葉滔

(中鐵七局集團第二工程有限公司 遼寧沈陽 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體系，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工中預支護與初期支護結構，以此保證是施工有效控制施工安全進行，此施工方法因其對地面交通占用小、適合大規(guī)模開挖、結構安全度高等優(yōu)點[2]，在城市地鐵車站施工被廣泛應用。豎井開挖作為暗挖施工的第一施工段，豎井開挖支護直接對整個施工過程有影響，因此對豎井開挖支護進行分析是很有必要的。翁承顯等人[3]基于實際工程，采用模擬分析結合敏感性分析的方法，研究了不同混凝土厚度、錨桿長度，以及間距、橫向支撐等參數(shù)對豎井施工的影響，優(yōu)化了施工，加快了工程進度。張增峰[4]以貴陽車站為工程背景，通過建立三維模型、平面應變模型，對不同圍巖下豎井襯砌施工內力進行了分析，優(yōu)化了豎井支護結構。史寧強等人[5-6]通過相似模型實驗，得到了豎井開挖圍巖壓力與豎井深度的關系，并通過數(shù)值模擬進一步對圍巖壓力分布規(guī)律進行了研究。

本文通過有限元分析，對豎井支護進行分析，以期有效控制豎井開挖沉降。

1 工程概況

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

圖1 車站平面圖

2 施工工藝與變形控制

2.1 施工工藝

在鎖口圈開挖前，先人工挖槽探測地下管線，若有管線可根據(jù)情況及時對管線進行遷改。

為加固豎井鎖扣圈梁下土體的強度，對鎖扣圈下，梁深1.8 m，寬度1.95 m 范圍內進行水泥漿注漿加固。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黏土中。采用人工配合機械開挖至地表以下0.6 m，人工清底0.4 m。開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，并預埋好各種預埋件。

豎井的井體采用人工開挖，并對掘進進行了嚴格的控制。在豎井的中段開挖，然后在井壁上分段開挖。在開挖過程中，按豎井的軸線對稱，分側向分段開挖，用人工將渣土裝入吊斗，通過吊車將其提升到地表的渣土區(qū)。

施工中，要嚴格控制豎井的進尺，并及時進行圍護。在開洞之前，先安裝臨時支撐，然后在開孔時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。豎井開挖完成進尺一榀后，對土面清掃干凈，然后噴上一次混凝土裝上格柵鋼架，再進行小導管施工，最后再進行噴射混凝土。

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

（1）改良工作面前方的土體結構，在開挖面以外形成加固圈。

（2）超前小導管與鋼架、固結的地層共同作用形成超前支護結構，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。

小導管注漿根據(jù)設計施工圖紙要求，在洞內深孔注漿與小導管加固重疊范圍內，小導管作用應視洞內深孔注漿的效果好壞，來決定是否進行補充注漿。在橫通道拱頂120°范圍內設置超前小導管注漿加固。小導管采用DN32×3.25鋼管，L=2 m，每一榀格柵打設一環(huán)，環(huán)向間距0.6 m，水平傾角為16°。注漿漿液根據(jù)設計要求選用1∶1水泥-水玻璃雙液漿，根據(jù)現(xiàn)場情況適當添加固砂劑。

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

通過導管法，在地面上對灌注樁進行澆筑，混凝土材料采用水下C30混凝土。

基坑開挖完畢后，按照一定的順序進行主體結構施工，從上而下，嚴謹錯序。1 號豎井主體結構與3 號豎井主體結構穿插作業(yè)，避免造成各施工作業(yè)隊伍之間存在停工等待作業(yè)面的情況，施工時合理組織加快西端結構施工，按節(jié)點工期要求為盾構接收提供施工場地。

模板支架應選擇安全的、方便的。施工所用的材料通過航吊進行運輸。為了混凝土的質量，采用商品混凝土，通過混凝土管泵送入模，并進行振搗待混凝土強度達到設計規(guī)范強度后再進行模板支架拆除。

2.2 變形控制

豎井圍護結構通過外層鉆孔灌注樁內側采用橫支撐支護形式，在豎井施工期間保證基坑沒有滲漏水。采用直徑1 m間距1.5 m的鉆孔灌注樁，圍護樁長度為4 335 mm，樁間采用100 mm 厚C25 鋼筋網噴混凝土，內支撐第一層內支撐采用600 mm×1 000 mm“混凝土支撐+樁頂冠梁”，基坑4 個角位置最內側角撐采用雙拼I45C工字鋼作為鋼角撐。

3 數(shù)值計算分析

3.1 數(shù)值模型的建立

通過有限元分析軟件Midas GTS NX建立豎井實體模型，豎井模型尺寸在X、Y、Z方向上長度分別為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。豎井采用圍護樁進行圍護。模型如圖3、圖4所示。

圖3 三維模型實體

圖4 三維實體模型

3.2 材料本構模型

根據(jù)鉆探報告，三好街站沿線勘察深度范圍內主要地層分布為雜填土，中粗砂、圓礫、沙礫-1、沙礫-2，根據(jù)勘測報告土體選擇修正摩爾-庫倫本構關系，其他結構屬性材料的結構模型均采用彈性本構關系。各層土體的物理參數(shù)、材料計算取值如表1、表2所示。

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 材料計算取值

4 地表沉降與地層水平位移分析

4.1 地表沉降分析

在車站豎井內側豎直方向每隔一定的距離設置一個監(jiān)測點。對不同施工區(qū)段的豎井進行了監(jiān)測和分析。在不同的施工段對地面沉降量進行監(jiān)測，具體見圖5。圖5曲線描述了豎井的5個斷面處監(jiān)測點的沉降，由圖可知，A1 監(jiān)測點處沉降值最大約為8.4 mm，A3 處沉降值最小約為1.8 mm。在隨著豎井的開挖A1、A4監(jiān)測點隨著豎井開挖深度的增加，沉降曲線由最開始平穩(wěn)到急速下降最后趨于平穩(wěn)，沉降值由開始的3 mm、5 mm 分別增加到5 mm和8.4 mm。A2、A3、A5監(jiān)測點隨著豎井開挖深度的增加，沉降曲線由平穩(wěn)到平緩上升最后趨于平穩(wěn)。在第一段開挖工序時，土體沉降變化不大，隨著施工段的開挖土體沉降開始增加。當豎井開挖深度達到一定深度時，土體損失量增大，土體位移場重新分布，導致基坑底部產生微弱的隆起，使沉降曲線向上增加。由于豎井開挖深度較深，豎井沉降關系到整個車站施工，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

豎井開挖過程中地層水平位移如圖6所示。本工程通過鉆孔灌注樁、鋼支撐支護形式、注射超前小導管、增加混凝土內支撐等方法，使豎井開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 中的曲線是豎井開挖過程中，在豎井地層上選取的5 個監(jiān)測點在各個施工段的地層水平位移值，可以看出在豎井開挖前，地層水平位移值不發(fā)生變化，隨著豎井向下開挖深度的增加，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 號監(jiān)測點處。監(jiān)測點2位置上產生的位移最小約為1.5 mm，3號監(jiān)測點處水平位移值為3 mm，處于2 號與3 號監(jiān)測點水平位移值之間。5 號監(jiān)測點位置大于2 號監(jiān)測點位置產生位移值。

5 結論

豎井是暗挖地鐵車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挖時需要面臨的一項難題。通過有限模擬軟件進行了豎井開挖施工模擬，并做出以下結論。

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

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