明挖隧道基坑施工穩(wěn)定性研究

陳寶銀

【摘要】在隧道挖掘作業(yè)中涉及到的地質(zhì)多樣化，如果隧道建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)具有特殊性，會(huì)造成開(kāi)挖作業(yè)不可控事件的發(fā)生。因此，需要應(yīng)用合理化的施工技術(shù)保證施工穩(wěn)定性。明挖隧道基坑施工技術(shù)的應(yīng)用能夠達(dá)到保障施工穩(wěn)定性的要求，本文以某工程為例研究明挖基坑施工的穩(wěn)定性，旨在提高隧道基坑挖掘質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】隧道施工;明挖法;穩(wěn)定性

目前，中國(guó)在隧道建設(shè)方面取得了一定的成就，應(yīng)用于隧道建設(shè)中的施工方法包括明挖法、暗挖法等挖掘方式。由于明挖隧道法具有施工效率高、造價(jià)較低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)普遍應(yīng)用于隧道建設(shè)中。在挖掘隧道時(shí)，需要保證基坑穩(wěn)定性，才能保證施工人員的施工安全，而明挖隧道法是否能夠保證基坑穩(wěn)定性需要進(jìn)行試驗(yàn)研究，本文針對(duì)明挖隧道法的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，具體內(nèi)容如下：

1、基坑穩(wěn)定性分析方法概述

在基坑邊坡穩(wěn)定性研究方法中，我國(guó)應(yīng)用方法主要包括有限單元法、極限平衡理論、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等。有限單元法具有較為成熟的理論，在計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展下表現(xiàn)出較多的優(yōu)質(zhì)，如果只針對(duì)施工過(guò)程與自動(dòng)計(jì)算滑移帶等方面，此方式的準(zhǔn)確性需要依賴模型的合理度;極限平衡理論是應(yīng)用力的平衡理論，此方法具有明確的受力，計(jì)算過(guò)程也很方便，只是存在無(wú)法將施工過(guò)程對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響考慮在內(nèi);現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方法是通過(guò)測(cè)量工程實(shí)地，利用量測(cè)數(shù)據(jù)變化了解基坑穩(wěn)定性，而應(yīng)用的量測(cè)數(shù)據(jù)采取的是變形速率與變形量等，運(yùn)用對(duì)比數(shù)值大小的方式掌握數(shù)值是否超過(guò)允許值。此方式具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控隧道，有利于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，但是存在使用性較差的問(wèn)題，數(shù)據(jù)只能反映工程情況，而無(wú)法應(yīng)對(duì)實(shí)際的復(fù)雜性。

2、多工況下的隧道基坑穩(wěn)定性

本工程的巖土參數(shù)應(yīng)用的是粉質(zhì)粘土物理學(xué)參數(shù)，針對(duì)基坑深度變化、巖土強(qiáng)度參數(shù)變化、基坑坡度變化、地下水四個(gè)方面進(jìn)行基坑安全系數(shù)的計(jì)算。經(jīng)過(guò)運(yùn)用力學(xué)極限平衡理論、圓弧滑動(dòng)面法、軟件自動(dòng)搜索破壞面后，計(jì)算出多個(gè)工況下的隧道基坑邊坡安全系數(shù)，從而得到隧道基坑邊坡的變化規(guī)律：應(yīng)用圓弧滑動(dòng)面法計(jì)算安全系數(shù)后，安全系數(shù)表現(xiàn)出基坑邊坡開(kāi)挖深度增加時(shí)發(fā)生了減小;隧道基坑邊坡的坡率呈現(xiàn)出不斷縮小的現(xiàn)象，而基坑邊坡安全系數(shù)越不斷增大;隧道基坑邊坡安全系數(shù)會(huì)隨同巖土層強(qiáng)度的不斷增加下而逐漸提升;基坑邊坡如果考慮地下水的條件，具有較小的安全系數(shù)，說(shuō)明水對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

