暗挖區(qū)間豎井施工技術(shù)

葉滔

(中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110000)

洞樁法（Pile-Beam-Arch method，PBA）[1]是在施工中形成由樁、梁、柱共同形成的整體支護(hù)體系，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工中預(yù)支護(hù)與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，以此保證是施工有效控制施工安全進(jìn)行，此施工方法因其對(duì)地面交通占用小、適合大規(guī)模開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)安全度高等優(yōu)點(diǎn)[2]，在城市地鐵車(chē)站施工被廣泛應(yīng)用。豎井開(kāi)挖作為暗挖施工的第一施工段，豎井開(kāi)挖支護(hù)直接對(duì)整個(gè)施工過(guò)程有影響，因此對(duì)豎井開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行分析是很有必要的。翁承顯等人[3]基于實(shí)際工程，采用模擬分析結(jié)合敏感性分析的方法，研究了不同混凝土厚度、錨桿長(zhǎng)度，以及間距、橫向支撐等參數(shù)對(duì)豎井施工的影響，優(yōu)化了施工，加快了工程進(jìn)度。張?jiān)龇錥4]以貴陽(yáng)車(chē)站為工程背景，通過(guò)建立三維模型、平面應(yīng)變模型，對(duì)不同圍巖下豎井襯砌施工內(nèi)力進(jìn)行了分析，優(yōu)化了豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)。史寧強(qiáng)等人[5-6]通過(guò)相似模型實(shí)驗(yàn)，得到了豎井開(kāi)挖圍巖壓力與豎井深度的關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步對(duì)圍巖壓力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。

本文通過(guò)有限元分析，對(duì)豎井支護(hù)進(jìn)行分析，以期有效控制豎井開(kāi)挖沉降。

1 工程概況

三好街站為地鐵三號(hào)線的第二十座車(chē)站，前一站為方形廣場(chǎng)站，后一站為工業(yè)展覽館站。區(qū)間臨時(shí)豎井位于文化路與彩塔街路口西北側(cè)，2#臨時(shí)豎井及區(qū)間臨時(shí)豎井施工方法均采用倒掛井壁法進(jìn)行施工。車(chē)站平面圖如圖1所示。

圖1 車(chē)站平面圖

2 施工工藝與變形控制

2.1 施工工藝

在鎖口圈開(kāi)挖前，先人工挖槽探測(cè)地下管線，若有管線可根據(jù)情況及時(shí)對(duì)管線進(jìn)行遷改。

為加固豎井鎖扣圈梁下土體的強(qiáng)度，對(duì)鎖扣圈下，梁深1.8 m，寬度1.95 m 范圍內(nèi)進(jìn)行水泥漿注漿加固。土體加固范圍圖如圖2所示。

圖2 區(qū)間豎井鎖口圈梁加固區(qū)域

豎井鎖口圈梁與混凝土橫梁在雜填土與粉質(zhì)黏土中。采用人工配合機(jī)械開(kāi)挖至地表以下0.6 m，人工清底0.4 m。開(kāi)挖豎井井口土體至鎖口圈梁底部，澆筑10 cm混凝土墊層（2#豎井）后安裝模板并綁扎鋼筋，整體澆注井口鋼筋混凝土圈梁，并預(yù)埋好各種預(yù)埋件。

豎井的井體采用人工開(kāi)挖，并對(duì)掘進(jìn)進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。在豎井的中段開(kāi)挖，然后在井壁上分段開(kāi)挖。在開(kāi)挖過(guò)程中，按豎井的軸線對(duì)稱(chēng)，分側(cè)向分段開(kāi)挖，用人工將渣土裝入吊斗，通過(guò)吊車(chē)將其提升到地表的渣土區(qū)。

施工中，要嚴(yán)格控制豎井的進(jìn)尺，并及時(shí)進(jìn)行圍護(hù)。在開(kāi)洞之前，先安裝臨時(shí)支撐，然后在開(kāi)孔時(shí)切斷豎井上的格柵鋼架，架立三榀，并將其與槽鋼框架通道斷面的格柵鋼架。豎井開(kāi)挖完成進(jìn)尺一榀后，對(duì)土面清掃干凈，然后噴上一次混凝土裝上格柵鋼架，再進(jìn)行小導(dǎo)管施工，最后再進(jìn)行噴射混凝土。

