緊臨既有盾構(gòu)區(qū)間施工豎井開挖支護(hù)方案優(yōu)選及變形控制措施

韓 銳

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，施工環(huán)境變得越來越復(fù)雜，施工難度也變得越來越大，尤其是在城市中進(jìn)行地鐵建設(shè)面臨著極大的施工難度。地鐵建設(shè)過程中，當(dāng)施工豎井緊臨既有盾構(gòu)區(qū)間時(shí)，存在諸多因素影響施工的開展。

目前，豎井施工大都采用倒掛井壁法，施工豎井也可兼做施工中的風(fēng)井[1]。倒掛井壁法施工工序復(fù)雜，一般流程為：鎖口圈梁施工超前支護(hù)開挖土體鋼筋格柵安裝錨管施工支撐架設(shè)掛網(wǎng)噴混凝土[2]。從上到下沿井壁逐榀進(jìn)行支護(hù)，施工中采用較為廣泛的支護(hù)結(jié)構(gòu)為“格柵鋼架+噴射混凝土”，此種形式由于工序較為復(fù)雜，需要大量人工進(jìn)行焊接作業(yè)，造成工期長、機(jī)械化程度低等弱點(diǎn)。孫希波等[3]對常用的“格柵鋼架+噴射混凝土”的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出將裝配式鋼結(jié)構(gòu)引入豎井施工中，有效解決了“格柵鋼架+噴射混凝土”支護(hù)體系施工工期長、作業(yè)環(huán)境差等問題。

但鋼筋格柵剛度較弱，自身變形較大，當(dāng)周圍環(huán)境條件要求較高，如緊臨既有線，應(yīng)探尋一種更為安全穩(wěn)妥的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。本文以成都軌道交通項(xiàng)目為例，對緊臨既有線的施工豎井支護(hù)形式進(jìn)行分析探討，并采用有限元法對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，旨在為這樣的復(fù)雜環(huán)境下的豎井設(shè)計(jì)與施工提供優(yōu)化方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

成都軌道交通項(xiàng)目的這個(gè)施工豎井供成都某市域線牽出線礦山法區(qū)間出土、材料人員運(yùn)送及通風(fēng)使用。豎井凈空尺寸為7.9m×5.4m，豎井深約28.6m。牽出線與既有盾構(gòu)區(qū)間平行敷設(shè)，豎井水平距離既有線盾構(gòu)區(qū)間管片約7.59m，井底高程低于既有線盾構(gòu)區(qū)間底高程1.8m。兩者平面如圖1所示。

圖1 施工豎井與既有線平面關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程沿線地形總體較開闊平坦，但隨著城市的發(fā)展，測區(qū)范圍地表部分已被人工改造，分布有沖積平原、堆積臺地及構(gòu)造剝蝕緩丘三種地貌單元。該工程場地屬構(gòu)造剝蝕緩丘地貌，局部地形起伏較大，地面坡度5°～10°，相對高差一般小于30m，地面高程約480～510m，局部發(fā)育有樹枝狀溝谷?？辈炱陂g地面勘探孔標(biāo)高為483～502m。

該工程場地范圍內(nèi)從地層自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)人工填筑土層（Q4ml）：素填土雜填土；第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl）：粉質(zhì)黏土；侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）：強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中等風(fēng)化砂巖。

1.3 水文地質(zhì)條件

場地附近地表無河流發(fā)育，地表水主要為溝渠水及塘水，水量較豐富，同時(shí)受季節(jié)性影響明顯。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、場地土層，按地下水賦存條件，沿線地下水主要有兩種類型：一是賦存于填土里的上層滯水，二是基巖裂隙水。

1.4 不良地質(zhì)及特殊巖土

場地不良地質(zhì)主要為有害氣體、順層、地面沉降，特殊巖土為人工填土、軟土、膨脹土、膨脹巖、風(fēng)化巖及石膏。

2 豎井支護(hù)方案優(yōu)選

2.1 倒掛井壁方案

頂部設(shè)置鎖口圈梁，采用Ф800@600mm 旋噴樁加固表層雜填土；豎井護(hù)壁采用格柵鋼架，豎向間距0.5m/0.75m 設(shè)置；噴35cm 厚C25 混凝土，掛Ф8@200×200 雙層鋼筋網(wǎng)；考慮充分利用豎井空間，故不設(shè)置對撐，改為四周設(shè)I32a型鋼腳撐。中風(fēng)化泥巖以上打設(shè)Ф42×4注漿錨管@1.0m（環(huán)）×0.5m（豎），L=3m；中風(fēng)化泥巖以下打設(shè)Ф22砂漿錨桿@1m（環(huán)）×0.75（豎），L=3m。

