地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩(wěn)定性分析

董治國

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100100)

0 前 言

從數(shù)據(jù)與理論計算出發(fā)，充分考慮了基坑與圍護結(jié)構的實際狀況，對二者仿真模擬，探尋結(jié)構穩(wěn)定性，給出科學的預測與分析報告，為地鐵隧道的施工提供指導[1]。在本文中，則覆蓋至隧道施工類型、工藝方法等多個層面，以期給類似地鐵隧道工程提供參考。

1 工程概況

解放路隧道里程為CJDK180+400～CJDK183+250，兩端連接塘沽站與于家堡站。隧道為單洞雙線形式，基于明挖法施工作業(yè)，可切實保護周邊環(huán)境。明挖法施工段總長601.5 m，結(jié)構以拱形及矩形斷面為主；隧道中間區(qū)段基于盾構法施工，總長度2 248.5 m，均為圓形斷面。

2 隧道基坑土方開挖

從端頭處開始施工作業(yè)，為之適配長臂挖掘機與1.0 m3挖掘機各1臺，二者通過協(xié)同作業(yè)的方式逐步向另一端倒退式倒土。具體操作方式為：長臂挖掘機就位于基坑頂部，主要完成第1、2層支撐的開挖作業(yè)，且為1.0 m3挖掘機提供輔助，倒運該設備產(chǎn)生的土方；為滿足第3層支撐的開挖作業(yè)需求，1.0 m3挖掘機需在第2層支撐地面處。基底上方30 cm的土方，可通過人工開挖的方式處理。

基于既定程序展開土方的開挖作業(yè)，需做到“分層、分段、分塊”，為各層支撐之間增設穩(wěn)定的施工平臺，各自預留2～4根支撐寬度，確保施工過程中的排水效率，同時在平臺處增設3%排水坡。以開挖原則為基本指導，做好機械配套、參數(shù)控制等多項工作，控制好上層土方縱向開挖長度，在與縱坡度要求相符后，方可進入到下層土方的開挖作業(yè)中。

3 圍護結(jié)構設計概況

基于明挖隧道的基本特點，采用了兩種圍護結(jié)構，具體有。

1)鉆孔灌注樁+雙排攪拌樁+鋼支撐：CJDK180+400～CJDK180+635、CJDK180+477、CJDK180+608、CJDK180+655、CJDK180+705、CJDK180+745、CJDK180+800處均采取臨時封堵措施。

2)地下連續(xù)墻+鋼支撐：具體為CJDK180+635～CJDK180+981.5以及CJDK183+228～CJDK183+251。

4 地鐵隧道明挖法施工基坑穩(wěn)定性

4.1 模型建立

創(chuàng)建Mohr-Coulomb模型，具體規(guī)格為長24 m、寬34 m、深28 m，基于工程需求，開挖深度設置為15 m。模型的創(chuàng)建主要考慮如下四部分內(nèi)容。

1)基坑開挖-3.0 m，需處理-2.0 m處，在該區(qū)域增設1層鋼支撐。

2)持續(xù)施工并達到-0.8 m，需定位到-0.7 m處，為之增設鋼支撐。

3)進一步開挖至-13.0 m，需定位到-12.0 m處，為之增設鋼支撐。

4)最后開挖至-19.6 m處，結(jié)束整個開挖作業(yè)。

關于本工程的具體模型，如圖1所示。

圖1 計算模型網(wǎng)格

分析模擬結(jié)果：基坑周邊存在沉降現(xiàn)象，且各自的程度不同，以進出口的變形現(xiàn)象最為明顯?；趯o樁的分析得知，其出現(xiàn)了一定程度的水平變形現(xiàn)象，表現(xiàn)出向基坑內(nèi)側(cè)傾斜的特點。在基坑開挖作業(yè)中，伴隨持續(xù)性卸載的過程，因此，完成首次開挖作業(yè)后將直接影響到坑底，使其出現(xiàn)回彈，集中于中間區(qū)域，兩側(cè)相對微弱。

4.2 各嵌固深度與不同樁直徑的支護穩(wěn)定性

圍護樁嵌固深度是重要的工藝參數(shù)，將直接影響到基坑穩(wěn)定性，在其他參數(shù)穩(wěn)定的前提下，適當調(diào)節(jié)嵌固深度，從而探討對基坑穩(wěn)定性的影響機制。此處給出了五類樁長，分析其水平位移情況，具體如圖2所示。

由上述內(nèi)容得知：在樁長逐步延長之下，樁身處表現(xiàn)出的水平位移現(xiàn)象更為明顯。以20～22 m這一區(qū)間的樁長較為特殊，盡管樁身出現(xiàn)了水平位移現(xiàn)象，但變動幅度相對較小，總體上樁身變形得到控制。

因此，在樁身長度持續(xù)加大之下，盡管基坑周邊出現(xiàn)了一定程度的地表沉降，但總體上得到控制。若從最大沉降的角度來看，則從0下降至4.5 mm，產(chǎn)生的影響范圍在14 mm內(nèi)。而在樁長度持續(xù)加大之下，從18 m延展至20 m時，表現(xiàn)出的沉降將呈現(xiàn)明顯下降趨勢；此時若持續(xù)加大樁長，當延長至22 m時，變動幅度極為微弱。

