露天煤矿深基坑开挖及支护方式对边坡稳定性的影响研究

高 晗，马 可，王 勇，孙广雨

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.内蒙古平西白音华煤业有限公司，内蒙古 赤峰 024000）

在夏季降雨量较大的露天煤矿，为减少采场积水对边坡造成影响，防止出现边坡滑坡或台阶崩塌，需进行深基坑开挖工作，对矿区进行蓄水调节；不但能够缓解强降雨时采场储水压力，还能为旱季洒水降尘、绿化喷灌提供充足的水源，经济效益显著。目前国内部分学者对深基坑开挖有一定研究。杨宏伟[1]采用工程案例分析的方法，针对深基坑支护技术在岩土工程施工中的应用进行浅析，制订深基坑支护技术方案；蔡永元等[2]结合土质条件与施工水平，分析地铁隧道深基坑稳定性，设置多个支护参数，按照逐层施工的方式完成对支护结构的搭建，并建立了针对性的监测机制；马可[3]通过FLAC3D软件对由于基坑开挖而引起的周围土体沉降进行模拟，计算蓄水池开挖后建筑物的应力变形结果，判定蓄水池开挖方案的合理性与安全性；罗战友等[4]以地铁深基坑工程为例，分析基坑周边地表沉降及水平位移的变化规律，推导出粉砂地层地铁深基坑周边地表沉降预测模型；胡鑫[5]分析了降水对深基坑支护结构及地表沉降的影响；张少龙[6]根据层次分析法原理,考虑到影响基坑支护方案选取的多种因素,建立了深基坑支护方案评价模型,得出支护方案的量化指标,最终得出最优支护方案；陈德有[7]提出了基坑降深法在露天疏干排水工程中的应用方式与前景；马可等[8]介绍一种土钉墙+井点降水在沿海地区砂土层基坑支护中的成功应用；刘礼福[9]通过理论研究、数值模拟及现场监测的方法对深基坑施工过程中的稳定性及支护结构优化进行了深入的研究；詹锁[10]使用有限元软件对基坑开挖支护过程进行数值模拟,分析深基坑开挖过程中支护体系的水平位移、内力变化、周边地表的沉降变化情况。

1 矿区岩土工程条件

1.1 矿区工程地质条件

白音华某露天煤矿拟修建一蓄水调节池，需对该区进行深基坑开挖及支护工作，拟建蓄水池地表占地面积为300 m×200 m。根据场区岩土工程勘察报告及现场试验，场区地层从上至下为①细砂：沉积时代、成因Q4，土黄色，中密、稍湿、饱和，成分以石英、长石为主，颗粒均匀，级配一般，局部夹有砾石，风积形，层厚6.30～19.50 m；②粉质黏土：沉积时代、成因Q4，灰色、土黄、红褐色，可塑，稍有光泽，韧性中等，干强度中等，无摇震反应，层厚15.20～20.30 m。

1.2 物理力学参数的选取

选取的岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

根据现场实际情况，通过深基坑边坡安全系数表征边坡稳定性，运用数值模拟方法分析深基坑开挖及支护方式对边坡稳定性的影响。

2 深基坑开挖对边坡稳定性的影响

由于该场区地下水位埋深为14 m，为了保证蓄水工程的安全性及受到施工条件的限制，深基坑开挖深度不宜超过13 m。

2.1 开挖深度对边坡稳定性的影响

为研究深基坑开挖深度对其边坡稳定性的影响，选取边坡角度为16°时的深基坑，通过模拟计算不同开挖深度时的边坡安全系数，确定深基坑开挖深度与其边坡安全系数对应关系曲线。

边坡安全系数随着深基坑开挖深度的增加而减小；在开挖深度深度较浅时，边坡安全系数变化较大；开挖深度超过5 m 后，边坡安全系数的变化逐渐减缓；在开挖深度为10 m 时，边坡安全系数为1.3。

2.2 边坡角度对稳定性的影响

由于场地限制，深基坑的修建仅能按照地表300 m×200 m 的矩形向下开挖。为了在保证边坡稳定性的前提下尽量增大深基坑的容积，通过数值模拟方法计算在不同边坡角度下的安全系数。所取深基坑开挖深度为10 m，得到的深基坑边坡角度与边坡安全系数的对应关系如图1。

