明挖膨胀土质隧道基坑稳定性研究

齐 甦，曾稷威，于湘东，方博文

(1. 中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074；2.中铁十局集团有限公司 ，济南 250101)

特殊土问题不断困扰工程设计、施工，不合适的处理措施严重影响到工程的施工及运营安全。而膨胀土的反复胀缩性、多裂隙性、超固结性及强度衰减性易对土体稳定性产生危害性影响[1]。例如，早在20世纪70年代，南水北调中线在膨胀土地段引渠时，就发生过13处大滑坡[2]。因此，对膨胀土基坑变形、稳定性研究具有重要意义。

人们最早注意到膨胀土对工程造成的影响是来自美国的俄勒冈州的某一地下工程[3]，随后学者们针对膨胀土进行了大量的研究。沈珠江、米占宽[4]应用非饱和土固结理论，模拟了膨胀土渠道边坡在人工降雨过程中孔隙压力变化和变形的发展过程。陈新苗[5]分析了引江济淮工程沿线膨胀土的强度指标和胀缩性指标。缪林昌、钟晓晨、袁宗平[6]认为膨胀土的强度与含水量密切相关，即膨胀土的含水量强烈影响着峰值强度、稳态强度的变化。石北啸，陈生水，韩华强等[7]分析了晴雨变化下的基坑稳定性。夏伟、杨立功[8]等将温度场与湿度场等效，研究了膨胀土基坑回填的机理。张唐瑜、马丽娜、张戎令[9]等通过渗流试验，得出了膨胀曲线分为快速膨胀、外凸弧线减速膨胀和稳定阶段3部分组成。

笔者结合隧道施工组织设计、土方开挖方案和具体工程地质概况，借助Flac3D软件建立力学模型，运用有限元分析法研究基坑的稳定性。

1 隧道工程概况

该隧道为双线隧道，两线间距为4.8 m，坡度设计为11.5‰。隧道进口桩号DK105+710，出口桩号DK106+630，全长920 m，隧道内设计有1处综合辅助洞室，与隧道轴线正交，最大埋深28 m，隧道基坑最大开挖高度36.38 m，属深基坑范畴。隧道基坑DK105+756～DK106+564段经讨论决定变更为明挖法施工，采用分级放坡开挖基坑，基坑边坡最高为五级，最大边坡高度36.38 m，顺筑法浇筑衬砌混凝土。

隧道基坑区位于东西走向的阴山山脉复杂构造带南部，中朝准地台燕山沉降带与内蒙地轴分界处北部内陆湖盆。第三系上新统岩层中为不发育的断裂及褶皱构造，岩层构造走向约NE40°，倾向ES20°，雪峰期、燕山期地质构造形态明显可见。该隧道处于相对稳定的地质环境，未发现活动的大断裂，未见不良地质构造发育，地质构造简单，区域地质较稳定，相对适应于隧道工程建设。

隧道基坑主要穿越第三系砂岩、泥岩，隧道进出口及洞身局部覆盖有第四系全新统风积砂质黄土。

2 基坑膨胀土特点

通过加载完成直剪试验和固结试验，统计现场各组数据结果见表1。场区土层为中压缩性土，结合坑内土体新鲜面的性态与特征等特点，这种高液限中压缩可塑态非饱和的膨胀土质基坑极易因为地表水位或强降雨而导致含水率的变化诱使基坑侧壁滑移产生额外荷载[10-11]，引起基坑整体支护结构发生变形，甚至失稳破坏，产生大体积塌方[12]。

表1 膨胀土试验统计数据Tab.1 Expansive soil test statistics data

3 基于FLAC3D的基坑稳定性研究

3.1 模型尺寸及边界条件

土方开挖过程采用空模型(Null)模拟，基坑土体模拟用摩尔-库仑模型(Mohr-Coulomb)，划定模拟基坑范围的先决条件是确定能覆盖基坑开挖影响的区域，并且计算效率在此条件下必须得以满足。模型尺寸为长450 m×宽2 m×高107 m，模型包含开挖土体、计算范围内岩土体、锚索、灌注桩及支撑等。土体和灌注桩的计算模型采用brick单元网格，支撑和锚索体系采用结构单元。基坑采用排桩+锚索+内支撑围护体系，边坡防护采用骨架护坡形式——锚索框架梁+植草绿化的形式，锚索锚固于框架梁上。网格划分以开挖面密集向外稀疏为原则，最终模型共使用25 276个实体单元。在模型的底面处施加竖向约束，在模型的侧面处施加水平约束，数值分析模型如图1所示。

1-a 基坑数值分析图1-b 数值分析网格图图1 数值分析模型图Fig.1 Numerical analysis model

为简化计算，基坑的一侧设置5个监测点，基坑底部设置1个监测点，在混凝土支撑1和钢支撑2中安置轴力计，在钻孔灌注桩的钢筋上每隔1 m放置一个钢筋计，如图2所示。

3.2 施工工况模拟步骤

图2 监测点布置图Fig.2 Layout of monitoring points

该工程基坑施工分为1个初始平衡步和3个开挖及支撑架设步，详细计算步骤及模拟方案如表2所示。在FLAC3D建立模型模拟中，初始平衡模拟计算分析是在建立土体模型开挖前，重力导致的位移需要进行归零，同时初始应力应该保留以备后用；接着基坑模型的第一步开挖利用Model Null命令来完成，这就是模拟中常说的平衡计算，施做锚杆支护；继续向下开挖与架设不同材质的支撑，直至基坑开挖到设计标高，获得开挖完成后的应力场和位移场。