圖2 不同嵌固深度樁自身的水平位移對比

4.3 不同直徑樁的圍護效果

模擬分析中，樁長均為20 m(其嵌入深度5 m)，各自間距均保持在1.5 m，具體的開挖順序與結(jié)構參數(shù)都不做任何變動，僅適當調(diào)節(jié)樁徑，從而分析不同樁徑下對應的基坑穩(wěn)定性情況，此處的樁徑類別有三種，即600、800、1 000 mm。

基于對比分析得知，在樁徑變化的大環(huán)境下，圍護樁水平位移隨之改變，同時地表沉降也不盡相同。若樁徑為600 mm，得知樁頂位移5.0 mm，但相比之下樁身位移則上升到了18 mm。關于圍護樁結(jié)構的基本狀況，在基坑底部的位移達到了14 mm，從而表明基坑底部出現(xiàn)了“踢腳”現(xiàn)象。受到樁徑逐步增加的影響，當其達到1 000 mm時，原本較為明顯的樁頂位移現(xiàn)象得到控制，下降至3.6 mm，此時樁身位移為13.8 mm，總體上均有所下降，且在圍護樁基坑底部依然如此，其出現(xiàn)的移動量為0。因此，基于擴大樁徑的方式，有助于緩解樁身水平位移過大的問題。

在樁徑持續(xù)加大之下，當達到1 000 mm時，雖有微弱沉降但總體上較為穩(wěn)定，基于對地表沉降曲線的分析得知，其呈現(xiàn)出明顯的拋物線線型，可將影響范圍縮小至12 mm內(nèi)，符合設計要求。而在樁徑持續(xù)加大之下，沉降逐步趨于穩(wěn)定，從而表明增加樁徑具有可行性。當然，在圍護樁設計工作中，除了考慮到基坑穩(wěn)定性外，還要注重經(jīng)濟效益。

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果對比

綜合考慮樁身水平位移與施工周邊區(qū)域的地表沉降，得知二者呈現(xiàn)出的圖像均呈拋物線型，表明在樁頂與樁腳處雖然存在變形現(xiàn)象但得到控制。實地測量發(fā)現(xiàn)，樁腳處的值約為0，而分析模擬結(jié)果得知該值為5 mm；此外，樁頂實測值8 mm，模擬結(jié)果為4 mm；相比之下，樁身的實測值與模擬值之間并無過大差異?？傮w上，模擬結(jié)果可以在一定程度上代表實測結(jié)果，二者具有高度相似性。

5 增強基坑支護穩(wěn)定性的建議

土方開挖過程中，每設置一道支撐，均要隨即測量，確定支撐兩側(cè)與圍護樁之間存在的接觸點，從而提升支撐與墻面垂直度，為后續(xù)安裝作業(yè)提供良好條件[2]。受預應力施加的影響，支撐結(jié)構的使用狀況易出現(xiàn)變化，難以與擋土結(jié)構接觸，對此需要對鉆孔樁鑿毛，隨后及時涂抹快速早強砂漿層。

關乎陰陽角的開挖作業(yè)，需合理控制作業(yè)時間，在受力支撐架設結(jié)束且具有足夠穩(wěn)定性后方可開挖。

創(chuàng)設安全施工環(huán)境的關鍵在于做好監(jiān)控量測工作，通過此方式在第一時間獲取信息，合理調(diào)節(jié)開挖與支護參數(shù)，提升施工方案與工程的相適性，同時也可為后續(xù)環(huán)節(jié)的施工提供指導?；诖?，本工程圍繞地表沉降、位移等多項指標采取有效的觀測手段，覆蓋至鉆孔施工至回填結(jié)束全過程。

1)地表位移監(jiān)測。主要將測點設置在基坑邊坡與樁體兩個區(qū)域，總數(shù)量達到33個。由于觀測時間較長，因此，可獲得各階段豐富的測量數(shù)據(jù)，更為全面地呈現(xiàn)出地表與樁體的位移情況。

2)樁體傾斜位移監(jiān)測。受基坑開挖作業(yè)的影響，樁體背側(cè)將承受較大的土壓力，在其作用下使得基坑出現(xiàn)水平位移現(xiàn)象?；趯扼w水平位移的分析，總結(jié)出了如下幾大特點：①伴隨開挖深度的持續(xù)加大，對應的樁體水平位移也表現(xiàn)出明顯提升的趨勢，且在樁頂處最為明顯；②結(jié)束基坑開挖作業(yè)且封底后，各樁體雖有微弱位移，但總體上得到控制。測孔所得數(shù)據(jù)表明，最大位移達到43 mm，相較于開挖深度11 m而言，實際占比約為0.39%，并確定出樁體水平位移與開挖深度的比值，相較之下前者明顯更小。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文立足于實際工程項目，基于模型分析的方法，探尋在圍護結(jié)構參數(shù)發(fā)生變化時所表現(xiàn)出的基坑變形現(xiàn)象，進一步總結(jié)開挖深度與支撐工藝兩項因素對于圍護結(jié)構穩(wěn)定性的影響機制，可為基坑圍護結(jié)構設計提供指導，提升地鐵隧道明挖法的適應性，確保工程整體質(zhì)量。

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