旋挖鉆處理錨索侵限的施工工序研究
——以濟(jì)南市軌道交通4號(hào)線段店站錨索侵限處理為例

華霖杰

(中鐵二十四集團(tuán)有限公司, 上海 200433)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,為了解決日益嚴(yán)重的城市地上交通擁擠問題,各大城市的地下軌道交通逐漸進(jìn)入飛速發(fā)展階段。在地鐵地下施工中,經(jīng)常會(huì)遇見錨索侵限的情況,如果不對(duì)錨索進(jìn)行處理,可能會(huì)產(chǎn)生盾構(gòu)機(jī)刀盤卡住無法脫困和地下連續(xù)墻無法施工等問題[1]。目前主流的處理錨索侵限的方法有明挖基坑法[2]、暗挖隧道法[2]、跟管鉆進(jìn)套取法[3]、人工挖孔樁分段拔除法[3]、全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)切割處理法[4]等。

目前在很多項(xiàng)目中使用旋挖鉆處理錨索法取得了較好的處理效果。楊立濤等[5]依托深圳地鐵9號(hào)線西延線工程的4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間,嘗試6種不同的方案:人工挖孔豎井+穿心千斤頂拔除、人工挖孔豎井+套管鉆機(jī)拔除、人工挖孔豎井+旋挖鉆拔除、暗挖+空推處理、旋挖鉆拔除+地面加固強(qiáng)推、地面直接加固+盾構(gòu)強(qiáng)推,在進(jìn)行效果對(duì)比分析之后選出最適合該工程錨索處理和盾構(gòu)穿越施工的方案—旋挖鉆拔除+地面加固強(qiáng)推。黃志斌等[6]以佛山地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間穿越沿線某建筑基坑錨索支護(hù)為背景,綜合考慮工期、工程造價(jià)、工程風(fēng)險(xiǎn)等因素后,從明挖基坑法、暗挖隧道法、套管拔除法和旋挖鉆垂直切索法這4種方法中選擇采用旋挖鉆垂直切索法,取得了良好的處理效果。

本文結(jié)合濟(jì)南市軌道交通4號(hào)線段店站錨索侵限旋挖鉆處理工程探索出最優(yōu)的施工工序,線段店站侵限錨索為樁錨結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可有效加固土體并阻擋深基坑外地下水的滲入[7],但在處理錨索侵限時(shí)樁錨結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的影響。因此,本文基于FLAC3D數(shù)值模擬平臺(tái)探索3種不同旋挖工序,即“無間隔連續(xù)旋挖施工”“隔一挖一跳點(diǎn)旋挖施工”和“隔二挖一跳點(diǎn)旋挖施工”對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)變形的影響,通過對(duì)比分析選出對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)影響最小的旋挖工序。

1 工程概況

段店站位于經(jīng)十路、臘山立交匝道東南側(cè)輔路下方,沿經(jīng)十路東西向布置。車站為地下二層島式車站,明挖施工,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)279.9 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬20.3 m,車站底板埋深17.2～19.3 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地連墻+內(nèi)支撐體系。車站設(shè)4個(gè)出入口,2組風(fēng)亭。

現(xiàn)場(chǎng)已有錨索為融建財(cái)富時(shí)代廣場(chǎng)在施工地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)打設(shè),經(jīng)調(diào)查,錨索入侵段店站車站主體,豎向共3排,侵入數(shù)量約為354根,侵入主體結(jié)構(gòu)最長(zhǎng)為10.9 m,侵入附屬結(jié)構(gòu)最長(zhǎng)為21.27 m。其中段店站平面位置如圖1所示,侵入范圍如圖2所示,錨索與車站基坑相對(duì)位置關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖1 段店站平面位置示意圖

圖2 錨索侵入范圍示意圖

未注單位:mm圖3 錨索侵入范圍1—1剖面圖

未注單位:mm圖4 錨索侵入范圍2—2剖面圖

已有錨索侵入車站為3排,排距為3.5 m,水平間距為1.5 m。錨索布置如圖5所示,錨索參數(shù)見表1。

表1 錨索參數(shù)

