地鐵隧道明挖施工基坑支護(hù)穩(wěn)定性研究

李志貝

（中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

目前，在地鐵隧道施工中，雖然有多種施工方式可供選擇，但出于經(jīng)濟(jì)和安全等方面的考慮，仍然多采用明挖法進(jìn)行施工。這種方法一般適用于場(chǎng)地平坦或近似平坦的施工條件。為確保基坑支護(hù)的穩(wěn)定性，相關(guān)人員需要利用計(jì)算機(jī)對(duì)隧道基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模擬研究，研究明挖施工對(duì)基坑結(jié)構(gòu)的影響，并作出精確的預(yù)測(cè)，以便為地鐵隧道明挖施工基坑支護(hù)的穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

1 地鐵隧道明挖施工概念

在地鐵隧道開(kāi)挖方面，有多種方法可供選擇，但考慮到工程的經(jīng)濟(jì)成本和安全性，大多采用明挖法。明挖法是指自上而下地挖掘土石，直到達(dá)到規(guī)范要求，然后由下而上依次進(jìn)行施工，最終將土石方全部回填到基坑內(nèi)，并將地表恢復(fù)成平坦?fàn)顟B(tài)。但是，這種方法一般只適用于施工附近沒(méi)有建筑物的情況。而地鐵建設(shè)一般都在城市中心地帶。而城市中心地帶一般建筑物眾多，道路縱橫，地下設(shè)施繁多，使得明挖施工難度較大。為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算，提出解決方案[1]。

2 地鐵隧道基坑支護(hù)技術(shù)

2.1 鋼板樁支護(hù)施工技術(shù)

鋼板樁的型式有多種，包括Z 型鋼板樁、U 型鋼板樁、H 型鋼板樁等，具體應(yīng)根據(jù)地基的施工條件選擇合適的鋼板樁型式。但鋼板樁支護(hù)技術(shù)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用存在局限性，更適合8m 以下的基坑。地鐵隧道施工中所用的鋼板由熱軋型輕鋼制造，其生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)便。進(jìn)行鋼板連接時(shí)，可將部分單獨(dú)的鋼板墻體作為支護(hù)，起到擋水擋土的基礎(chǔ)功能。目前，在國(guó)內(nèi)地鐵隧道工程項(xiàng)目中，尤其是在軟土區(qū)域，鋼板樁在深基坑支護(hù)施工中得到了廣泛應(yīng)用。不過(guò)在地鐵隧道工程施工過(guò)程中，由于會(huì)受地下水的影響，相關(guān)工作人員需要做好防滲處理工作，以確保鋼板樁支護(hù)不受水侵蝕。

2.2 排樁支護(hù)技術(shù)

排樁支護(hù)技術(shù)要求在地鐵隧道施工時(shí)，先在支護(hù)部位鉆出排列的孔，然后在各孔內(nèi)進(jìn)行鋼筋混凝土灌注施工。鋼筋混凝土樁的支撐是保證排樁支護(hù)技術(shù)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。排樁支護(hù)技術(shù)的鉆孔位置可分為“疏散型布置”和“緊湊型布置”兩種，其差別在于井眼間距不同。支撐強(qiáng)度高的排樁布置形式為柱列式。

在鉆孔作業(yè)中，機(jī)械鉆孔可以大幅度地提高工作效率和質(zhì)量，但不宜使用大的機(jī)器，以免對(duì)鉆孔周邊的結(jié)構(gòu)造成巨大的壓力，增加土壤松散的危險(xiǎn)，影響排樁施工質(zhì)量。此外，為防止地下水滲入破壞支護(hù)穩(wěn)定性，可采用樁端后高壓注漿技術(shù)，以提高樁的承載力。

2.3 土釘墻支護(hù)技術(shù)

