并建立了針對(duì)性的監(jiān)測(cè)機(jī)制；馬可[3]通過FLAC3D軟件對(duì)由于基坑開挖而引起的周圍土體沉降進(jìn)行模擬，計(jì)算蓄水池開挖后建筑物的應(yīng)力變形結(jié)果，判定蓄水池開挖方案的合理性與安全性；羅戰(zhàn)友等[4]以地鐵深基坑工程為例，分析基坑周邊地表沉降及水平位移的變化規(guī)律，推導(dǎo)出粉砂地層地鐵深基坑周邊地表沉降預(yù)測(cè)模型；胡鑫[5]分析了降水對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降的影響；張少龍[6]根據(jù)層次分析法原理,考慮到影響基坑支護(hù)方案選取的多種因素,建立了深基坑支護(hù)方案評(píng)價(jià)模型,得出支護(hù)方案的量化指標(biāo),最終得出最優(yōu)支護(hù)方案；陳德有[7]提出了基坑降深法在露天疏干排水工程中的應(yīng)用方式與前景；馬可等[8]介紹一種土釘墻+井點(diǎn)降水在沿海地區(qū)砂土層基坑支護(hù)中的成功應(yīng)用；劉禮福[9]通過理論研究、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)深基坑施工過程中的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了深入的研究；詹鎖[10]使用有限元軟件對(duì)基坑開挖支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析深基坑開挖過程中支護(hù)體系的水平位移、內(nèi)力變化、周邊地表的沉降變化情況。

1 礦區(qū)巖土工程條件

1.1 礦區(qū)工程地質(zhì)條件

白音華某露天煤礦擬修建一蓄水調(diào)節(jié)池，需對(duì)該區(qū)進(jìn)行深基坑開挖及支護(hù)工作，擬建蓄水池地表占地面積為300 m×200 m。根據(jù)場(chǎng)區(qū)巖土工程勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，場(chǎng)區(qū)地層從上至下為①細(xì)砂：沉積時(shí)代、成因Q4，土黃色，中密、稍濕、飽和，成分以石英、長石為主，顆粒均勻，級(jí)配一般，局部夾有礫石，風(fēng)積形，層厚6.30～19.50 m；②粉質(zhì)黏土：沉積時(shí)代、成因Q4，灰色、土黃、紅褐色，可塑，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無搖震反應(yīng)，層厚15.20～20.30 m。

1.2 物理力學(xué)參數(shù)的選取

選取的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過深基坑邊坡安全系數(shù)表征邊坡穩(wěn)定性，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析深基坑開挖及支護(hù)方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 深基坑開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

由于該場(chǎng)區(qū)地下水位埋深為14 m，為了保證蓄水工程的安全性及受到施工條件的限制，深基坑開挖深度不宜超過13 m。

2.1 開挖深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究深基坑開挖深度對(duì)其邊坡穩(wěn)定性的影響，選取邊坡角度為16°時(shí)的深基坑，通過模擬計(jì)算不同開挖深度時(shí)的邊坡安全系數(shù)，確定深基坑開挖深度與其邊坡安全系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

邊坡安全系數(shù)隨著深基坑開挖深度的增加而減??；在開挖深度深度較淺時(shí)，邊坡安全系數(shù)變化較大；開挖深度超過5 m 后，邊坡安全系數(shù)的變化逐漸減緩；在開挖深度為10 m 時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.3。

2.2 邊坡角度對(duì)穩(wěn)定性的影響

由于場(chǎng)地限制，深基坑的修建僅能按照地表300 m×200 m 的矩形向下開挖。為了在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下盡量增大深基坑的容積，通過數(shù)值模擬方法計(jì)算在不同邊坡角度下的安全系數(shù)。所取深基坑開挖深度為10 m，得到的深基坑邊坡角度與邊坡安全系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1。

圖1 邊坡角度—安全系數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)圖1 可以看出：深基坑邊坡安全系數(shù)隨角度的增大而減小，且減小速度逐漸減緩。由于深基坑邊坡屬于永久邊坡，因此根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)，邊坡安全等級(jí)為二級(jí)，一般工況下的永久邊坡應(yīng)滿足邊坡安全系數(shù)達(dá)1.3以上。因此，當(dāng)深基坑僅采用自然放坡開挖，不進(jìn)行支護(hù)時(shí)，其開挖后的邊坡的安全系數(shù)也應(yīng)滿足要求。通過以上分析，當(dāng)深基坑開挖深度為10 m，坡率為1:3.4 時(shí)邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.316，滿足安全儲(chǔ)備要求。