表2 基坑计算步骤及施工模拟方案Tab.2 Calculation steps and construction simulation scheme of foundation pit

4 数值模拟计算结果分析

土体在开挖前的稳定状态是其自重沉积固结作用下得到的结果，基坑开挖就是把这部分稳定的土体移走，所以整个开挖模拟计算过程中，要想得到基坑开挖前的原状土应力状态，必须模拟土体自重作用下沉积固结达到平衡状态[13]。以下为模型计算结果。

4.1 坑底隆起与地表沉降预测

雨季来临前后监测点垂直变化如图3所示。监测点1、2自第一次开挖至最后一次开挖过程中发生连续沉降，其中坡肩处监测点1的沉降最为明显，最终沉降量约25 mm。监测点2、3自第一次开挖后出现回弹变形，然后持续沉降。第二次开挖以后，监测点4、5发生向上回弹，随着计算的进行回弹量逐渐趋于稳定，在18～20 mm。监测点6由于土体开挖深度最大，土体卸荷最多，膨胀应力发展较多，回弹量最大，约为29 mm。

3-a 雨季来临前3-b 雨季来临后图3 雨季来临前后监测点1～6垂直位移随时间步变化图Fig.3 Vertical displacement of monitoring points 1～6 with time step before and after rainy season

监测点1、2雨季后自第一次开挖至最后一次开挖过程中发生连续沉降，其中坡肩处监测点1的沉降最为明显，由于降雨原因，较雨季前更快达到最大值，最终沉降量约25.4 mm。监测点3自第一次开挖后出现一定的回弹变形，随后又发生沉降，再第二次开挖以后又开始向上隆起，之后又发生一点沉降，最终隆起量在10 mm左右。第二次开挖以后，监测点4、5也发生向上回弹，到第三次开挖后回弹量继续增加，随着计算的进行回弹量逐渐趋于稳定，在32～34 mm。监测点6自第三次开挖后急剧回弹，整体回弹量最大，约为44 mm。相比降雨前，降雨之后的坑底隆起量和坡肩沉降量均有所增加，但对坑底隆起的影响要大于沉降的。

4-a 雨季来临前4-b 雨季来临后图4 雨季来临前后最大支撑轴力图Fig.4 Diagram of maximum support axis before and after rainy season

4.2 支护结构预测

对混凝土支撑和钢支撑这两种水平支撑的最大支撑轴力进行了各工况下的预测。由图4可知，支撑轴力呈逐渐变大趋势，随着计算的进行，支撑轴力渐渐地达到稳定值，并且施工现场轴力计实际测量到的水平支撑的轴力值均未超过设计值范围，表明水平支撑能够满足该基坑安全支护的要求。相比降雨前，砼支撑最大支撑轴力由1.07 MPa增加到1.26 MPa，但这时候两种不同材质的支撑实测轴力最大值仍然没有超过设计文件的设计值范围，说明水平支撑在降雨条件下也可以保证基坑安全稳定施工。

图5 桩挠曲变形曲线图Fig.5 Deflection curve of pile

4.3 灌注桩挠曲变形预测

由图5可知，桩身在嵌固段(第二道支撑以下)的位置变形相对较小，在自由段(两道支撑之间)水平位移较为明显，表现为受土体压力挤压向外凸起，桩顶由于支撑的作用，位移量有所减小。桩身整体变形大致呈现为中间大、两头小的模式。与雨季来临前的挠曲变形对比，由于降雨之后，水分入渗，导致土体抗剪强度降低，以及膨胀应力作用，灌注桩变形明显增加，桩身位移均呈现出中间凸起的模式，但考虑了在膨胀应力条件的降雨条件下，桩身整体位移明显增加，约为43 mm，是雨季来临前水平位移的2倍。

5 监控量测及其效果评价

5.1 现场监控量测

由于地质条件、荷载条件、受力状态、施工条件、机械种类以及其他因素的复杂性，目前基坑工程的发展仍不完善。单纯通过理论来预测解决工程中可能遇到的问题十分困难，并且理论预测值无法全面准确地反映工程变化。因此，有必要结合理论分析进行有计划的现场监测。

5.2 监测断面选择

为了经济、有效地得到监测数据，合理、系统地分析量测数据，以尽可能少的监测点满足基坑安全稳定性监控量测的要求，特殊情况的布置特殊确定。

选取地表沉降、坑底隆起、桩体挠曲变形和支撑轴力量测的监测断面在同一断面上，本文选择ZK106+121、ZK106+130和ZK106+139三个断面的数据进行统计分析并将监测处理结果与模拟结果对比。

