深大異形基坑支撐施作與拆除技術(shù)研究

崔 杰

(中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400700)

1 引言

近年來，隨著地鐵線路交叉換乘車站的出現(xiàn)，城市中心出現(xiàn)了越來越多異形基坑，這些基坑規(guī)模大、施工難度高，對基坑支護(hù)也提出了更高的要求[1]。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：黃院雄等對地鐵換乘車站深基坑的土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出了土壓力與基坑開挖的關(guān)系[2]；蔡江寧等通過數(shù)值模擬軟件對武漢某深基坑工程進(jìn)行分析，得出了不同工況基坑的變形規(guī)律，但其并不適用于地鐵車站異型基坑[3]。以下基于新建珠三角城際軌道交通某大型車站深基坑工程，對深大異性基坑支撐施作與拆除技術(shù)進(jìn)行深入研究。

2 工程概況

新建珠三角城際軌道交通工程健康產(chǎn)業(yè)城站位于廣州市白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn)。場地為丘陵緩坡，地面高程為50.74～56.87 m。場地內(nèi)管線已遷改完畢，土方整平至51.1 m。場坪范圍內(nèi)無大于20 kPa的超載。站前工程已完工，線路未鋪軌，站臺承臺基礎(chǔ)樁已施工完成，主體結(jié)構(gòu)尚未開始施工。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

3.1 模型

模型尺寸為517 m×415 m×49 m，其中圓形基坑部分直徑為83 m。將基坑底部固定，地表設(shè)置為自由邊界[4-5]。模型如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)絡(luò)

3.2 材料參數(shù)

基坑所處位置的土層從上往下分別為：雜填土、黏性土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，這幾類土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土類參數(shù)

3.3 計算結(jié)果

基坑開挖共分為三步，使用Midas GTS軟件對各開挖步的應(yīng)力與位移進(jìn)行計算。

(1)第一步開挖

①地連墻應(yīng)力及位移分布

通過Midas GTS模擬基坑第一步開挖所產(chǎn)生的應(yīng)力與位移云圖可知：地連墻邊角出現(xiàn)應(yīng)力集中，在整個深大異性基坑中，地連墻上部均產(chǎn)生了一定的位移，最大處達(dá)0.67 mm[6]。在進(jìn)行圈梁支撐的過程中，對地連墻應(yīng)力及位移影響不大，地連墻邊角附近的最大應(yīng)力有所降低，最大為264 kN/m2，最大位移為0.72 mm。基坑第一步開挖地連墻的最大位移與最大應(yīng)力如圖2、圖3所示。

圖2 基坑第一步開挖地連墻最大位移

圖3 基坑第一步開挖地連墻最大應(yīng)力

②立柱應(yīng)力分布

在第一步開挖過程中，立柱的應(yīng)力分布主要表現(xiàn)為自重[7]，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱上部，如圖4所示。

圖4 基坑第一步開挖立柱應(yīng)力

③圍巖位移分布

在基坑第一步開挖過程中，圍巖位移在基坑周圍較大，最大處為1.8 mm[8]。圍巖位移如圖5所示。

圖5 基坑第一步開挖圍巖位移

(2)第二步開挖

①地連墻應(yīng)力及位移分布

通過Midas GTS模擬基坑的第二步開挖所產(chǎn)生的應(yīng)力與位移可知：第二步開挖地連墻應(yīng)力及位移相較于第一步大[9]，但位移范圍明顯縮小，最大位移為3.7 mm。在第二步開挖中，地連墻邊角位置依舊產(chǎn)生了較大應(yīng)力，最大為1 206 kN/m2。第二步基坑開挖地連墻最大位移最大應(yīng)力如圖6、圖7所示。

圖6 第二步基坑開挖地連墻最大位移

圖7 第二步基坑開挖地連墻最大應(yīng)力

②立柱應(yīng)力分布

在第二步開挖過程中，由于側(cè)向剪力的作用，立柱上端受力將明顯改變，在立柱頂部與底部產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)209 kN。第二步基坑開挖立柱應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 第二步基坑開挖立柱應(yīng)力分布

③圍巖位移分布

第二步開挖對圍巖變形影響較大，最大圍巖位移分布在基坑邊緣位置，最大可達(dá)到3.4 mm，地連墻拐角處受力相對較大[10]，達(dá)到632 kN/m2。第二步基坑開挖圍巖位移分布如圖9所示。

