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)
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。