5.3 隧道基坑施工效果评价

5.3.1 坑底隆起效果评价

基坑组织排水，降雨过后，土体含水率减小，土体出现了短期阶段的下沉，在图6中可以明显看出，膨胀土因暴雨的影响而吸水急剧膨胀，膨胀速率大幅增大，峰值出现；接着天气放晴，坑底积水大部分排出，膨胀土由于失水、浮力消失，从而快速收缩，膨胀速率出现谷值，之后土体的隆起态势回归降雨之前的走势，隆起速率逐渐变小，隆起量趋于稳定。和图3中位于坡底的监测点4、5、6的模拟情况对比，曲线变化的时间点与监测数据所展现的有微小的不同，但总体来说，两者的变化趋势相似度很高。这可以说明，在模型建立过程，膨胀土吸水后的膨胀应力用矩形加载的方式来等效施加，模拟出来的结果对实际施工具有指导作用，这种处理方法比三角形分布加载方式较为简便。

6-a 隆起累积图6-b 隆起速率图图6 隆起监测图Fig.6 Uplift monitoring diagram

5.3.2 地表沉降效果评价

从图7中可知，第一次开挖后的初期，地表沉降比较明显，由于时间的累加，沉降速率会减小。当降雨后，膨胀土水平方向膨胀量比垂直方向大，再加上土体重度加大，地沉降的沉降速率短时间内有明显的增大。随着时间的推移，降雨的影响会越来越弱，沉降速率再次减小，28 d后沉降量趋于稳定，达到收敛状态，与图3中位于坡顶监测点1模拟结果综合比较，两者收敛于相近的沉降量。

7-a 沉降累积图7-b 沉降速率图图7 沉降监测图Fig.7 Settlement monitoring diagram

ZK106+121、ZK106+130和ZK106+139三个断面的沉降趋势基本一致，最终沉降量也在监测控制值范围之内。从沉降速率的监测效果来看，开挖后的初期和降雨后的影响初期，沉降速率会比较大，沉降量较快增加，出于监测基准和基坑安全的考虑，在这两个时间段要更加重视监测，尤其是降雨过后初期。

5.3.3 支撑轴力效果评价

雨季前土体的挤压对砼支撑和钢支撑轴力的影响与雨季后的不同，为对比两者的区别，选取雨季前和雨季后的两组数据进行分析。 ZK106+121断面的桩体挠曲变形数据在雨季前监测统计得到，ZK106+229断面的数据则是雨季后得到的，由图8可知，支撑在开挖后处在临空状态的初期，轴力急剧增加，曲线接近于竖直的直线，土体继续开挖，曲线斜率较快减小，曲线的线型趋于水平，在降雨前后均出现了与图4模拟结果相同的变化趋势。雨季后开挖初期的砼支撑突变值比雨季前的大，这是由于基坑中的膨胀土体吸水后，对桩体较大的挤压作用主要来自于基坑外部膨胀土体水平方向膨胀力。之后的轴力变化趋势，两者则是一致的，雨季后的轴力最大值比雨季前的大，这是因为基坑外部土体吸水后，土体重度增大是膨胀土膨胀的原因。

8-a 121断面支撑轴力8-b 226断面支撑轴力图8 支撑轴力图Fig.8 Supporting shaft diagram

图9 桩体挠曲变形图Fig.9 Deflection deformation of pile diagram

5.3.4 桩体挠曲变形效果评价

从图9中可以看出，雨季后的最大挠曲变形量约是雨季前的2倍，该现象充分说明膨胀土吸水后膨胀作用对桩体的挠曲变形影响很大，从而表明膨胀土的膨胀作用对基坑的稳定性有很大的危害，再次提醒对雨季期间的监测要更加重视。对比模拟分析图5，监测数据数值模拟呈现的结果，两者差别很小，这种变形类似简支梁在均布荷载作用下所产生的变形，最大变形出现的位置差别可以说明桩体外侧的土体向基坑内的挤压作用不是矩形分布。

6 结论

通过先进行理论分析、雨季来临前和雨季来临后两种数值模拟对比分析，再开始现场施工实践，监控量测数据做最后的验证，本文得出以下结论：

(1)随着基坑的逐渐开挖，土体在竖直方向(地表沉降、坑底隆起)和水平方向(桩体挠曲变形)均发生位移，且有着增长的趋势。但随着开挖的继续和支护结构的施工，竖直方向与水平方向的位移逐渐趋于稳定。

(2)对比非降雨和降雨两种工况，降雨后两个方向上最大位移值和支撑轴力有所增大。因此，说明支护结构和膨胀应力对土体加固和位移控制有明显作用。从中模拟结果可看出，针对此类特殊土质工程，需要特别注意特殊土质的特性对基坑稳定性的影响，需要在施工过程中严格根据监测要求进行监测。

(3)监测数据分析表明降雨对该隧道基坑的变形有很大影响。对本文选取的监测断面的监测数据进行统计分析，可以得到地表沉降和坑底隆起的三阶段变化规律：急剧变形—缓慢变形—基本稳定，变化趋势与数值模拟结果大致相同，且两者的最终累计量均在监控量测相关规范的控制值之内，以后类似基坑工程的施工可以借鉴本基坑相关内容。