在隧道開(kāi)挖前，將小導(dǎo)管沿開(kāi)挖輪廓線打入掘進(jìn)前方穩(wěn)定的土體內(nèi)，末端支撐在隧道拱部的鋼架上，并對(duì)小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，增加小導(dǎo)管的剛度和固結(jié)前方土體，使其起到加固掘進(jìn)進(jìn)尺范圍內(nèi)拱部上方的土體，有效地約束土體在開(kāi)挖后的一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生松弛坍塌。小導(dǎo)管注漿有以下作用，具體敘述如下。

（1）改良工作面前方的土體結(jié)構(gòu)，在開(kāi)挖面以外形成加固圈。

（2）超前小導(dǎo)管與鋼架、固結(jié)的地層共同作用形成超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，能有效增加施工面的安全穩(wěn)定，避免施工面因不穩(wěn)定而發(fā)生松弛。

小導(dǎo)管注漿根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙要求，在洞內(nèi)深孔注漿與小導(dǎo)管加固重疊范圍內(nèi)，小導(dǎo)管作用應(yīng)視洞內(nèi)深孔注漿的效果好壞，來(lái)決定是否進(jìn)行補(bǔ)充注漿。在橫通道拱頂120°范圍內(nèi)設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿加固。小導(dǎo)管采用DN32×3.25鋼管，L=2 m，每一榀格柵打設(shè)一環(huán)，環(huán)向間距0.6 m，水平傾角為16°。注漿漿液根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用1∶1水泥-水玻璃雙液漿，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)添加固砂劑。

每榀格柵鋼架拱腳及臨時(shí)仰拱拱腳處設(shè)置兩根鎖腳錨管（A32×3.25，L=2 m），打設(shè)角度45°，漿液類(lèi)型與超前小導(dǎo)管一致。

通過(guò)導(dǎo)管法，在地面上對(duì)灌注樁進(jìn)行澆筑，混凝土材料采用水下C30混凝土。

基坑開(kāi)挖完畢后，按照一定的順序進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，從上而下，嚴(yán)謹(jǐn)錯(cuò)序。1 號(hào)豎井主體結(jié)構(gòu)與3 號(hào)豎井主體結(jié)構(gòu)穿插作業(yè)，避免造成各施工作業(yè)隊(duì)伍之間存在停工等待作業(yè)面的情況，施工時(shí)合理組織加快西端結(jié)構(gòu)施工，按節(jié)點(diǎn)工期要求為盾構(gòu)接收提供施工場(chǎng)地。

模板支架應(yīng)選擇安全的、方便的。施工所用的材料通過(guò)航吊進(jìn)行運(yùn)輸。為了混凝土的質(zhì)量，采用商品混凝土，通過(guò)混凝土管泵送入模，并進(jìn)行振搗待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范強(qiáng)度后再進(jìn)行模板支架拆除。

2.2 變形控制

豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)外層鉆孔灌注樁內(nèi)側(cè)采用橫支撐支護(hù)形式，在豎井施工期間保證基坑沒(méi)有滲漏水。采用直徑1 m間距1.5 m的鉆孔灌注樁，圍護(hù)樁長(zhǎng)度為4 335 mm，樁間采用100 mm 厚C25 鋼筋網(wǎng)噴混凝土，內(nèi)支撐第一層內(nèi)支撐采用600 mm×1 000 mm“混凝土支撐+樁頂冠梁”，基坑4 個(gè)角位置最內(nèi)側(cè)角撐采用雙拼I45C工字鋼作為鋼角撐。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 數(shù)值模型的建立

