地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩(wěn)定性探討

汪想貴

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，?？?30000）

1 引言

地鐵隧道的施工方法雖然很多，但人們經常采用明挖法，主要是基于施工的經濟性和工程的安全性來考慮。該方法多用于施工現(xiàn)場空曠、地下建筑拆除修建而需要將地面挖開的情況。在我國，可以利用計算機對地鐵隧道基坑和圍護結構進行力學模擬，分析施工對結構的穩(wěn)定性影響，進而做出準確預測和報告，在實際施工中意義重大。

2 工程概況

該工程位于我國南方沿海的廣東省，地貌平緩，地面絕對高程為0～10m，僅佛山西站附近有零星剝蝕殘丘分布，高程為10～20m。本標段共有2 條隧道，總長9477m，沙堤隧道和東平1 號隧道采用明挖法施工。明挖區(qū)間隧道圍巖級別分別為：VI級圍巖4651.2m，占隧道總量的49.08%；V 級圍巖20m，占隧道總量的0.21%。隧道長度大于3km 的隧道2 座，分別為5985.731m 和3492m。依據(jù)地上及地下情況，擬采用鉆孔灌注樁作為其基坑圍護方式，樁長在17～25m，樁徑有0.6m 與0.8m 2 種，樁間掛鋼筋網片加噴射混凝土防護，內支撐采用鋼管進行加固。

3 明挖法施工技術要求及特點

整體來看，城市地鐵隧道施工是規(guī)模較大、工期漫長、工序復雜且干擾因素多等多方面因素影響的施工，而且對于不同的城市地下段落，其地鐵隧道施工開挖的方法也會存在很大的差異。明挖法具有工程進展迅速、施工過程簡易、對施工操作面要求較低、經濟投入低等特點，能夠保證工程質量進展順利[1]。所以，在客觀條件允許的情況下，明挖法為首選。由于該方法施工過程簡易、操作簡便、可同時安排較多工人與工程機械同時施工，不僅提高了施工效率，節(jié)約投資，還壓縮了工期，且有利于保證施工質量和安全。

4 地鐵隧道明挖法施工基坑穩(wěn)定性研究

4.1 模型建立

本項目基于Mobr-Coulomb 模型，其中鋼支撐采用梁構件單元模擬、樁采用樁構件單位模擬。開挖深度參數(shù)設定為15m，三維模型的長、寬、深度參數(shù)分別設定為45m、96m 和50m，其他條件暫不考慮。基礎數(shù)據(jù)模型的開挖、支護按以下施工步驟操作：將土坑分別開挖至3.0m、8.0m、12.0m 和15.0m，并分別在2.0m、7.0m 和13.0m 的位置設置第1 層鋼支撐、第2層鋼支撐和第3 層鋼支撐。

結果顯示：土坑周邊的地表面有不同程度的下降變形，且變形程度表現(xiàn)為從近到遠越來越小，且最大沉降沒有出現(xiàn)在實驗土坑的周邊外延。圍護樁處的橫向變形在中部大，頂部和底部小，整體呈拋物線形。由于基坑開挖造成坑底豎向荷載減少，導致首次開挖后基坑底部出現(xiàn)了微量回彈突起的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為兩邊小中間大。在本次試驗中，圍護樁處存在著基坑朝內側發(fā)生水平位移變形的現(xiàn)象，其形狀呈現(xiàn)拋物線形。隨著基坑開挖的不斷卸載，首次開挖后的基坑底出現(xiàn)稍微隆起。

4.2 不同嵌固深度樁與不同直徑樁的支護穩(wěn)定性分析

基坑的穩(wěn)定性及變形隨著圍護樁的嵌固深度增加而產生很大變化。通過控制變量法，僅改變樁的嵌固深度，其他條件不變，分析基坑穩(wěn)定性的變化，樁的嵌固深度分別設置為3m、4m、5m、6m、7m，樁高為嵌固深度加上15m，分別為18m、19m、20m、21m 和22m。主要考慮樁自身的水平移動距離和土坑四周地面下沉情況，如圖1 所示。

圖1 不同嵌固深度樁自身水平移動距離影響

從圖1 可看出：圍護樁自身的水平位移隨著樁長度的增加而逐漸減少，并且樁長在18～20m 變化時，水平位移減少的速度快，受樁長影響大，當樁長＞20m 時，水平位移減少的速度變慢，受樁長影響小。因此，不能依靠單一的增加樁長來提高基坑穩(wěn)定性[2]。