土釘墻支護(hù)施工一般要采用噴射混凝土工藝，主要包括清理主筋、綁扎鋼筋、主筋、鎖緊筋、調(diào)配混凝土材料、噴射混凝土、保護(hù)混凝土表面等步驟。

具體流程如下：按照設(shè)計(jì)規(guī)范，分層、分段進(jìn)行開(kāi)挖施工，并盡可能保證隨時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖、支護(hù)和噴射混凝土。但需要注意，混凝土噴入上部施工區(qū)域前不得對(duì)下部混凝土進(jìn)行開(kāi)挖。并且，采用機(jī)械設(shè)備挖掘時(shí)，嚴(yán)禁在邊墻部位出現(xiàn)超掘現(xiàn)象，以防止邊墻土體松動(dòng)。為了保證邊坡不會(huì)出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，相關(guān)人員還需要采取有效措施防止滑坡。例如，在修補(bǔ)好的墻體上及時(shí)進(jìn)行砂漿和混凝土噴射，在砂漿和混凝土噴射凝固后進(jìn)行鉆孔，再噴淋混凝土面層，根據(jù)開(kāi)挖面的情況合理布置鋼筋和鋼管，并進(jìn)行注漿，以達(dá)到加固目的，最后安裝土釘。對(duì)于已開(kāi)挖的巖體，應(yīng)在基坑內(nèi)建造一座小型坡道，待鉆孔完畢，放置土釘并進(jìn)行清理。

3 地鐵隧道明挖施工基坑穩(wěn)定性研究

3.1 模型建立

該工程應(yīng)用Mob-Coulomb 模型，其中鋼支撐采用梁構(gòu)件單元模擬、樁采用樁構(gòu)件單元模擬。三維模型的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度、寬度、深度參數(shù)設(shè)置為45m、96m、50m，其他情況不作考慮。根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，開(kāi)挖、支護(hù)按下列步驟進(jìn)行：將土坑分別開(kāi)挖至3m、8m、12m 和15m，并分別在2m、7m 和13m 的位置設(shè)置第1 層鋼支撐、第2 層鋼支撐和第3 層鋼支撐。

研究結(jié)果顯示：在試驗(yàn)坑周圍地表存在著一定的沉降變化，而且沉降度表現(xiàn)由近及遠(yuǎn)呈遞減趨勢(shì)，最大沉降度沒(méi)有發(fā)生在試驗(yàn)坑周圍外延。支護(hù)樁位置的側(cè)向位移表現(xiàn)為中間部分大，上、下部分小，總體上表現(xiàn)為一種拋物線形狀?；娱_(kāi)挖施工后因降低基坑內(nèi)的垂直荷載，使其產(chǎn)生了兩側(cè)較低、中部較高的輕微回彈凸起現(xiàn)象。在此次試驗(yàn)中，由于基坑開(kāi)挖持續(xù)地卸荷，使得基坑底部在首次開(kāi)挖后出現(xiàn)凸起，圍護(hù)樁存在基坑朝內(nèi)側(cè)水平移動(dòng)問(wèn)題，且有一個(gè)向內(nèi)的拋物線形態(tài)。

3.2 不同嵌固深度樁與不同直徑樁的支護(hù)穩(wěn)定性分析

如果圍護(hù)樁的嵌固深度增加，將導(dǎo)致基坑穩(wěn)定性和位移發(fā)生顯著變化?？刂谱兞恐桓淖儤肚豆躺疃?，深度為3m、4m、5m、6m、7m，樁高為嵌固深度加15m。由圖1 可知，支護(hù)樁本身的水平位移是隨樁長(zhǎng)的增大而減小的，而且樁長(zhǎng)在18～20m 之間改變時(shí)，其減小的速率較快，且受樁長(zhǎng)的影響最大，而當(dāng)樁長(zhǎng)＞20m時(shí)，其水平位移速度減小較慢，受樁長(zhǎng)的影響較弱。所以，僅通過(guò)增大樁的長(zhǎng)度來(lái)改善基坑的穩(wěn)定性是不夠的。在嘗試將樁長(zhǎng)從18m 提高到20m 時(shí)，其沉降量迅速降低，而將樁長(zhǎng)持續(xù)提高到22m 時(shí)，其沉降量沒(méi)有顯著變化。試驗(yàn)中隨著樁徑長(zhǎng)從20m 增加至22m，樁身水平位移距離會(huì)逐漸變小，其對(duì)降低樁位移的作用逐漸減弱。但隨著樁長(zhǎng)的增大，可以清楚地看見(jiàn)土坑周圍的地表沉降在逐漸減小，如圖2 所示，最大沉降值從10mm 降低到4.5mm，影響范圍在14m 之內(nèi)。由上述數(shù)據(jù)資料及圖例可知，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)必須確?；拥陌踩耘c穩(wěn)定性，而不能單純地依賴于增大樁長(zhǎng)來(lái)增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性，以及降低開(kāi)挖基坑對(duì)周邊地面的沉降影響。