未注單位:mm圖5 錨索布置圖

錨索侵限很可能影響地鐵的地下施工,為了避免施工時(shí)受侵限錨索的影響,在施工前必須對(duì)侵限錨索進(jìn)行處理。

2 錨索處理方案

錨索主要影響車站南側(cè)地下連續(xù)墻施工,為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)正常施工,對(duì)影響范圍內(nèi)錨索進(jìn)行切割處理,對(duì)此提出3種處理錨索的方案。

1)“重錘低沖”反復(fù)沖擊錨索法[8]。該方案是通過沖錘的重力和土體提供的反力,錨索將在槽段范圍內(nèi)被截?cái)唷榱私o沖錘提供足夠的反力,并防止沖錘工作時(shí)拉壞錨頭影響既有建筑物穩(wěn)定,將錨索處土體置換為碎石,并調(diào)整護(hù)壁泥漿的配比,以防止處理錨索時(shí)槽段內(nèi)塌孔。其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、機(jī)具設(shè)備較小、對(duì)環(huán)境要求較低。但是靠重力沖擊錨索,震動(dòng)較大,有破壞房建地下室的可能性,并且反復(fù)沖擊,易造成后期地連墻槽壁坍塌,切斷錨索的工效也較低,對(duì)工期的影響較大。

2)旋挖鉆垂直切錨索法[6]。通過該方法在槽段范圍內(nèi)采用旋挖鉆機(jī)將錨索垂直切斷,施工工效比沖擊鉆高,使用旋挖鉆鉆斷錨索,對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)影響較小,但是機(jī)具設(shè)備較高大,需要一定的施工場(chǎng)地,并且靠旋挖鉆鉆頭下壓鉆斷錨索,對(duì)鉆頭磨損較大,要對(duì)鉆頭進(jìn)行特殊加工。

3)繩鋸切割法[9]。在地連墻施工過程中,遇到錨索后,采用繩鋸工具在設(shè)備驅(qū)動(dòng)下對(duì)錨索進(jìn)行磨削切割,最終實(shí)現(xiàn)靜態(tài)切割分離拆除。其效率較高,自動(dòng)化遙控操作作業(yè)更安全,震動(dòng)噪聲較小,但屬于研發(fā)試驗(yàn)中的技術(shù),利用金剛繩索需要專業(yè)設(shè)備、專業(yè)人員操作,專業(yè)化程度較高。但是該方法費(fèi)用較高,且屬于暫停地下連續(xù)墻成槽過程來處理錨索,影響地下連續(xù)墻施工工效,增加地下連續(xù)墻坍壁、縮孔風(fēng)險(xiǎn)。

通過對(duì)比各方案的優(yōu)缺點(diǎn)后,認(rèn)為采用旋挖垂直鉆斷錨索法的方式,對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)影響小,并可有效處理錨索,確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠施工。在廣東省佛山市地下交通工程施工中,也有旋挖垂直鉆斷錨索來處理錨索的成功案例[6,10-11]。

旋挖鉆處理錨索是以導(dǎo)向墻作為向下旋挖引導(dǎo),在成槽過程中采用旋挖鉆引孔,旋挖鉆鉆進(jìn)過程中將錨索卷起隨鉆頭提出,使用旋挖鉆處理錨索,需提前做好錨索定位。在錨索處理完成后立即對(duì)孔洞使用7%水泥土回填。

針對(duì)旋挖鉆處理錨索提出3種不同的施工順序,分別是不間隔連續(xù)開挖施工、隔一挖一跳點(diǎn)施工和隔二挖一跳點(diǎn)施工,簡(jiǎn)寫為工序1、工序2和工序3。旋挖鉆處理錨索施工(局部)順序如圖6所示。

相同編號(hào)為連續(xù)施工編號(hào)圖6 旋挖鉆處理錨索施工順序

不同的旋挖工序或許對(duì)錨索拔除的效果相同,但對(duì)整個(gè)土體和既有結(jié)構(gòu)的影響不同,樁錨支護(hù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致地層的沉降與變形[12],同樣對(duì)于樁錨結(jié)構(gòu)的錨索旋挖拔除,也會(huì)導(dǎo)致地層與既有結(jié)構(gòu)的沉降與變形,目前還未有人對(duì)不同錨索旋挖處理施工工序?qū)Φ貙优c既有結(jié)構(gòu)的影響大小進(jìn)行探索。本文通過FLAC3D數(shù)值模擬平臺(tái)探索3種不同旋挖工序?qū)Φ貙优c既有結(jié)構(gòu)的影響,并選出最優(yōu)工序,應(yīng)用于實(shí)踐之中。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

