董治國(guó)

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100100)

0 前 言

從數(shù)據(jù)與理論計(jì)算出發(fā)，充分考慮了基坑與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，對(duì)二者仿真模擬，探尋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，給出科學(xué)的預(yù)測(cè)與分析報(bào)告，為地鐵隧道的施工提供指導(dǎo)[1]。在本文中，則覆蓋至隧道施工類(lèi)型、工藝方法等多個(gè)層面，以期給類(lèi)似地鐵隧道工程提供參考。

1 工程概況

解放路隧道里程為CJDK180+400～CJDK183+250，兩端連接塘沽站與于家堡站。隧道為單洞雙線形式，基于明挖法施工作業(yè)，可切實(shí)保護(hù)周邊環(huán)境。明挖法施工段總長(zhǎng)601.5 m，結(jié)構(gòu)以拱形及矩形斷面為主；隧道中間區(qū)段基于盾構(gòu)法施工，總長(zhǎng)度2 248.5 m，均為圓形斷面。

2 隧道基坑土方開(kāi)挖

從端頭處開(kāi)始施工作業(yè)，為之適配長(zhǎng)臂挖掘機(jī)與1.0 m3挖掘機(jī)各1臺(tái)，二者通過(guò)協(xié)同作業(yè)的方式逐步向另一端倒退式倒土。具體操作方式為：長(zhǎng)臂挖掘機(jī)就位于基坑頂部，主要完成第1、2層支撐的開(kāi)挖作業(yè)，且為1.0 m3挖掘機(jī)提供輔助，倒運(yùn)該設(shè)備產(chǎn)生的土方；為滿足第3層支撐的開(kāi)挖作業(yè)需求，1.0 m3挖掘機(jī)需在第2層支撐地面處?；咨戏?0 cm的土方，可通過(guò)人工開(kāi)挖的方式處理。

基于既定程序展開(kāi)土方的開(kāi)挖作業(yè)，需做到“分層、分段、分塊”，為各層支撐之間增設(shè)穩(wěn)定的施工平臺(tái)，各自預(yù)留2～4根支撐寬度，確保施工過(guò)程中的排水效率，同時(shí)在平臺(tái)處增設(shè)3%排水坡。以開(kāi)挖原則為基本指導(dǎo)，做好機(jī)械配套、參數(shù)控制等多項(xiàng)工作，控制好上層土方縱向開(kāi)挖長(zhǎng)度，在與縱坡度要求相符后，方可進(jìn)入到下層土方的開(kāi)挖作業(yè)中。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

基于明挖隧道的基本特點(diǎn)，采用了兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具體有。

1)鉆孔灌注樁+雙排攪拌樁+鋼支撐：CJDK180+400～CJDK180+635、CJDK180+477、CJDK180+608、CJDK180+655、CJDK180+705、CJDK180+745、CJDK180+800處均采取臨時(shí)封堵措施。

2)地下連續(xù)墻+鋼支撐：具體為CJDK180+635～CJDK180+981.5以及CJDK183+228～CJDK183+251。

4 地鐵隧道明挖法施工基坑穩(wěn)定性

4.1 模型建立

創(chuàng)建Mohr-Coulomb模型，具體規(guī)格為長(zhǎng)24 m、寬34 m、深28 m，基于工程需求，開(kāi)挖深度設(shè)置為15 m。模型的創(chuàng)建主要考慮如下四部分內(nèi)容。

1)基坑開(kāi)挖-3.0 m，需處理-2.0 m處，在該區(qū)域增設(shè)1層鋼支撐。

2)持續(xù)施工并達(dá)到-0.8 m，需定位到-0.7 m處，為之增設(shè)鋼支撐。

3)進(jìn)一步開(kāi)挖至-13.0 m，需定位到-12.0 m處，為之增設(shè)鋼支撐。

4)最后開(kāi)挖至-19.6 m處，結(jié)束整個(gè)開(kāi)挖作業(yè)。

關(guān)于本工程的具體模型，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格

分析模擬結(jié)果：基坑周邊存在沉降現(xiàn)象，且各自的程度不同，以進(jìn)出口的變形現(xiàn)象最為明顯?；趯?duì)圍護(hù)樁的分析得知，其出現(xiàn)了一定程度的水平變形現(xiàn)象，表現(xiàn)出向基坑內(nèi)側(cè)傾斜的特點(diǎn)。在基坑開(kāi)挖作業(yè)中，伴隨持續(xù)性卸載的過(guò)程，因此，完成首次開(kāi)挖作業(yè)后將直接影響到坑底，使其出現(xiàn)回彈，集中于中間區(qū)域，兩側(cè)相對(duì)微弱。

