深基坑支護(hù)的變形效應(yīng)及專項(xiàng)施工方案

曾 里

（江西省地質(zhì)工程集團(tuán)有限公司，南昌 330029）

深基坑支護(hù)工程施工難度大，特別是應(yīng)用在地鐵地下空間的巖土工程，需要提前做好試驗(yàn)測(cè)試及模擬分析，通過對(duì)模型試驗(yàn)的力學(xué)分析等比在實(shí)際工程中，以便在設(shè)計(jì)施工環(huán)節(jié)降低事故風(fēng)險(xiǎn)，提升巖土工程深基坑支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 地鐵車站深基坑支護(hù)的變形效應(yīng)分析

1.1 變形效應(yīng)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章針對(duì)南昌某地鐵車站地下空間巖土工程深基坑的變形效應(yīng)進(jìn)行分析，通過對(duì)開挖作用下基坑受力形變特征、破壞模擬及基坑支護(hù)體系的研究，從而得出模擬試驗(yàn)的數(shù)值結(jié)果，進(jìn)一步得出基坑邊坡及支護(hù)體系的穩(wěn)定性系數(shù)，具體的試驗(yàn)操作如下。

1.1.1 模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合地鐵車站地下空間深基坑巖土工程的地質(zhì)及地形特點(diǎn)，采取了明挖法，將開挖深度設(shè)計(jì)在18.50～19.50 m 之間，開挖進(jìn)行中要考慮地下水深度，將底板的標(biāo)高設(shè)計(jì)為132.84 m，使其高于地下水深度。開挖前的邊坡支護(hù)采用排樁加內(nèi)支撐方法。變形效應(yīng)試驗(yàn)需要模擬以上施工過程，應(yīng)用箱式模型箱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬過程，并將箱體尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)×寬×高=0.8 m×0.6 m×0.55 m[1]。模型箱框架材質(zhì)選用鋼結(jié)構(gòu)，底板及側(cè)體材質(zhì)選用有機(jī)玻璃，試驗(yàn)過程中所需的側(cè)壁支護(hù)檔墻、排樁、腰梁及內(nèi)支撐材質(zhì)采用白卡紙，在需進(jìn)行豎向荷載的加載試驗(yàn)時(shí)采用砝碼，進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)后記錄的數(shù)據(jù)采用百分表讀取，橫向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用人工記錄方式。實(shí)際應(yīng)用中模型箱系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 模型箱系統(tǒng)模型圖

1.1.2 模型試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備好試驗(yàn)裝置及材料后，進(jìn)行過程設(shè)計(jì)，第一步對(duì)模型的相似關(guān)系進(jìn)行分析，在依據(jù)相似理論的基礎(chǔ)上（相似正定理、π 定理、相似逆定理），選取幾何相似常數(shù)為1∶40，并且要求模型試驗(yàn)中的模量與強(qiáng)度參數(shù)相似[2]。采用量綱分析法進(jìn)行π 項(xiàng)式和相似準(zhǔn)則方式的計(jì)算，進(jìn)而得出試驗(yàn)所需物理量的相似比，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系及相似比

結(jié)合上文中模型箱的尺寸，可以將模擬試驗(yàn)場(chǎng)地的尺寸設(shè)定為長(zhǎng)×寬×深=32 m×24 m×22 m。

第二步對(duì)模型場(chǎng)地進(jìn)行鋪設(shè)，模擬實(shí)際地鐵站地下空間巖土工程的地質(zhì)情況，對(duì)模型試驗(yàn)箱進(jìn)行8 層鋪設(shè)，第一層鋪設(shè)雜填土（0.8 m）、第二次鋪設(shè)素填土（1.2 m）、第三層為黃土狀粉質(zhì)黏土（4.6 m）、第四和五層均為粉質(zhì)黏土（分別為5.6 m 和8.5 m）、第六次鋪設(shè)卵石（9.8 m）、第七和八層鋪設(shè)泥巖（11.5 m），8 層總鋪設(shè)厚度為42 m。考慮到模型箱的體積限制，鋪設(shè)粉質(zhì)黏土?xí)o試驗(yàn)造成較強(qiáng)的邊界效應(yīng)，因此將其改成標(biāo)準(zhǔn)砂，得出相該層的力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 模型箱標(biāo)準(zhǔn)砂鋪設(shè)層的物理力學(xué)參數(shù)表