在確定3種不同的旋挖處理錨索施工順序后,采用Rhino和FLAC3D共同建立實(shí)際工程的數(shù)值模型,利用有限差分軟件FLAC3D將3種不同的旋挖處理錨索施工順序在數(shù)值模型中進(jìn)行模擬,通過數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析這3種開挖施工順序?qū)τ诘貙雍图扔薪Y(jié)構(gòu)的影響,從而選擇出最適合實(shí)際工程中應(yīng)用的旋挖處理錨索施工順序。

3.1 模型建立

結(jié)合實(shí)際工程建立數(shù)字模型,實(shí)際工程中共需要處理的錨索數(shù)量約354根,由于錨索的旋挖處理具有重復(fù)性,故選擇建立容納60根錨索的土體和建筑的簡(jiǎn)化模型來進(jìn)行數(shù)值模擬。首先利用Rhino軟件建立地層建筑等結(jié)構(gòu)模型,60根錨索與20個(gè)支護(hù)樁和20個(gè)旋噴樁相連接,每個(gè)支護(hù)樁與兩根錨索相連。每個(gè)旋噴樁與一根錨索相連。為了研究旋挖處理錨索施工對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)的影響,故以與錨索相連的支護(hù)樁和旋噴樁為中心,兩側(cè)各延伸40 m建立厚度為19 m的地層模型,模型土體部分為80 m×31.2 m×19 m,土體分為4層,由上向下分別厚3.1、5.5、7.6、2.8 m,第1層為填雜土,其余3層均為粉質(zhì)黏土,地上建筑部分距離支護(hù)樁和旋噴樁10 m,包括3層共15 m的局部商場(chǎng)結(jié)構(gòu)和30層共105 m的局部寫字樓結(jié)構(gòu),用實(shí)體單元代替;同時(shí)建立旋挖模型,因由兩根錨索在同一支護(hù)樁上,所以只需建立40個(gè)旋挖輪廓,并使這40個(gè)直徑為0.75 m的旋挖輪廓與錨索相對(duì)應(yīng),每個(gè)旋挖孔深13.5 m,深度足夠?qū)﹀^索旋挖拔除。在使用Griddle插件對(duì)Rhino模型進(jìn)行網(wǎng)格化之后,導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D中進(jìn)行數(shù)值模擬。

模型共生成196 770個(gè)節(jié)點(diǎn),整體模型以土體長(zhǎng)邊方向?yàn)閄軸,向右為正,土體短邊方向?yàn)閅軸,由外向內(nèi)為正,豎直方向?yàn)閆軸,向上為正,坐標(biāo)原點(diǎn)位于第一個(gè)支護(hù)樁底面,如圖7所示。模型前后左右4個(gè)邊界法向固定,邊界處各節(jié)點(diǎn)速度、位移不變,底面X、Y、Z3個(gè)方向自由度固定,頂面為自由表面。錨索在FLAC3D中采用Cable單元建立,其中每根錨索都建立被旋挖處理后剩余的兩部分錨索,方便后續(xù)進(jìn)行力的施加,如圖8所示。

圖7 FLAC3D網(wǎng)格模型

圖8 錨索單元與支護(hù)樁旋噴樁

3.2 計(jì)算參數(shù)及本構(gòu)

建模過程中采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)彈塑性材料的本構(gòu)模型。土體、建筑和回填土等具體參數(shù)取值見表2。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將支護(hù)樁和旋噴樁都使用C30混凝土實(shí)體來代替,由于建筑模型是實(shí)體單元,故取密度為225 kg/m3來模擬實(shí)際的建筑。

表2 模型各部分力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬過程

單個(gè)旋挖孔的數(shù)值模擬步驟分為3步:①對(duì)單個(gè)旋挖孔進(jìn)行全斷面開挖,旋挖孔直徑0.75 m旋挖深度13.5 m,跨越3個(gè)地層;②在每段錨索靠近旋挖孔的一端,對(duì)其施加延錨索方向的該錨索的極限荷載,運(yùn)行50步后對(duì)錨索進(jìn)行刪除來模擬錨索被挖斷或者抽出;③對(duì)該旋挖孔進(jìn)行回填,完成旋挖處理錨索施工。圖9為單個(gè)旋挖孔的旋挖模擬操作簡(jiǎn)圖。通過調(diào)整各旋挖孔的先后處理順序,可以模擬計(jì)算出3種不同的施工順序。