3、復(fù)雜條件下的明挖隧道施工穩(wěn)定性

3.1 建立模型分析穩(wěn)定性

通過(guò)建立模型分析復(fù)雜條件下的明挖隧道施工穩(wěn)定性后，獲取如下結(jié)果：每次挖掘時(shí)，水平位移坑底會(huì)產(chǎn)生較大的變形問(wèn)題，在坡腳與坡頂?shù)奈恢脮?huì)發(fā)生豎向位移。因此，開(kāi)展明挖隧道施工時(shí)，需要注重基坑的坡頂位置與坡腳位置。在開(kāi)挖基坑時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力主要會(huì)對(duì)基坑周邊進(jìn)行影響，而最大主應(yīng)力在實(shí)施支護(hù)建設(shè)后都會(huì)產(chǎn)生減小。因此，應(yīng)在施工時(shí)及時(shí)開(kāi)展支護(hù)作業(yè)，縮減地應(yīng)力。隧道結(jié)構(gòu)在回填施工后會(huì)在板頂與板底兩個(gè)部分發(fā)生變形，板頂屬于水平變形、板底屬于豎向變形。

3.2 不同開(kāi)挖深度下的明挖隧道穩(wěn)定性

3.2.1明挖隧道基坑變形

應(yīng)用數(shù)值分析計(jì)算基坑位移變化，針對(duì)基坑頂面與坡腳成為研究對(duì)象。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后，得到如下結(jié)果：基坑水平方向產(chǎn)生的位移，坡頂位置要高于坡腳，而在豎向位移方面，坡頂表現(xiàn)出下沉、坡腳呈現(xiàn)出隆起;在實(shí)施明挖隧道基坑時(shí)，開(kāi)挖的深度逐漸增加時(shí)，基坑水平位移與豎向位移產(chǎn)生了逐漸增大，說(shuō)明開(kāi)挖深度決定著變形程度，深度越深、變形越大。

3.2.2 明挖隧道基坑安全系數(shù)變化規(guī)律

研究安全系數(shù)變化規(guī)律應(yīng)用 Midas/GTS NX SRM進(jìn)行分析，從分析結(jié)果可以了解到：第一，基坑安全系數(shù)在開(kāi)挖深度不斷增加時(shí)逐漸變小;第二，應(yīng)用隧道基坑邊坡安全系數(shù)強(qiáng)度折減法與應(yīng)用圓弧滑動(dòng)面計(jì)算法相比較，前者要大于后者，表明圓弧滑動(dòng)面計(jì)算較保守化;第三，應(yīng)用強(qiáng)度折減法計(jì)算后，基坑開(kāi)挖深度在20m以下時(shí)，安全系數(shù)表現(xiàn)出變化快的特點(diǎn)，表明在一定范圍內(nèi)的基坑安全系數(shù)很敏感。

3.2.3 基坑滑動(dòng)區(qū)變化規(guī)律

運(yùn)用限元軟件自動(dòng)搜索邊坡滑動(dòng)面分析與研究塑性狀態(tài)，能夠總結(jié)出基坑破壞規(guī)律與破壞形態(tài)。經(jīng)過(guò)分析與研究后得到以下規(guī)律：第一，基坑的塑性區(qū)域表現(xiàn)出圓弧狀，與實(shí)際工程常見(jiàn)性的粘性土破壞形式相符合;第二，在基坑受力與變形方面，坡腳位置在不同深度下具有塑性變形破壞最為突出的特點(diǎn)，因此，在施工時(shí)需要注重坡腳處理;第三，開(kāi)挖深度不斷增加下，圓弧滑動(dòng)區(qū)的長(zhǎng)度表現(xiàn)出逐漸加大的趨勢(shì)，安全性也越來(lái)越低。