2.2 鉆孔樁+環(huán)梁方案

采用直徑1.2m 鉆孔樁，間距2200mm 沿四周設(shè)置，樁的嵌固深度為3.5m，樁頂設(shè)置冠梁，樁間采用Ф8@150×150 鋼筋網(wǎng)，噴射150mm 厚C20 混凝土；考慮充分利用豎井空間，豎向設(shè)置6道1m（高）×0.8m（寬）鋼筋混凝土環(huán)框粱，環(huán)框粱與圍護(hù)樁之間采用防墜落措施。

2.3 方案比較

倒掛井壁法作為礦山法區(qū)間施工豎井最為常見的一種方式，其造價(jià)較為節(jié)約，但同時(shí)由于工序繁瑣，施工周期長，結(jié)構(gòu)本身剛度弱，對控制變形不利，一般用于周圍環(huán)境簡單的工程。

鉆孔樁+環(huán)梁方案，鉆孔樁剛度較大，施工周期周期較短，但是整體造價(jià)較高，經(jīng)過測算鉆孔樁+環(huán)梁相比于倒掛井壁增加費(fèi)用約32萬元。

2.4 方案選擇

該工程豎井緊臨既有線盾構(gòu)區(qū)間，因盾構(gòu)區(qū)間位于基坑周邊0.7H1 范圍內(nèi)，基坑施工擾動影響程度分區(qū)為：強(qiáng)烈影響區(qū)：施工豎井基坑與既有盾構(gòu)區(qū)間相對凈距＜0.5H，非常接近。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，外部作業(yè)影響等級為特級。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》與《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范，并結(jié)合地方要求，盾構(gòu)區(qū)間的水平及豎向位移需小于10mm，變形控制要求較高。并由于場地范圍表層雜填土較厚，約12m，采用倒掛井壁法無法有效控制自身與既有盾構(gòu)區(qū)間的變形。因此，通過綜合比較，采用鉆孔樁+環(huán)梁的方案。

3 豎井采用鉆孔樁+環(huán)梁支護(hù)方案對既有盾構(gòu)區(qū)間的變形影響分析

3.1 計(jì)算模型

為了驗(yàn)證基坑開挖采用鉆孔樁+環(huán)梁支護(hù)對既有線盾構(gòu)區(qū)間的變形影響，根據(jù)施工豎井與19 號線盾構(gòu)區(qū)間的位置關(guān)系，采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析。模擬區(qū)域長度取為110m，寬度取為110m，深度取90m。

在整個(gè)計(jì)算模型范圍內(nèi)，地質(zhì)資料反應(yīng)地質(zhì)情況非常復(fù)雜，多個(gè)地層分界線為曲線，考慮到建模的難度和在用數(shù)值模擬計(jì)算過程中，土層分界過多會影響計(jì)算結(jié)果的分析。因此，在模擬的過程中，對土層的分布情況做了一些簡化。簡化后的土層能合理反映模型中地層的分布情況。

模型土層厚度：雜填土12m、全風(fēng)化泥巖2m、強(qiáng)風(fēng)化泥巖3m、中風(fēng)化泥巖71m。

采用Midas GTS 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)假定地層為連續(xù)介質(zhì)，采用六面體模擬實(shí)體單元；圍護(hù)樁可根據(jù)剛度等效原則等效成連續(xù)墻，采用C35 鋼筋混凝土，采用板單元建模；環(huán)梁采用C35 鋼筋混凝土，采用梁單元建模；19號線盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，采用板單元建模。

巖（土）層在開挖過程中考慮其塑性變形，破壞準(zhǔn)則采用修正摩爾庫倫彈塑性準(zhǔn)則，而地鐵區(qū)間與圍護(hù)樁及環(huán)梁僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

3.2 計(jì)算工況

模型計(jì)算荷載主要包括：自重、土壓力、水壓力、超載（20kPa）。

按照基坑與既有地鐵結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系，設(shè)計(jì)施工工序，計(jì)算考慮了如下9步工序：