圖9 旋挖模擬操作簡(jiǎn)圖

3.4 記錄點(diǎn)的選擇

為了方便對(duì)模擬的過程與結(jié)果進(jìn)行分析,也方便對(duì)3種不同的工序進(jìn)行對(duì)比分析,在模型表面的不同位置設(shè)置記錄點(diǎn)。通過預(yù)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在旋挖處左側(cè),土體表面均為沉降,且距離旋挖處越遠(yuǎn)沉降越小;在旋挖處右側(cè)的土體表面,距離旋挖處由近到遠(yuǎn)呈先沉降后隆起再沉降的趨勢(shì),并且隆起處為地下支護(hù)樁旋噴樁所在位置的正上方。根據(jù)此規(guī)律在模型的表面的中軸線上分別設(shè)置了6個(gè)記錄點(diǎn)來記錄模型Z方向的位移,分別為記錄點(diǎn)1(23.5,14.7,34)、記錄點(diǎn)2(2.5,14.7,19)、記錄點(diǎn)3(0,14.7,19)、記錄點(diǎn)4(-2.5,14.7,19)、記錄點(diǎn)5(-30,14.7,19)、記錄點(diǎn)6(33.5,22.5,124),其中記錄點(diǎn)1位于3層商場(chǎng)建筑頂部,記錄點(diǎn)3位于隆起區(qū)域,記錄點(diǎn)2和記錄點(diǎn)4位于隆起區(qū)域的兩側(cè),記錄點(diǎn)5位于旋挖處左側(cè),記錄點(diǎn)6位于寫字樓頂部中心。這6個(gè)記錄點(diǎn)可以很好地代表模型表面的豎直位移趨勢(shì),如圖10所示。

圖10 記錄點(diǎn)分布

3.5 模擬結(jié)果及分析

3.5.1 模型整體Z方向位移分析

模型經(jīng)過初始應(yīng)力平衡后,分別進(jìn)行3種不同旋挖工序的模擬計(jì)算,最終得到3種工序模型的Z方向位移云圖,如圖11所示。

圖11 3種工序模型Z方向位移云圖

通過3個(gè)模型的Z方向位移云圖可知,3種旋挖工序模型的最大沉降區(qū)域均在旋挖孔附近,而最大隆起的區(qū)域在支護(hù)樁和旋噴樁的正上方。在FLAC3D中的距離單位均為m,因此工序1模型的最大正位移為0.103 15 mm,最大負(fù)位移為-2.678 7 mm;工序2模型的最大正位移為0.134 61 mm,最大負(fù)位移為-2.713 6 mm;工序3模型的最大正位移為0.122 38 mm,最大負(fù)位移為-2.718 6 mm。在實(shí)際工程中,旋挖之前會(huì)提前澆筑導(dǎo)向墻,其作用除了旋挖施工的導(dǎo)向作用外,還有承受施工過程中車輛設(shè)備的荷載、避免槽口坍塌等作用,因此實(shí)際工程中,旋挖孔附近的沉降會(huì)受到很好的控制,所以不同工序?qū)ν馏w在旋挖孔附近的沉降影響差異可以忽略。通過在隆起區(qū)域新增加的多個(gè)記錄點(diǎn)來觀察3種工序最終模型隆起的程度,絕大部分的記錄點(diǎn)顯示工序2模型的隆起程度最小,從整體角度來看,工序2模型的隆起形變程度相較于工序1和工序3更小,因此豎直位移云圖的最大值并不能代表整個(gè)隆起區(qū)域,而是要整體地來觀察不同坐標(biāo)點(diǎn)的位移。