通過(guò)有限元分析軟件Midas GTS NX建立豎井實(shí)體模型，豎井模型尺寸在X、Y、Z方向上長(zhǎng)度分別為90 m、90 m、80 m；土體的邊界限制：最上層是自由面，最下層是固定面，其他的是法向約束。豎井采用圍護(hù)樁進(jìn)行圍護(hù)。模型如圖3、圖4所示。

圖3 三維模型實(shí)體

圖4 三維實(shí)體模型

3.2 材料本構(gòu)模型

根據(jù)鉆探報(bào)告，三好街站沿線勘察深度范圍內(nèi)主要地層分布為雜填土，中粗砂、圓礫、沙礫-1、沙礫-2，根據(jù)勘測(cè)報(bào)告土體選擇修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，其他結(jié)構(gòu)屬性材料的結(jié)構(gòu)模型均采用彈性本構(gòu)關(guān)系。各層土體的物理參數(shù)、材料計(jì)算取值如表1、表2所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計(jì)算取值

4 地表沉降與地層水平位移分析

4.1 地表沉降分析

在車(chē)站豎井內(nèi)側(cè)豎直方向每隔一定的距離設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)不同施工區(qū)段的豎井進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。在不同的施工段對(duì)地面沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體見(jiàn)圖5。圖5曲線描述了豎井的5個(gè)斷面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降，由圖可知，A1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處沉降值最大約為8.4 mm，A3 處沉降值最小約為1.8 mm。在隨著豎井的開(kāi)挖A1、A4監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著豎井開(kāi)挖深度的增加，沉降曲線由最開(kāi)始平穩(wěn)到急速下降最后趨于平穩(wěn)，沉降值由開(kāi)始的3 mm、5 mm 分別增加到5 mm和8.4 mm。A2、A3、A5監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著豎井開(kāi)挖深度的增加，沉降曲線由平穩(wěn)到平緩上升最后趨于平穩(wěn)。在第一段開(kāi)挖工序時(shí)，土體沉降變化不大，隨著施工段的開(kāi)挖土體沉降開(kāi)始增加。當(dāng)豎井開(kāi)挖深度達(dá)到一定深度時(shí)，土體損失量增大，土體位移場(chǎng)重新分布，導(dǎo)致基坑底部產(chǎn)生微弱的隆起，使沉降曲線向上增加。由于豎井開(kāi)挖深度較深，豎井沉降關(guān)系到整個(gè)車(chē)站施工，豎井的沉降控制也是不可避免的難題。

圖5 沉降曲線圖

4.2 地層水平位移分析

豎井開(kāi)挖過(guò)程中地層水平位移如圖6所示。本工程通過(guò)鉆孔灌注樁、鋼支撐支護(hù)形式、注射超前小導(dǎo)管、增加混凝土內(nèi)支撐等方法，使豎井開(kāi)挖地表沉降滿足施工規(guī)范要求。

圖6 地層水平位移曲線圖

圖6 中的曲線是豎井開(kāi)挖過(guò)程中，在豎井地層上選取的5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)施工段的地層水平位移值，可以看出在豎井開(kāi)挖前，地層水平位移值不發(fā)生變化，隨著豎井向下開(kāi)挖深度的增加，地層水平位移值曲線呈波浪形變化增加。最大位移為4.8 mm，在4 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位置上產(chǎn)生的位移最小約為1.5 mm，3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水平位移值為3 mm，處于2 號(hào)與3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移值之間。5 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置大于2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置產(chǎn)生位移值。

5 結(jié)論

豎井是暗挖地鐵車(chē)站前一道重要的施工工序，控制豎井施工引起的地表沉降是深大豎井開(kāi)挖時(shí)需要面臨的一項(xiàng)難題。通過(guò)有限模擬軟件進(jìn)行了豎井開(kāi)挖施工模擬，并做出以下結(jié)論。

（1）本文通過(guò)模型分析了豎井開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降值、地層水平位移值最大分別為8.4 mm和4.8 mm。

（2）通過(guò)有限元Midas GTS NX 模擬開(kāi)挖過(guò)程中豎井的加固，有效控制了開(kāi)挖過(guò)程中豎井的沉降值。