第三步進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)的支護(hù)設(shè)計(jì)，模型箱框架為鋼結(jié)構(gòu)，底部及側(cè)體的有機(jī)玻璃采用亞克力板，支護(hù)檔墻、排樁、腰梁及內(nèi)支撐采用白卡紙進(jìn)行支護(hù)，相關(guān)材料的基本參數(shù)須達(dá)到表3 要求。

表3 試驗(yàn)材料參數(shù)表

1.2 變形效應(yīng)模型試驗(yàn)施工

模型試驗(yàn)施工首先需要進(jìn)行底層鋪設(shè)，根據(jù)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，將相應(yīng)土層鋪設(shè)到箱體中，注意鋪設(shè)時(shí)每隔10 cm 夯實(shí)一次，并且結(jié)合鋪設(shè)土層高度進(jìn)行支護(hù)操作，支護(hù)部件進(jìn)行安裝時(shí)，排樁作為支架，將腰梁與內(nèi)支撐用熱熔膠粘結(jié)，白卡紙用雙面膠貼在兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)支護(hù)檔墻的支撐[3]。

其次要進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，重點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為箱體中土層的豎向沉降、支護(hù)體系中排樁的橫向形變，豎向沉降采用百分表測(cè)量，橫向形變采用伸縮刻度尺測(cè)量。應(yīng)用4 個(gè)百分表分別放置在箱體四角，并設(shè)置加載位移為2 cm，記錄4 個(gè)百分表讀數(shù)，在加載量為0 時(shí)測(cè)量出各個(gè)截面與排樁交點(diǎn)距離，隨著加載量的增加，繼續(xù)測(cè)量截面與排樁交點(diǎn)距離，將每一次的加載量設(shè)置為50 kg砝碼，直至8 次加載后，加載量達(dá)到400 kg 砝碼時(shí)模型損壞，測(cè)量數(shù)據(jù)讀取環(huán)節(jié)結(jié)束。

1.3 變形效應(yīng)模型試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載時(shí)選用5 kg 與10 kg 砝碼逐次加量，通過測(cè)量模型基坑周邊地面載荷形變來(lái)分析實(shí)際地鐵車站的基坑變形規(guī)律及結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律。進(jìn)行8 次加載試驗(yàn)取得的測(cè)量數(shù)據(jù)見表4，箱體試驗(yàn)的平面模型如圖2 所示。

表4 試驗(yàn)加載方案及測(cè)量結(jié)果

圖2 模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面圖

模型試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)時(shí)，每次加載后需要靜止10 min 再讀取百分表數(shù)據(jù)，由于基坑周邊荷載均小于30 kPa，因此加載試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)為25 kPa，累計(jì)加載的土體數(shù)量荷載為33.3 kPa，從0 到400 kg 分8 次進(jìn)行，每次增量為50 kg，得出土體的豎向應(yīng)力為4.17 kPa[4]。

1.4 變形效應(yīng)模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)讀取結(jié)果，可以分析圖2 中7 個(gè)排樁的位移變化規(guī)劃，首先看箱體土層深度對(duì)樁身位移變化的影響，由于位置的不同，1 號(hào)排樁在基坑邊緣，在荷載作用較小時(shí)，排樁位移變化先減小后增大，隨著荷載量增加，位移變化出現(xiàn)先增大后減小的情況，出現(xiàn)位移變化點(diǎn)在土層距頂面250 mm 處（參照比例，在實(shí)際工程中為10 m）；第2 號(hào)排樁到第6 號(hào)排樁與邊緣有一定距離，隨著土層深度的增加，其位移變化為先不變后增大，在荷載量較小時(shí)位移變化較小，荷載量較大時(shí)位移變化較大，位移變化點(diǎn)與1 號(hào)排樁相同；7 號(hào)排樁距離邊緣最遠(yuǎn)，在土層深度不斷增加后，其位移變化逐漸增大，并且在荷載量較小時(shí)位移變化較小，荷載量較大時(shí)位移變化較大。

其次看荷載變化規(guī)律對(duì)樁身位移的影響。分析試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，由于基坑邊界效應(yīng)的影響，截面一、截面二和截面三處的排樁位移隨著荷載量增加，其位移增加的變化量較小，幾乎可以忽略其變化；但隨著土層深度的增加，樁身的位移均出現(xiàn)一定程度的變化，按照變化幅度從小到大的順序依次為：截面一、截面二和截面三。