3.3 不同開(kāi)挖坡度的明挖隧道穩(wěn)定性分析

3.3.1 基坑變形

研究不同開(kāi)挖坡度的明挖隧道穩(wěn)定性同樣應(yīng)用數(shù)值分析，選擇基坑頂面與坡作作為研究對(duì)象，計(jì)算出基坑的位移變化。從研究結(jié)果可知，首先，如果在開(kāi)挖深度不變的狀態(tài)下，開(kāi)挖的坡度會(huì)表現(xiàn)出在一定的范圍內(nèi)逐漸縮減的過(guò)程，基坑變形中的水平位移也處于不斷縮減的現(xiàn)象;其次，如果還是在開(kāi)挖深度不變的狀態(tài)下，開(kāi)挖坡度也是在一定范圍內(nèi)處于逐漸縮減的趨勢(shì)，而基坑坡頂沉降與坡腳上升變形產(chǎn)生的位移也處于不斷縮減中;最后，基坑水平移位的變形量中，坡頂與坡腳相比較，前者要高于后者，而豎向坡腳表現(xiàn)出隆起狀態(tài)、坡頂產(chǎn)生下沉現(xiàn)象。

3.3.2 明挖基坑安全系數(shù)變化規(guī)律

利用Midas/GTS NX邊坡穩(wěn)定SRM分析可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取基坑邊坡安全系數(shù)的目的，經(jīng)過(guò)安全系數(shù)計(jì)算后，得到的結(jié)果為：首先，若開(kāi)挖深度不變，挖掘坡度會(huì)在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生逐漸下降的趨勢(shì)，而基坑安全系數(shù)產(chǎn)生逐漸增大的趨勢(shì)，屬于近似線的增長(zhǎng)過(guò)程。在實(shí)際挖掘時(shí)，如果具備較好的場(chǎng)地與相應(yīng)的條件，在挖掘時(shí)需要盡可能放緩?fù)诰?。挖掘的坡度越緩和，?yīng)用較大坡率后，基坑會(huì)具有較好的變性能力，從而具備安全性能、穩(wěn)定性能。其次，應(yīng)用隧道基坑邊坡安全系數(shù)強(qiáng)度折減法計(jì)算與圓弧滑動(dòng)面計(jì)算相比較，前者要大于后者，表明圓弧滑動(dòng)面計(jì)算而出的安全系數(shù)偏重于安全性。

3.4 不同圍巖強(qiáng)度條件下粘聚力C對(duì)基坑穩(wěn)定性影響

粘聚力C值應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，得到如下結(jié)論：第一，基坑不同位置的豎向位移。首先，若只是對(duì)圍巖粘聚力進(jìn)行改變，基坑的坡頂位置與坡腳位置產(chǎn)生的水平位移、坡頂產(chǎn)生沉隆與坡腳形成隆起的位移會(huì)隨同粘聚力的加大而逐漸縮小;其次，水平位移狀態(tài)與豎向位移狀態(tài)呈現(xiàn)出拋物線的形態(tài)，表明粘聚力會(huì)影響基坑穩(wěn)定性，并且坡頂與坡腳產(chǎn)生的變形較為明顯。第二，粘聚力的基坑安全系數(shù)。首先，粘聚力C數(shù)值在增大時(shí)，基坑安全系數(shù)會(huì)隨之變大，變化屬于線性關(guān)系。如果是砂、卵石地層，因?yàn)榫哂休^小的粘聚力，可以采用注漿加固方式，能夠加大土體之間的粘聚力，保障土體的穩(wěn)定性與安全性。其次，應(yīng)用圓弧滑動(dòng)面對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)較小。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，在應(yīng)用明挖隧道基坑施工技術(shù)時(shí)，需要先根據(jù)實(shí)際工程計(jì)算出開(kāi)挖深度對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。然后，針對(duì)具有穩(wěn)定性、安全性較差的環(huán)節(jié)采取有效的措施進(jìn)行改善，從而保證實(shí)際開(kāi)挖作業(yè)的基坑穩(wěn)定性，達(dá)到保障施工質(zhì)量的要求。

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