圖1 不同嵌固深度樁自身水平位移距離影響

圖2 不同嵌固深度圍樁對(duì)地表沉降影響

3.3 不同直徑樁的圍護(hù)效果分析

試驗(yàn)中設(shè)置支護(hù)樁的長(zhǎng)度參數(shù)為20m、間距為1.5m、嵌固深度為5m，隨后展開(kāi)模擬試驗(yàn)。首先，確保各模擬試驗(yàn)按照合理的開(kāi)挖順序進(jìn)行，并確保支柱的結(jié)構(gòu)與參數(shù)恒定不會(huì)改變。其次，在試驗(yàn)中，單獨(dú)改變樁直徑，以檢測(cè)其對(duì)基坑穩(wěn)固性的影響。以600mm 直徑樁為例，試驗(yàn)結(jié)果表明樁頂位移約為5mm，樁身最大位移為18mm，圍護(hù)樁也發(fā)生了改變，其底部位移達(dá)到14mm，試驗(yàn)中出現(xiàn)明顯的“踢腳”現(xiàn)象。最后，將樁徑增加到1000mm 后，樁頂?shù)奈灰浦禍p小到3.6mm，樁身自身的位移值也不大，僅為13.8mm，支護(hù)樁底的位移值在10mm 左右。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，單純改變樁徑對(duì)圍護(hù)樁的影響是非常明顯的，隨著樁徑的增大，樁自身位移距離也會(huì)相應(yīng)地減小，同時(shí)周邊地面的下降也尤為顯著。試驗(yàn)中將樁徑由600mm 增大到1000mm，結(jié)果表明樁身的影響因子都在12m 以內(nèi)，地面沉降呈現(xiàn)出拋物線形狀。

通過(guò)該試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：最大沉降量隨樁徑的增大而降低，影響范圍逐漸縮小，且改變很快?？梢?jiàn)隨著樁徑的增大，地面沉降的幅度有所減緩，繼而在今后的建設(shè)中，不僅要兼顧安全性和穩(wěn)定性，而且要兼顧項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)對(duì)綜合實(shí)測(cè)與模擬試驗(yàn)的分析，得出以下結(jié)論：二者之間沒(méi)有顯著的差別。具體表現(xiàn)為：實(shí)測(cè)時(shí)，樁身底部位移為0mm，樁身頂部位移為8mm，而在模擬試驗(yàn)中，樁身底部位移為5mm，樁身頂部位移為4mm，兩者均以距離樁尖10mm 為最大值。結(jié)果表明，各參數(shù)之間沒(méi)有顯著的差異，兩種方法都能反映其對(duì)樁身變形的影響。此外，對(duì)該工程基坑周圍地表沉降的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)值和模擬試驗(yàn)所得數(shù)值結(jié)果基本一致。

4 地鐵隧道明挖施工確?；又ёo(hù)穩(wěn)定的要點(diǎn)

4.1 加強(qiáng)對(duì)施工周邊環(huán)境勘察，做好設(shè)計(jì)工作

在地鐵隧道基坑支護(hù)施工中，支護(hù)的設(shè)計(jì)方法與周圍的地質(zhì)條件密切相關(guān)[2]。如果施工區(qū)域的管道出現(xiàn)斷裂，會(huì)導(dǎo)致土壤松軟，從而影響地基的穩(wěn)定性。因此，相關(guān)施工人員需要提前對(duì)地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地周邊環(huán)境進(jìn)行考察，包括已有建筑物、道路、地下構(gòu)筑物與地下市政工程，以及開(kāi)挖過(guò)程中降雨對(duì)周邊的影響，以便及時(shí)作出相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)防范。

