软基上进水口开挖支护的研究

软基上进水口开挖支护的研究

陈,凌

中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司  浙江 杭州 310014

摘录：坐在软基上的进水口，一般采用放坡型式，但有些工程受制于场地限制，放坡难以采用缓坡型式，而陡坡又会引起稳定问题，在这种情况下，可考虑竖直维护桩基与缓坡结合的方式，保证将开挖限制在有限范围内。在开挖进水口时，需考虑洞脸的开挖的稳定，如何确保在开挖洞脸的过程中的安全，也是软基上的重点和难点之一。本文主要研究针对软基上开挖进水口的方法进行研究，结合以色列某工程做法做解释说明。

0 引言

本报告以以色列某抽蓄项目为依托，详细说明在开挖支护设计中需要考虑的问题及思路，从理论上能够做到计算前提假定合理，与实际开挖相符，并结合国外常规做法，实现在有限范围内的软基上开挖进水口。

1 进水口两侧边坡开挖

1.1 一般规定及做法

按照国内规范的一般规定，土质边坡高度超过15m，则需要特殊设计，可见对于较高的土质边坡，均应引起足够重视。但是国外并未有相关说法，均须由设计者根据实际情况分析。实际上，边坡的稳定与边坡高度关系密切，不可一刀切的经验的方式采用某种较缓的坡度就认为是稳定的。对于较高土质边坡，即使采用缓坡，仍然可能存在失稳风险；而对于较低的土质边坡（如2m到3m），即使采用陡于1:0.75的坡度，仍可能是稳定的。故对于边坡的设计，具体情况应具体分析，结合计算来综合判断边坡稳定。

对于土质边坡，国内常规采用放缓破的方式，并每隔10m左右设置一级马道，主要作用一方面是为了行人，一方面是降低综合坡度以维持稳定。对于多级边坡，若场地受限需要每级边坡坡度变化，则建议从下到上采用先缓后陡的方式，而不是先陡后缓，目的是为了尽量减少边坡上土重荷载。

若场地受限较严重，则需要考虑设计维护桩基，这在工民建工程中较为普遍，也有多级桩基的设计，但是多级桩基的设计需谨慎，此涉及到经济性以及桩基强度能否实现的问题。在该工程上库闸门井的设计中，曾经为了避免井挖带来的风险，考虑采用全明挖的方式，采用多级桩设计，最后由于场地受限而使得相邻的多级桩基距离太近，每级平台过窄而使得桩基的强度要求大幅增加，已经难以对桩基配筋，故最终无奈放弃该明挖方案，而继续使用井挖方案。

对于场地受限较为严重的情况，推荐采用桩基结合放坡的方式设计边坡。该项目采用此方式，有效避免了开挖范围过大导致坝体坡脚被挖除并引起大面积开挖的问题。

1.2桩基+放坡的开挖设计

采用桩基结合放缓破的设计，需在底部设置竖直桩基，竖直开挖部分不可过高，由于桩基埋入土体部分一般会超过桩基漏出部分2倍以上，故竖直开挖部分过高会直接增加桩基打设深度，需综合判断考虑。桩基顶部设置较为宽敞的平台（3到4m为宜），再设置缓坡到顶。以该项目为例，下库进水口开挖设计如下图所示：

平面设计如下图所示，在桩基顶部设置了宽度2~5m的平台马道，此设置可有效降低上部边坡对桩基的压载作用，对桩基的设计十分有利。

从上图中也能看出，对于靠近出口位置，由于边坡高度有限，设计采用了较陡的边坡坡度（1:0.55），但仍能维持稳定，剖面如下图所示。

1.3理论计算

在国内一般工程，对于基坑跨度小的，通常采用顶部围檩支撑，工艺成熟且方便有效；对于该工程，采用围檩结构有相应弊端，因进水口开挖底板直接作为施工用的进洞道路，顶部不宜采用横撑避免阻碍交通，其次，该结构对横撑的安装要求较高，在后期拆除时，需考虑拆除的时间要求以保证结构混凝土成为边坡支撑时的安全问题。

最终此横撑方案由现场采用锚拉结构代替，此设计委托当地有资质工程师采用土锚索设计，如下图所示。

无论是顶部横撑方案，还是土锚索方案，其设计原理均为提供上部结构的横向有利荷载，以保证维护桩基边坡的稳定。

理论计算需考虑边坡与桩基共同作用的结果，在实际设计桩基时，先根据经验给出桩基的间距、直径以及深度等，再核算单位长度的桩基抗剪能力（含安全系数），并将其作为条件输入值，计算整体稳定边坡的稳定。设计典型截面如下所示，桩基需要设置顶部横撑结构，以避免桩基成为悬挑结构。

计算若整体边坡稳定不满足要求，则需要调整设计（如调整边坡坡度、桩基的设计等）。以下库桩基设计为例，计算模型如下（取最终一步为例）：

如上图所示，直接施加了桩基的抗剪能力800kN，以及顶部主动有利荷载194.16kN，以此来计算此时边坡的稳定。计算采用了GeoStudio软件的Slope/w和Seep/w模块进行计算。