試圖將樁的長度由18m 上升至20m 時，發(fā)現(xiàn)沉降值快速下降，而將樁的長度繼續(xù)增加到22m 時，發(fā)現(xiàn)變化卻不明顯。在實驗中將樁徑長由20m 繼續(xù)擴大到22m 時，可以發(fā)現(xiàn)樁身水平移動距離緩慢較小，對減小樁身變形的貢獻也隨之下降。于是增加樁長，可以明顯地看到土坑周圍地面下降不斷減少，如圖2 所示，最大沉降值從大概10mm 的位置下降到4.5mm左右，其影響力的區(qū)間大約在14m 以內。從以上數(shù)據(jù)和圖例可以得出，首先施工時要保證基坑的安全穩(wěn)定，不能僅僅依靠單一的增加樁長來提高基坑穩(wěn)定性和減少開挖基坑對周圍地表的下沉影響。

圖2 不同嵌固深度圍樁對地表沉降影響

4.3 不同直徑樁的圍護效果分析

在實驗中將圍護樁長度參數(shù)設置為20m、間距參數(shù)設置為1.5m、嵌固深度參數(shù)設置為5m 進行模擬。首先保證所有模擬實驗要在正確的挖開順序下進行、且支柱的構造和所涉及的固定參數(shù)是確定不變的。單純變化樁徑來觀察其對實驗中的基坑牢固穩(wěn)定是否構成影響。（1）采用樁徑為600mm 的樁，實驗得出該樁的頂部大約移動了5.0mm 的距離，樁體的最大移動距離達到了18mm，圍護樁也隨之出現(xiàn)變化，在最底端的移動距離達到了14mm，實驗中出現(xiàn)了非常明顯的“踢腳”情況；（2）將樁徑增加至1000mm，發(fā)現(xiàn)樁的頂端移動距離反而減小到3.6mm，樁本身移動距離并不明顯，大約為13.8mm，圍護樁的底端移動距離為10mm 左右。從以上數(shù)據(jù)可以明顯地發(fā)現(xiàn)，單純變化樁徑對圍護樁的作用明顯，隨著樁徑的增加樁本身水平移動距離隨之降低，周圍地面的下降程度也尤為明顯。

實驗中使樁的直徑從600mm 擴大至1000mm，發(fā)現(xiàn)其作用區(qū)間均在12m 內，地表不斷下降呈拋物線型。在實驗中可以得出以下結論：隨著樁徑的增加，最大沉降值隨之減少，沉降的作用區(qū)間也不斷減小，這一變化非常迅速?？梢钥闯?，增加樁徑延緩了地表下降程度。所以在以后的施工過程中，既要考慮安全穩(wěn)定性，也要注意工程的經濟效益[3]。

4.4 數(shù)值模擬結果和實測結果對比分析

綜合實測與模擬實驗發(fā)現(xiàn)：兩者并無明顯差異。具體表現(xiàn)為：首先實測中樁的底端為0mm、頂端為8mm，模擬實驗中樁的底端為5mm、頂端為4mm。兩者在距樁的頂端10mm 處水平移動距離最大。所有數(shù)據(jù)差異并不明顯，二者均可以表現(xiàn)出對樁變形的影響力。其次來研究對基坑周圍地面下降的影響程度。實測值為5mm、模擬值為2mm，而二者最為明顯的沉降值在1～6m，但在距離基坑12m 以上的位置，下降值不足1mm，可以忽略此影響。綜上所述，實測與模擬結果大體相同。

5 保障基坑安全穩(wěn)定注意事項

5.1 基坑開挖

考慮本項目由多層進行支撐，為了保障工程的順利進行，施工時要進行分段施工，首先運用機械施工對中間部分先行施工，并預留人工開挖。其次要分層施工，開挖時的標準高度均要低于圖紙規(guī)劃支撐的標準值。

5.2 支護施工

為保護地下結構和周邊環(huán)境安全，當施工到達一道支撐的位置時，要根據(jù)其與圍護樁的距離快速安裝，施工過程中要將快凝早強砂漿層置于起接觸面，使其更加嚴密，保證后續(xù)施工順利。繼續(xù)施工時也要密切觀察，嚴格把關，必須做到支撐穩(wěn)固后再進行后續(xù)施工，必須按照規(guī)劃進行施工，及時予以加固支撐。

6 結語

綜上所述，在地鐵隧道明挖法施工中，基坑開挖引起的周圍環(huán)境的變化和施工的穩(wěn)定性，隨著基坑深度加大而變得更為顯著，而基坑支護結構的合理設置及施工，才能有效保證其基坑的穩(wěn)定性，進而確保周圍建筑物的安全。