图1 边坡角度—安全系数关系图

根据图1 可以看出：深基坑边坡安全系数随角度的增大而减小，且减小速度逐渐减缓。由于深基坑边坡属于永久边坡，因此根据GB 50330—2013《建筑边坡设计规范》国家标准，边坡安全等级为二级，一般工况下的永久边坡应满足边坡安全系数达1.3以上。因此，当深基坑仅采用自然放坡开挖，不进行支护时，其开挖后的边坡的安全系数也应满足要求。通过以上分析，当深基坑开挖深度为10 m，坡率为1:3.4 时边坡整体稳定性安全系数为1.316，满足安全储备要求。

3 深基坑支护对边坡稳定性的影响

为了在满足安全系数的要求的前提下增大深基坑容量，可以选择增大边坡角度的同时对深基坑进行支护设计。对此选取边坡角度为90°的深基坑开挖方式，开挖深度为10 m，通过地下连续墙对深基坑进行支护。地下连续墙既可以作为深基坑的护壁，也可以在施工中充当隔水构筑隔绝外部地下水，在制作地下连续挡土墙的水泥中应混入防水剂增加地连墙的防渗性能。内支撑作为地下连续墙支护的附属结构，可以通过承受由挡土墙传递的荷载，调整挡土墙的弯矩及变形，从而改善挡土墙的挡土功能。

采用连续墙对深基坑进行支护，连续墙高度为23 m，其上部10 m 作为深基坑护壁，下部13 m 埋入地下，墙厚为1 m。同时在修建过程中对墙体水平方向每隔5 m、竖向深3 m 及深7 m 进行内撑支锚设计，增加墙体抗变形能力。地下连续墙开挖-支护施工步骤见表2。支护方式时深基坑安全系数随开挖深度变化曲线图如图2。

图2 支护深基坑开挖深度—安全系数关系曲线图

表2 地下连续墙开挖-支护施工步骤

由图2 可以看出：深基坑边坡安全系数随着开挖深度的增加快速增大，在开挖深度达到3 m 及7 m时，安全系数存在跳跃性突增，即地下连续墙及内撑的支护方式对深基坑边坡的安全系数有着极大的提高；且每阶段边坡安全系数均大于1.3，保障施工安全，最终边坡安全系数为1.353，满足安全储备要求。

4 深基坑方案及稳定性

在综合考虑现场实际情况、蓄水池容量、施工难度及施工造价后，最终该矿区选取自然放坡的深基坑开挖方案，开挖深度为10 m，边坡坡率为1:3.4，此方案无需对深基坑机型支护处理，仅需在深基坑表面铺设防渗土工膜，保证深基坑蓄水池的防渗功能。经计算，该方案边坡整体稳定性安全系数为1.316，满足安全储备要求。

基坑开挖模拟计算采用Midas GTS NX 软件进行，土体本构为修正莫尔库仑模型。模型计算时模拟现场实际的施工开挖顺序，通过初始应力场计算-位移清零-模拟开挖-稳定性分析的步骤模拟基坑开挖全过程。由于深基坑的开挖，改变了该场区土体内原有的应力场，使开挖面附近的土体产生向临空面方向发生倾覆的趋势，进而导致了深基坑附近土体产生明显的沉降。该矿区地质条件较简单，故采用三角形法计算沉降量，深基坑周边沉降图如图3，深基坑边坡的应力云图如图4。

图3 深基坑周边沉降图

图4 深基坑边坡应力云图

由图3 可知：修建深基坑造成沉降对周边区域的最大影响范围是16 m，造成的最大沉降量为100 mm，发生在深基坑顶部。

由图4 可知：在自然放坡开挖状态下，深基坑内壁交界处剪切应力较大，最大剪切应力为9.68 kN/m2；即在深基坑内壁交界处存在应力集中现象，此处边坡容易发生损坏，在后续支护过程中应注意防护。

5 结语

1）在对深基坑进行开挖时，深基坑边坡稳定性随着开挖深度的增加而减小，随着边坡角度的增大而减小，且稳定性系数减小的速率逐渐减缓；当开挖深度为10 m，坡率达到1:3.4 时边坡整体稳定性安全系数为1.316，满足时安全储备要求。

2）在对深基坑进行支护时，可使用内撑配合地下连续墙对深基坑进行支护；此支护方式对深基坑边坡的安全系数有着极大的提高。

3）在自然放坡状态下，修建深基坑对附近土体造成沉降最大影响的范围是16 m，造成的最大沉降量为100 mm，发生在深基坑顶部。

4）在自然放坡状态下，深基坑内壁交界处剪切应力较大，最大剪切应力为9.68 kN/m2。即在深基坑内壁交界处存在应力集中现象，此处边坡容易发生损坏，在后续支护过程中应注意防护。