同時(shí)，在施工過(guò)程中，需要做好作業(yè)安排，加強(qiáng)對(duì)氣象、氣候信息資料的搜集，合理安排施工作業(yè)，以降低災(zāi)害的發(fā)生率。在進(jìn)行基坑開(kāi)挖之前，還應(yīng)認(rèn)真地分析和研究勘測(cè)場(chǎng)地的地質(zhì)情況，并充分考慮周圍的復(fù)雜地形條件，在開(kāi)工前制定好相應(yīng)的對(duì)策，排除可能出現(xiàn)的不利影響和干擾。

4.2 強(qiáng)化基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

確定了基坑施工方案后，要對(duì)其進(jìn)行施工安全評(píng)估、可行性評(píng)估，并對(duì)其進(jìn)行全面的分析，根據(jù)土體強(qiáng)度、施工設(shè)備等進(jìn)行評(píng)估，確保能夠達(dá)到相關(guān)安全規(guī)范要求。

進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，需要對(duì)以下方面進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)：如果設(shè)計(jì)方案不能滿足實(shí)際工程，則需進(jìn)一步提高或縮小以前的基坑面積；對(duì)鄰近建筑物和公用設(shè)施造成的損害進(jìn)行評(píng)估；在發(fā)生突發(fā)性自然災(zāi)害時(shí)，對(duì)基坑的變形和破壞進(jìn)行評(píng)估。

控制基坑變形，必須滿足下述標(biāo)準(zhǔn)：一是基坑發(fā)生地表塌陷時(shí)，應(yīng)避免對(duì)鄰近建筑物的使用造成不利的影響；二是進(jìn)行基坑側(cè)墻和地表變形預(yù)測(cè)時(shí)，必須考慮到基坑的安全級(jí)別，并根據(jù)特定的限制條件開(kāi)展工作。

4.3 強(qiáng)化施工監(jiān)測(cè)

在地鐵隧道明挖基坑支護(hù)施工過(guò)程中，大部分支護(hù)結(jié)構(gòu)是臨時(shí)性的，而且在工程建設(shè)進(jìn)程中，各種結(jié)構(gòu)的性能會(huì)逐步降低，一旦支撐能力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，會(huì)造成各種安全隱患。為此，工程監(jiān)理必須做好日常施工監(jiān)測(cè)工作，全面、動(dòng)態(tài)地對(duì)各種施工技術(shù)指標(biāo)和工程性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，避免出現(xiàn)潛在的問(wèn)題。另外，為了提高地鐵隧道工程建設(shè)管理工作質(zhì)量，應(yīng)采取多種方法加強(qiáng)管理，提高管理人員的工作能力，如舉辦交流培訓(xùn)會(huì)，并要求所有管理人員都參與其中，以保證后續(xù)工程管理工作得以高質(zhì)量開(kāi)展。

4.4 做好防水與止水處理

進(jìn)行地鐵隧道基坑支護(hù)工作時(shí)，不僅需要對(duì)基坑進(jìn)行防水處理，還需要做好止水處理，以確?；又ёo(hù)施工技術(shù)能夠真正起到應(yīng)有的效果。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在干旱季節(jié)進(jìn)行基坑施工是最好的選擇，尤其是在南方降雨比較多的地區(qū)。在正式開(kāi)始施工之前，相關(guān)單位必須充分了解地鐵隧道基坑開(kāi)挖的地理位置，并進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)查和研究，以便進(jìn)行地理位置的檢查，同時(shí)要進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的測(cè)量，進(jìn)而制訂科學(xué)的地下水治理方案，確保深基坑支護(hù)施工能夠有效開(kāi)展。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，進(jìn)行地鐵隧道明挖法施工時(shí)，由于基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，隨著基坑深度的增加，這種影響會(huì)變得更加明顯，會(huì)對(duì)基坑支護(hù)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置和施工，以確?；又ёo(hù)的穩(wěn)定性，使地鐵隧道明挖施工能夠安全進(jìn)行。