实际在计算中，应考虑自上而下每一步开挖的临时边坡的稳定，因为在桩基未实施前，上部边坡还未得到底脚桩基的有效支护作用，而此时边坡的稳定验算不可或缺。

在计算边坡稳定后，则需验算局部底部桩基的边坡稳定。计算模型如下所示：

计算采用GEO5软件，该软解可根据边坡自动计算作用在桩基上的土压力，顶部设置主动力，最终软件可输出此桩基的弯矩、剪力和位移等信息，辅以桩基自身承载力，判断桩基是否满足要求。需要注意的是，在设计计算时，仍需要考虑施工过程中的边坡稳定，在顶部横撑还未施加时，竖直开挖已达一定深度时（该工程以5m深度作为标准进行计算），此时的桩基稳定尤其需要注意。

2洞脸边坡开挖支护

2.1 一般规定及做法

对于洞脸边坡的设计，由于隧洞存在埋深要求，如规范【1】中规定：洞顶以上和岸边一侧岩体的最小覆盖厚度，应根据地形、地质条件、岩体的抗抬能力、抗渗透特性、洞内水压力和支护型式等因素分析确定。有压隧洞的进出口段、无压隧洞及其进出口洞段，如能够采取合理的施工程序和工程措施，可保证施工期及运行期的安全，对岩体最小覆盖厚度不做具体的规定。

故对于洞脸边坡，不宜放坡过缓，否则在靠近洞口位置，容易引起抬动风险，且过缓的边坡将导致顶部围岩覆盖厚度太薄，容易引起隧洞坍塌的风险。故对于较差围岩或土洞位置的进口段，洞脸边坡不得不放缓时，需采用强支护来保证进洞安全，常用做法是采用管棚。

国内做法对于土洞进口，考虑到洞脸位置暴露时间较短，可考虑在相对较陡的洞脸边坡情况下快速施工管棚，以尽快完成洞脸支护措施。

对于国外工程，由于计算必须满足安全系数的要求（即使对于暴露时间短的临时边坡仍需要保证大于1.3的安全系数），故采用较陡的洞脸边坡（此边坡指的是仅隧洞口范围的边坡，洞脸以上边坡仍需要考虑缓坡）变得并不可行。

结合该项目，针对洞脸的边坡支护，考虑洞脸混凝土衬砌支护+掌子面的玻璃纤维锚杆支护，具体介绍如下。

2.2土洞洞脸支护设计

洞脸支护设计时，应结合已经施工的桩基考虑，因为桩基作为纵向刚度极大的支撑且承担的纵向（即水流向）作用力较小，故应在边坡设计时尽量利用其纵向承载力的优势。

以此作为设计思路，在设计时，设计成顶部及侧面依靠桩基，而掌子面则考虑国外常用的玻璃纤维锚杆进行设计。在计算时，仍考虑施加主动力在洞脸位置，核算整个洞脸边坡（含上部边坡）的稳定。最终设计简图如下图所示。

其设计原理为，先考虑洞脸混凝土梁（见下图180X120截面）作为初期主要有利作用力，施加在边坡上，同时需考虑管棚作用（管棚有利作用是防止划裂面从此剪出），在继续下挖过程中，考虑掌子面设置玻璃纤维锚杆的主动力作用。

其计算步骤如下所示：

1）荷载施加

2）开挖边坡至混凝土梁高程（-236.75m）

3）开挖至-242.5m位置，施加管棚

4）开挖至-247.6m高程，并施工上半拱的混凝土墙体，隧洞掌子面预留核心土

5）移除掌子面核心土，并逐步施加玻璃纤维锚杆

6）开挖至-252.0m高程，下半洞采用预留核心土

7）移除下半洞核心土，逐步设置玻璃纤维锚杆

以上计算采用Phase2软件进行计算，最终计算结果显示，整体边坡稳定安全系数大于1.3。

在完成该计算后，由于混凝土梁是作为主动力施加，故最终还需考虑混凝土梁的自身承载力，以及最终混凝土梁传递到桩基（纵向）对桩基的承载力核算。

（单位：MN）

等效荷载（643.8/9.9=65kN/m）

最终核算钢筋配筋如下：

最终梁的荷载均传递到桩基，故桩基采用纵向力核算，计算模型如下：

在该工程中，从保守考虑，仅考虑桩右侧全部为土体（实际上不考虑其他桩基，极为保守），采用Strand7软件模拟，得到如下计算结果：

Strand7模型，弯矩，剪力

据此可得出桩基的配筋计算，并验证此边坡是安全的。

3、结论

对于软基上的进水口开挖支护设计，在有限场地开挖时，需结合桩基考虑，可大幅减少开挖边坡的开口线范围，但在分析中，应考虑桩基+缓坡的整体稳定，在设计计算时，可考虑临时主动力作用，最终核算提供主动力的单元承载能力；在洞脸边坡计算时，由于海外工程对边坡计算极为严格，故通常需要考虑洞脸混凝土作用以及掌子面玻璃纤维锚杆作用，将其作为主动力施加在洞脸位置，最终核算提供主动力的单元的承载能力。在设计计算时，不可忽略过程中的边坡稳定，以防止临时施工工况时边坡的安全隐患。

参考文献

【1】《水工隧洞设计规范》 DL/T 5195-2004.

作者简介：陈凌（1982-），男，湖北安陆市人，高级工程师，研究方向为水工结构工程。

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