圖9 第二步基坑開挖圍巖位移分布

(3)第三步開挖

①地連墻應(yīng)力及位移分布

通過Midas GTS模擬基坑的第三步開挖所產(chǎn)生的應(yīng)力與位移可知：第三步開挖地連墻應(yīng)力及位移最大，且范圍進(jìn)一步縮小，最大位移為9.1 mm。在第三步開挖中，地連墻所受應(yīng)力依然在邊角附近最大[11]，為4 312 kN/m2，第三步基坑開挖地連墻最大位移與最大應(yīng)力如圖10、圖11所示。

圖10 第三步基坑開挖地連墻最大位移

圖11 第三步基坑開挖應(yīng)力

從各個施工步驟對地連墻應(yīng)力及位移的影響分析可以看出，所選擇的支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)形式合理。第三步開挖變形及應(yīng)力變化最明顯，位移最大為9.1 mm，開挖部分應(yīng)力最大為4 312 kN/m2，環(huán)形基坑圈梁支護(hù)步驟及工序?qū)φw受力及變形影響不大，但必須確保在進(jìn)行下一步開挖之前支護(hù)已經(jīng)完成。

②立柱應(yīng)力分布

在基坑第三步開挖過程中，立柱應(yīng)力分布范圍與第二步相似，但是立柱應(yīng)力明顯減小[12]，最大為56 kN。第三步基坑開挖立柱應(yīng)力如圖12所示。

圖12 第三步基坑開挖立柱應(yīng)力

③圍巖位移分布

第三部開挖導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)受力最大達(dá)2 890 kN/m2，圍巖變形最大達(dá)7.5 mm。第三步開挖位移如圖13所示。

圖13 第三步開挖位移

4 大型環(huán)撐拆除技術(shù)

4.1 施工方法比選

對大型環(huán)撐進(jìn)行拆除的常規(guī)方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 支撐拆除方案比選

結(jié)合工程實際情況，選擇爆破法對環(huán)撐進(jìn)行拆除。

4.2 工藝流程

爆破拆除法的具體施作流程為：預(yù)埋孔→孔口堵塞→爆前清孔→驗孔檢查→標(biāo)記補(bǔ)孔→鉆鑿補(bǔ)孔→清孔→驗收炮孔并登記支撐、圍檁及節(jié)點(diǎn)炮孔數(shù)量→計算火工品用量→搭設(shè)防護(hù)架→裝藥→堵塞→聯(lián)線→起爆→爆后檢查→排除啞炮→爆后監(jiān)護(hù)→防護(hù)架拆除→二次破碎→鋼筋切割及回收→渣土起吊及外運(yùn)。

4.3 現(xiàn)場爆破拆除效果

采用毫秒微差控制爆破，依據(jù)設(shè)計原則，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破振動與飛石，達(dá)到鋼筋與混凝土分離的效果。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及以往經(jīng)驗，孔距設(shè)置為0.5 m，排距設(shè)置為0.5 m較為合適?，F(xiàn)場爆破孔布置如圖14所示。

圖14 爆破孔布置

現(xiàn)場防護(hù)措施：現(xiàn)場裝藥、填塞后，采用砂包、鐵板覆蓋防護(hù)[13]，側(cè)面的鐵板用鋼筋串聯(lián)固定，以確保安全[14]，如圖15所示。因地處市中心，為防止飛石對地面建筑物及市政交通產(chǎn)生影響，需在支撐頂面搭架設(shè)竹筏板、滿鋪密目網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)[15]。

圖15 爆破覆蓋防護(hù)

5 結(jié)論

(1)每一步開挖都會對地連墻應(yīng)力及位移造成影響，但第三步開挖造成的變形及應(yīng)力最為明顯，位移最大為9.1 mm，開挖部分應(yīng)力最大為4 312 kN/m2，環(huán)形基坑圈梁支護(hù)步驟及工序?qū)φw受力及變形影響不大。

(2)單根立柱的受力從上到下成線性增加，主要受重力影響，隨著開挖及支護(hù)的影響，立柱的受力情況有所變化，其整體受力仍處于安全范圍內(nèi)。

(3)必須一次性開挖到支護(hù)面再開始支護(hù)，由于開挖對整個結(jié)構(gòu)的影響較大，應(yīng)堅決杜絕尚未支護(hù)完成便繼續(xù)向下開挖。

(4)爆破法具有拆除效率高、作業(yè)時間短等優(yōu)點(diǎn)，作業(yè)過程中應(yīng)盡可能把噪聲造成的影響控制到最低，并做好相關(guān)防護(hù)。