2 地鐵車站地下空間深基坑支護(hù)的專項(xiàng)施工方案

2.1 地鐵車站地下空間基坑施工概況

本文圍繞南昌某地鐵車站地下空間巖土工程進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，其工程標(biāo)段涉及7 個(gè)地鐵站。深基坑采用明挖順筑技術(shù)，結(jié)合上文的變形效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析，車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要用到鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)模型，土方開挖分4 次進(jìn)行，這個(gè)過程中配合使用3 層支護(hù)操作，第一層支護(hù)應(yīng)用800 mm×900 mm 的砼體，第二層支護(hù)采用?800，t=16 mm 的鋼管，第三層支護(hù)采用?609，t=16 mm 的鋼管。

2.2 基坑專項(xiàng)方案施工設(shè)計(jì)

2.2.1 基坑開挖設(shè)計(jì)

基坑開挖要采用豎向開挖方式，從上至下逐層進(jìn)行，挖進(jìn)的每一層層底標(biāo)高高度設(shè)計(jì)要低于支撐底標(biāo)高，兩者差值為0.5 m，土方的4 次開挖需要分9 層進(jìn)行，具體的開挖要求就開挖標(biāo)高數(shù)值見表5。

表5 土方開挖范圍及深度表

開挖進(jìn)行中，第一層的開挖可以應(yīng)用1 m3反鏟式挖掘機(jī)，開挖深大達(dá)到過鉆孔灌注樁樁頭時(shí)，進(jìn)行第一層混凝土支護(hù)；第二層到第五層開挖應(yīng)用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)及中型挖掘機(jī)，此時(shí)挖出土方量較大，需要配合自卸式汽車運(yùn)送至指定場(chǎng)地；第六層到第九層，以及端頭井開挖應(yīng)用PC220 挖掘機(jī)，隨著豎向開挖深度的不斷加深，每一層開挖前需要清理好土層雜物，挖出的殘留土方應(yīng)用液壓抓斗機(jī)或土斗吊至地面運(yùn)走。

2.2.2 基坑排水設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)巖土工程的地下水位后發(fā)現(xiàn)挖進(jìn)的基坑底部低于水位2.7 m，而且端頭井位置距離水位線最近的距離為0.5 m，基坑挖進(jìn)過程中會(huì)存在滲水情況，因此需要在基坑處加裝降水井，根據(jù)開挖進(jìn)度，每一層設(shè)計(jì)相應(yīng)的集水坑，遇到滲水時(shí)運(yùn)用水泵及時(shí)抽出。在降水井中安裝一條無(wú)縫隙的水泥礫石濾水管，直徑為400 mm，由于地鐵站地下空間開挖深度較深，對(duì)降水井的壁面需要用鋼管支護(hù)，在距離井口處3 m 到井口位置的濾水管用無(wú)紡布包裹2 層，并且在井深范圍內(nèi)回填C3～7 mm 濾料[5]。

2.2.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

地鐵站巖土工程處原路面為混凝土路面，需要在支護(hù)施工前對(duì)其破除，第一層開挖時(shí)，采取混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)。首先，需要將鉆孔灌注樁灌注多余的混凝土鑿掉，位置與冠梁梁底標(biāo)高相等。后續(xù)的鋼筋支護(hù)需要設(shè)計(jì)出活絡(luò)端、固定端及中間段，并對(duì)活絡(luò)端施加一定的應(yīng)力，保證應(yīng)力不變的情況下運(yùn)用吊裝設(shè)備將鋼支撐材料放置在設(shè)計(jì)位置，此時(shí)吊鉤不能松開，牽引出活動(dòng)頭一方使其支撐鋼圍檁，在此間隙應(yīng)用2 臺(tái)100 T 液壓千斤頂代替活動(dòng)頭做支撐。注意施工進(jìn)程中千斤頂?shù)捻攭阂３忠恢?，頂端的軸力方向始終平行于支撐中線?；炷林ёo(hù)及鋼筋支護(hù)的軸力標(biāo)準(zhǔn)值見表6。

表6 預(yù)加軸力控制表

3 結(jié)論

文章通過對(duì)地鐵車站地下空間巖土工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析，總結(jié)出工程實(shí)際中的基坑沉降位移規(guī)律及排樁水平位移規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，對(duì)車站開挖、排水、支護(hù)過程進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，保證基坑巖土工程支護(hù)施工過程能夠順利進(jìn)行。