4.2 各嵌固深度與不同樁直徑的支護(hù)穩(wěn)定性

圍護(hù)樁嵌固深度是重要的工藝參數(shù)，將直接影響到基坑穩(wěn)定性，在其他參數(shù)穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)調(diào)節(jié)嵌固深度，從而探討對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響機(jī)制。此處給出了五類(lèi)樁長(zhǎng)，分析其水平位移情況，具體如圖2所示。

由上述內(nèi)容得知：在樁長(zhǎng)逐步延長(zhǎng)之下，樁身處表現(xiàn)出的水平位移現(xiàn)象更為明顯。以20～22 m這一區(qū)間的樁長(zhǎng)較為特殊，盡管樁身出現(xiàn)了水平位移現(xiàn)象，但變動(dòng)幅度相對(duì)較小，總體上樁身變形得到控制。

因此，在樁身長(zhǎng)度持續(xù)加大之下，盡管基坑周邊出現(xiàn)了一定程度的地表沉降，但總體上得到控制。若從最大沉降的角度來(lái)看，則從0下降至4.5 mm，產(chǎn)生的影響范圍在14 mm內(nèi)。而在樁長(zhǎng)度持續(xù)加大之下，從18 m延展至20 m時(shí)，表現(xiàn)出的沉降將呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；此時(shí)若持續(xù)加大樁長(zhǎng)，當(dāng)延長(zhǎng)至22 m時(shí)，變動(dòng)幅度極為微弱。

圖2 不同嵌固深度樁自身的水平位移對(duì)比

4.3 不同直徑樁的圍護(hù)效果

模擬分析中，樁長(zhǎng)均為20 m(其嵌入深度5 m)，各自間距均保持在1.5 m，具體的開(kāi)挖順序與結(jié)構(gòu)參數(shù)都不做任何變動(dòng)，僅適當(dāng)調(diào)節(jié)樁徑，從而分析不同樁徑下對(duì)應(yīng)的基坑穩(wěn)定性情況，此處的樁徑類(lèi)別有三種，即600、800、1 000 mm。

基于對(duì)比分析得知，在樁徑變化的大環(huán)境下，圍護(hù)樁水平位移隨之改變，同時(shí)地表沉降也不盡相同。若樁徑為600 mm，得知樁頂位移5.0 mm，但相比之下樁身位移則上升到了18 mm。關(guān)于圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的基本狀況，在基坑底部的位移達(dá)到了14 mm，從而表明基坑底部出現(xiàn)了“踢腳”現(xiàn)象。受到樁徑逐步增加的影響，當(dāng)其達(dá)到1 000 mm時(shí)，原本較為明顯的樁頂位移現(xiàn)象得到控制，下降至3.6 mm，此時(shí)樁身位移為13.8 mm，總體上均有所下降，且在圍護(hù)樁基坑底部依然如此，其出現(xiàn)的移動(dòng)量為0。因此，基于擴(kuò)大樁徑的方式，有助于緩解樁身水平位移過(guò)大的問(wèn)題。

在樁徑持續(xù)加大之下，當(dāng)達(dá)到1 000 mm時(shí)，雖有微弱沉降但總體上較為穩(wěn)定，基于對(duì)地表沉降曲線的分析得知，其呈現(xiàn)出明顯的拋物線線型，可將影響范圍縮小至12 mm內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。而在樁徑持續(xù)加大之下，沉降逐步趨于穩(wěn)定，從而表明增加樁徑具有可行性。當(dāng)然，在圍護(hù)樁設(shè)計(jì)工作中，除了考慮到基坑穩(wěn)定性外，還要注重經(jīng)濟(jì)效益。