3.5.2 模型橫截面總位移分析

對(duì)完成模擬的3種工序的總位移云圖,從模型Y方向的中點(diǎn),坐標(biāo)為16.1 m豎直截出剖面圖(局部),如圖12所示。由圖12可知,在模擬計(jì)算結(jié)束時(shí),模型Y方向中點(diǎn)豎直剖面云圖中工序2模型的最大總位移小于工序1模型和工序3模型的最大總位移。為了消除只觀測(cè)單個(gè)剖面云圖的最大值可能會(huì)出現(xiàn)的誤差,又在該剖面的兩側(cè)各距離5 m和10 m的位置觀測(cè)模型的剖面圖,整合成3D柱狀圖,如圖13所示,通過觀察3D柱狀圖,發(fā)現(xiàn)該結(jié)果依然遵循圖12的規(guī)律:工序2模型的最大總位移小于工序1和工序3。

圖12 3種工序模型總位移云圖

圖13 工序3模型總位移云圖

3.5.3 記錄點(diǎn)Z方向位移分析

由于每種旋挖工序均需要進(jìn)行40次旋挖施工,于是將其每5次旋挖施工后的模型記錄點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行記錄,從而得出各記錄點(diǎn)在不同工序下隨著旋挖步驟的增加Z方向的位移,如圖14所示,分別是6個(gè)記錄點(diǎn)的Z方向位移折線圖。

圖14 3種工序模型各記錄點(diǎn)在Z方向的位移

通過觀察記錄點(diǎn)的折線圖,由圖14可以得出:①在旋挖施工的后期,工序1模型的豎直位移量要大于工序2模型和工序3模型的豎直位移量;②隨著旋挖步數(shù)的增加,工序2模型與工序3模型的豎直位移量呈無規(guī)律的交替領(lǐng)先;③當(dāng)所有旋挖施工結(jié)束后工序2模型的豎直位移量總是小于工序3模型的豎直位移量。通過上述分析可以推斷出工序2模型的大部分的位置的豎直位移量要小于另外兩個(gè)工序模型。

盡管當(dāng)所有旋挖施工結(jié)束后工序2模型的豎直位移變化量大多小于工序3模型的豎直位移變化量,但是兩者位移量非常相近,工序2和工序3僅就對(duì)于地層和既有結(jié)構(gòu)的影響而言,效果幾乎相同,但在實(shí)際施工中,旋挖施工完成后進(jìn)行旋挖孔的回填工作,每完成一個(gè)旋挖孔的旋挖施工后轉(zhuǎn)移到下一個(gè)旋挖孔時(shí),需要大量的機(jī)械設(shè)備移動(dòng),同時(shí)大量消耗時(shí)間和人力。因此考慮到實(shí)際的施工中的便捷性,工序2的施工趟數(shù)要比工序3的施工趟數(shù)少,因此工序2在施工便捷性上也優(yōu)于工序3。

4 結(jié)論

為了探索3種不同的旋挖工序在處理錨索侵限時(shí)對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)的影響,通過FLAC3D軟件對(duì) 3種旋挖工序進(jìn)行模擬后的結(jié)果得到如下結(jié)論:

1)無論是哪一種旋挖施工順序,都會(huì)使大部分的地層區(qū)域和建筑發(fā)生沉降,其中,最大沉降處為旋挖孔周圍,也會(huì)使一部分地層發(fā)生隆起,最大隆起處為支護(hù)樁旋噴樁上方部分區(qū)域。

2)通過觀測(cè)多個(gè)豎直剖面云圖發(fā)現(xiàn)工序2模型的最大總位移總是小于工序1模型和工序3模型的最大總位移,工序2在控制地層和既有結(jié)構(gòu)的總位移方面優(yōu)于工序1和工序3。

3)通過對(duì)6個(gè)記錄點(diǎn)的觀察,發(fā)現(xiàn)工序1模型的豎直位移量在施工后期大于工序2模型和工序3模型,而工序2模型的豎直位移量在所有旋挖施工結(jié)束后要小于工序3模型, 因此工序2在控制模型表面豎直位移方面要優(yōu)于工序1和工序3,并且工序2的施工便捷性也要優(yōu)于工序3。

綜上所述,無論從模型整體的位移量角度,還是實(shí)際施工的便捷性角度,工序2均優(yōu)于工序1和工序3,說明在實(shí)際施工中,采用工序2進(jìn)行旋挖施工可以在高效處理侵限錨索的前提下把對(duì)整個(gè)地層和既有結(jié)構(gòu)的影響降到最低。