3 深基坑支護(hù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了在滿足安全系數(shù)的要求的前提下增大深基坑容量，可以選擇增大邊坡角度的同時(shí)對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。對(duì)此選取邊坡角度為90°的深基坑開挖方式，開挖深度為10 m，通過地下連續(xù)墻對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)。地下連續(xù)墻既可以作為深基坑的護(hù)壁，也可以在施工中充當(dāng)隔水構(gòu)筑隔絕外部地下水，在制作地下連續(xù)擋土墻的水泥中應(yīng)混入防水劑增加地連墻的防滲性能。內(nèi)支撐作為地下連續(xù)墻支護(hù)的附屬結(jié)構(gòu)，可以通過承受由擋土墻傳遞的荷載，調(diào)整擋土墻的彎矩及變形，從而改善擋土墻的擋土功能。

采用連續(xù)墻對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)，連續(xù)墻高度為23 m，其上部10 m 作為深基坑護(hù)壁，下部13 m 埋入地下，墻厚為1 m。同時(shí)在修建過程中對(duì)墻體水平方向每隔5 m、豎向深3 m 及深7 m 進(jìn)行內(nèi)撐支錨設(shè)計(jì)，增加墻體抗變形能力。地下連續(xù)墻開挖-支護(hù)施工步驟見表2。支護(hù)方式時(shí)深基坑安全系數(shù)隨開挖深度變化曲線圖如圖2。

圖2 支護(hù)深基坑開挖深度—安全系數(shù)關(guān)系曲線圖

表2 地下連續(xù)墻開挖-支護(hù)施工步驟

由圖2 可以看出：深基坑邊坡安全系數(shù)隨著開挖深度的增加快速增大，在開挖深度達(dá)到3 m 及7 m時(shí)，安全系數(shù)存在跳躍性突增，即地下連續(xù)墻及內(nèi)撐的支護(hù)方式對(duì)深基坑邊坡的安全系數(shù)有著極大的提高；且每階段邊坡安全系數(shù)均大于1.3，保障施工安全，最終邊坡安全系數(shù)為1.353，滿足安全儲(chǔ)備要求。

4 深基坑方案及穩(wěn)定性

在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、蓄水池容量、施工難度及施工造價(jià)后，最終該礦區(qū)選取自然放坡的深基坑開挖方案，開挖深度為10 m，邊坡坡率為1:3.4，此方案無需對(duì)深基坑機(jī)型支護(hù)處理，僅需在深基坑表面鋪設(shè)防滲土工膜，保證深基坑蓄水池的防滲功能。經(jīng)計(jì)算，該方案邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.316，滿足安全儲(chǔ)備要求。

基坑開挖模擬計(jì)算采用Midas GTS NX 軟件進(jìn)行，土體本構(gòu)為修正莫爾庫侖模型。模型計(jì)算時(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工開挖順序，通過初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算-位移清零-模擬開挖-穩(wěn)定性分析的步驟模擬基坑開挖全過程。由于深基坑的開挖，改變了該場(chǎng)區(qū)土體內(nèi)原有的應(yīng)力場(chǎng)，使開挖面附近的土體產(chǎn)生向臨空面方向發(fā)生傾覆的趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致了深基坑附近土體產(chǎn)生明顯的沉降。該礦區(qū)地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，故采用三角形法計(jì)算沉降量，深基坑周邊沉降圖如圖3，深基坑邊坡的應(yīng)力云圖如圖4。

圖3 深基坑周邊沉降圖

圖4 深基坑邊坡應(yīng)力云圖

由圖3 可知：修建深基坑造成沉降對(duì)周邊區(qū)域的最大影響范圍是16 m，造成的最大沉降量為100 mm，發(fā)生在深基坑頂部。

由圖4 可知：在自然放坡開挖狀態(tài)下，深基坑內(nèi)壁交界處剪切應(yīng)力較大，最大剪切應(yīng)力為9.68 kN/m2；即在深基坑內(nèi)壁交界處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處邊坡容易發(fā)生損壞，在后續(xù)支護(hù)過程中應(yīng)注意防護(hù)。

5 結(jié)語

1）在對(duì)深基坑進(jìn)行開挖時(shí)，深基坑邊坡穩(wěn)定性隨著開挖深度的增加而減小，隨著邊坡角度的增大而減小，且穩(wěn)定性系數(shù)減小的速率逐漸減緩；當(dāng)開挖深度為10 m，坡率達(dá)到1:3.4 時(shí)邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.316，滿足時(shí)安全儲(chǔ)備要求。

2）在對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)時(shí)，可使用內(nèi)撐配合地下連續(xù)墻對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)；此支護(hù)方式對(duì)深基坑邊坡的安全系數(shù)有著極大的提高。

3）在自然放坡狀態(tài)下，修建深基坑對(duì)附近土體造成沉降最大影響的范圍是16 m，造成的最大沉降量為100 mm，發(fā)生在深基坑頂部。

4）在自然放坡狀態(tài)下，深基坑內(nèi)壁交界處剪切應(yīng)力較大，最大剪切應(yīng)力為9.68 kN/m2。即在深基坑內(nèi)壁交界處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處邊坡容易發(fā)生損壞，在后續(xù)支護(hù)過程中應(yīng)注意防護(hù)。