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

綜合考慮樁身水平位移與施工周邊區(qū)域的地表沉降，得知二者呈現(xiàn)出的圖像均呈拋物線型，表明在樁頂與樁腳處雖然存在變形現(xiàn)象但得到控制。實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)，樁腳處的值約為0，而分析模擬結(jié)果得知該值為5 mm；此外，樁頂實(shí)測(cè)值8 mm，模擬結(jié)果為4 mm；相比之下，樁身的實(shí)測(cè)值與模擬值之間并無(wú)過(guò)大差異。總體上，模擬結(jié)果可以在一定程度上代表實(shí)測(cè)結(jié)果，二者具有高度相似性。

5 增強(qiáng)基坑支護(hù)穩(wěn)定性的建議

土方開(kāi)挖過(guò)程中，每設(shè)置一道支撐，均要隨即測(cè)量，確定支撐兩側(cè)與圍護(hù)樁之間存在的接觸點(diǎn)，從而提升支撐與墻面垂直度，為后續(xù)安裝作業(yè)提供良好條件[2]。受預(yù)應(yīng)力施加的影響，支撐結(jié)構(gòu)的使用狀況易出現(xiàn)變化，難以與擋土結(jié)構(gòu)接觸，對(duì)此需要對(duì)鉆孔樁鑿毛，隨后及時(shí)涂抹快速早強(qiáng)砂漿層。

關(guān)乎陰陽(yáng)角的開(kāi)挖作業(yè)，需合理控制作業(yè)時(shí)間，在受力支撐架設(shè)結(jié)束且具有足夠穩(wěn)定性后方可開(kāi)挖。

創(chuàng)設(shè)安全施工環(huán)境的關(guān)鍵在于做好監(jiān)控量測(cè)工作，通過(guò)此方式在第一時(shí)間獲取信息，合理調(diào)節(jié)開(kāi)挖與支護(hù)參數(shù)，提升施工方案與工程的相適性，同時(shí)也可為后續(xù)環(huán)節(jié)的施工提供指導(dǎo)?；诖耍竟こ虈@地表沉降、位移等多項(xiàng)指標(biāo)采取有效的觀測(cè)手段，覆蓋至鉆孔施工至回填結(jié)束全過(guò)程。

1)地表位移監(jiān)測(cè)。主要將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在基坑邊坡與樁體兩個(gè)區(qū)域，總數(shù)量達(dá)到33個(gè)。由于觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，可獲得各階段豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)，更為全面地呈現(xiàn)出地表與樁體的位移情況。

2)樁體傾斜位移監(jiān)測(cè)。受基坑開(kāi)挖作業(yè)的影響，樁體背側(cè)將承受較大的土壓力，在其作用下使得基坑出現(xiàn)水平位移現(xiàn)象?；趯?duì)樁體水平位移的分析，總結(jié)出了如下幾大特點(diǎn)：①伴隨開(kāi)挖深度的持續(xù)加大，對(duì)應(yīng)的樁體水平位移也表現(xiàn)出明顯提升的趨勢(shì)，且在樁頂處最為明顯；②結(jié)束基坑開(kāi)挖作業(yè)且封底后，各樁體雖有微弱位移，但總體上得到控制。測(cè)孔所得數(shù)據(jù)表明，最大位移達(dá)到43 mm，相較于開(kāi)挖深度11 m而言，實(shí)際占比約為0.39%，并確定出樁體水平位移與開(kāi)挖深度的比值，相較之下前者明顯更小。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文立足于實(shí)際工程項(xiàng)目，基于模型分析的方法，探尋在圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)所表現(xiàn)出的基坑變形現(xiàn)象，進(jìn)一步總結(jié)開(kāi)挖深度與支撐工藝兩項(xiàng)因素對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響機(jī)制，可為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，提升地鐵隧道明挖法的適應(yīng)性，確保工程整體質(zhì)量。

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