（1）地層及既有地鐵模型建立及計(jì)算（初始工況）；

（2）樁頂?shù)谝粚臃牌麻_挖；

（3）基坑支護(hù)樁及冠梁施工；

（4）開挖至第一道環(huán)梁下方0.5m，并施工第一道環(huán)梁；

（6）開挖至第三道環(huán)梁下方0.5m，并施工第三道環(huán)梁；

（7）開挖至第四道環(huán)梁下方0.5m，并施工第四道環(huán)梁；

（8）開挖至第五道環(huán)梁下方0.5m，并施工第五道環(huán)梁；

（9）開挖至第六道環(huán)梁下方0.5m，并施工第六道環(huán)梁（開挖至坑底）。

以上工況僅考慮施工全過程中最不利的幾個(gè)階段，計(jì)算重點(diǎn)分析基坑開挖過程對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 計(jì)算結(jié)果

開挖第七層土?xí)r，已開挖至坑底，此次變形最大，其中豎向位移大于水平位移，如圖2所示。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可知，因?yàn)榧扔芯€盾構(gòu)區(qū)間敷設(shè)范圍均為中風(fēng)化泥（砂）巖，力學(xué)性質(zhì)良好，由基坑開挖引起變形值較小，引起既有盾構(gòu)區(qū)間的最大位移為1.8mm（豎向位移），滿足既有線結(jié)構(gòu)變形量滿足10mm控制要求。

4 豎井采用鉆孔樁+環(huán)梁支護(hù)方案開挖時(shí)控制既有線變形的措施

當(dāng)施工豎井緊臨既有盾構(gòu)區(qū)間時(shí)，其開挖行為可能會對既有線產(chǎn)生不利影響，包括結(jié)構(gòu)變形和破壞等。為了有效控制這些變形，可以采取以下一些關(guān)鍵措施。

（1）開展施工管理和監(jiān)測。管理和監(jiān)測是控制變形的關(guān)鍵。需要建立完善的監(jiān)測計(jì)劃和制度，包括對既有線和新建施工豎井的連續(xù)監(jiān)測。通過對既有線的位移、應(yīng)力和地下水等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整施工方案，以降低對既有線的影響。

（2）優(yōu)選支護(hù)方式。采用合適的施工方法也是控制變形的重要方式。上文已經(jīng)證明了鉆孔樁+環(huán)梁法是一種有效的支護(hù)方式。相比于其他支護(hù)方式，它具有更大的剛度，能夠更為有效地控制變形。

（3）合理控制開挖速度?？刂崎_挖速度也是控制變形的有效手段。過快的開挖速度可能會導(dǎo)致地層產(chǎn)生過大的變形，從而影響既有線的形變。因此，需要根據(jù)地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，合理控制開挖速度。

（4）優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響豎井的穩(wěn)定性和既有線的變形?？梢酝ㄟ^優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如根據(jù)地質(zhì)特性增加樁的嵌固深度、加密圍護(hù)樁的間距、增大環(huán)梁的尺寸、加強(qiáng)圍護(hù)樁與面層鋼筋網(wǎng)的連接等，增加整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，減小變形。

（5）適時(shí)采取應(yīng)急措施。在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)定值時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，如加強(qiáng)支護(hù)、調(diào)整開挖順序、必要時(shí)進(jìn)行填土等。

總的來說，控制豎井開挖對既有線的影響，需要綜合運(yùn)用各種技術(shù)和管理手段，實(shí)現(xiàn)對豎井施工的精細(xì)化和智能化管理，確保施工的安全和高效。

5 結(jié)束語

本文以成都市某地鐵牽出線礦山法區(qū)間施工豎井作為研究背景，對緊鄰既有盾構(gòu)區(qū)間的施工豎井支護(hù)方案進(jìn)行了深入的分析和研究。倒掛井壁法雖然常見且造價(jià)節(jié)約，但由于其工序繁瑣，施工周期長，結(jié)構(gòu)本身剛度弱，對控制變形不利；而鉆孔樁+環(huán)梁方案雖然其整體造價(jià)稍高，但施工周期短，剛度大，能有效地控制變形。本文采用的三維數(shù)值計(jì)算表明：鉆孔樁+環(huán)梁方案能有效地控制變形，滿足了既有線結(jié)構(gòu)變形量小于10mm 的要求。筆者提出了一系列有效的開挖變形控制措施，包括開展施工管理和監(jiān)測，優(yōu)選支護(hù)方式，合理控制開挖速度，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及適時(shí)采取應(yīng)急措施。本研究可為類似工程提供參考和借鑒。