深基坑支護(hù)技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用

蔡永元，董建忠，謝銘祥

（浙江省建投交通基礎(chǔ)建設(shè)集團有限公司，浙江 杭州 310012）

引言

在交通上，加強對地下空間的利用成為了城市發(fā)展的主要方向之一，一方面，其可以有效地解決交通堵塞問題，另一方面，其也可以在一定程度上緩解土地資源緊張帶來的開發(fā)問題。在此背景下，以地鐵為核心的大型地下建筑不斷涌現(xiàn)，相關(guān)深基坑工程施工規(guī)模不斷增加[1-3]。但是值得注意的是，深基坑施工安全是實際施工中極為重要的環(huán)節(jié)，雖然在深基坑工程的實踐積累中，相關(guān)工程理論與技術(shù)都實現(xiàn)了新的突破，相關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員對深基坑工程的研究也呈現(xiàn)出精細(xì)化，多元化的特點[4]。但是受實際施工環(huán)境的影響，深基坑仍需要可靠的支護(hù)技術(shù)作為支撐[5]。一般情況下，基坑區(qū)域的軟土構(gòu)成、地下水以及地表水是影響深基坑穩(wěn)定性的客觀因素，而支護(hù)技術(shù)的合理性和可靠性是影響深基坑穩(wěn)定性的主觀因素[6]。因此，對深基坑支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深化研究是十分必要的[7]。為此，本研究提出深基坑支護(hù)技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用研究，并通過在實際工程中進(jìn)行應(yīng)用測試分析驗證了其作用效果。借助本文的研究，希望可以為降低深基坑工程安全事故發(fā)生的概率提供幫助，在不增加施工造價的基礎(chǔ)上，保障施工按照工期順利竣工。

1 地鐵隧道深基坑支護(hù)技術(shù)

1.1 地鐵隧道深基坑穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行支護(hù)施工前，首先需要對施工情況的地質(zhì)構(gòu)成以及周圍的環(huán)境因素進(jìn)行勘察，或直接根據(jù)已有的地勘報告對土質(zhì)的特征進(jìn)行分析，將其作為支護(hù)方案設(shè)計的基礎(chǔ)，對應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的參數(shù)也是根據(jù)其進(jìn)行設(shè)置的。一般情況下，深基坑各個工況都是按照自上而下分層開挖進(jìn)行施工的，對應(yīng)的穩(wěn)定性也存在差異，這就意味著其所需的支護(hù)力度也不同[8-10]。針對該問題，本文在進(jìn)行支護(hù)施工前，結(jié)合深基坑的土質(zhì)條件與施工水平，計算了地鐵隧道深基坑的穩(wěn)定性，其可以表示為

式中，B 表示地鐵隧道深基坑的穩(wěn)定性系數(shù)，P1表示深基坑地面均布荷載強度，P2表示深基坑自體的重量帶來的荷載強度，d1表示基坑底面到隆起計算平面之間土層厚度，d2表示地表到隆起計算平面之間土層厚度，a1表示基坑底面到隆起計算平面之間土層重度系數(shù)，a2表示地表到隆起計算平面之間土層重度系數(shù)，h 表示開挖深度。

按照式（1）所示的方式，計算得到地鐵隧道深基坑的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)合該值，本研究按照安全系數(shù)不小于1.6 的標(biāo)準(zhǔn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載能力進(jìn)行設(shè)計。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

在確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載能力設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，本文分別從支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料強度、主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)的直徑和長度、主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)之間的間距幾個方面對地鐵隧道深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置?？紤]到降低施工階段的材料消耗以及施工作業(yè)的方便性，本文對主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)之間的水平與豎向間距、以及長度及其直徑的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為

式中，r 表示主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)的半徑，l 表示主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)在深基坑表面的埋深，dx表示主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)之間的水平間距，dy表示主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)之間的豎向間距。需要注意的是，由于地表降水或地下水的作用，深基坑的具體參數(shù)信息可能會出現(xiàn)一定程度的變化，因此，在計算階段需要施工區(qū)域的實際水環(huán)境參數(shù)為準(zhǔn)，確保設(shè)計結(jié)果的可靠性。通過這樣的方式，完成對支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置。

1.3 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

在施工階段，本文首先依靠錨固體與土體之間的摩擦力，將預(yù)應(yīng)力錨桿斜向固定在地鐵隧道深基坑土層中，此時的成孔大小為主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)直徑的1.2 倍。需要注意的是，基坑在預(yù)應(yīng)力錨桿的影響下，受力狀態(tài)會發(fā)生改變，為此，本研究將拉桿與錨固體的握裹力作為減小了基坑坑壁位移的核心作用力，對應(yīng)錨桿強度的可以通過支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載實現(xiàn)對其的分解。通過這樣的方式維護(hù)結(jié)構(gòu)物整體的穩(wěn)定性。其次就是混凝土灌注樁結(jié)構(gòu)的使用，本文采用鉆孔灌注樁的方式實現(xiàn)該部分的施工，預(yù)應(yīng)力錨桿與之形成組合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。在受力過程中，預(yù)應(yīng)力錨桿作為傳導(dǎo)組織，將拉力傳遞給基坑深部穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。通過這樣的方式，錨桿與錨固深層土體之間形成相互作用關(guān)系，對錨桿施加的預(yù)應(yīng)力都將通過滑動面轉(zhuǎn)化為對地鐵隧道深基坑不穩(wěn)定區(qū)土體的加固作用。

需要注意的是，錨固體和土體之間的摩擦力會對錨桿產(chǎn)生一定的張拉預(yù)應(yīng)力，影響其穩(wěn)定性。針對該問題，本文設(shè)置了包含錨頭、自由段以及錨固段的預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)，其中，錨桿的拉力可以通過錨頭鎖定，借助自由段，將該部分作用力傳遞到錨固區(qū)域，最終由錨固段將拉力傳遞到更穩(wěn)定深層土層中，由此實現(xiàn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維護(hù)。

1.4 深基坑穩(wěn)定性監(jiān)測

除了施工階段的控制外，需要注意的是，監(jiān)測階段的監(jiān)測周期也是影響最終支護(hù)結(jié)構(gòu)作用效果的重要因素之一，為此，本文對監(jiān)測周期的設(shè)置進(jìn)行研究。

考慮到深基坑邊坡施工本身是一個相對動態(tài)的過程，并且存在深基坑邊坡穩(wěn)定性隨著施工進(jìn)程的推進(jìn)，風(fēng)險不斷增加的特點。因此本文設(shè)計在實施監(jiān)測技術(shù)時，結(jié)合邊坡的施工流程，進(jìn)行科學(xué)化檢測。首先要獲取施工區(qū)域的原始地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，在未開工前，針對1.1 部分設(shè)置的穩(wěn)定性計算指標(biāo)，進(jìn)行兩次監(jiān)測。將該數(shù)據(jù)作為評價深基坑邊坡穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。之后按照施工進(jìn)程，定期進(jìn)行監(jiān)測，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

按照表1 所示的方式實施對應(yīng)深基坑施工邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)異常參數(shù)后，及時實施合理的加固措施，以此確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表1 深基坑邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測周期/天/次

2 應(yīng)用測試分析

將本研究提出的深基坑支護(hù)技術(shù)應(yīng)用在某地鐵隧道的施工過程中，測試其支護(hù)效果。

2.1 工程概況

施工段的開挖深度為8.50 m，其中，明挖部位為出站口和站場護(hù)坡連接區(qū)域。對應(yīng)深基坑開挖邊線與出站口之間的距離為3.5 m，與運行軌道之間的距離為30.0 m。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合施工的規(guī)模，設(shè)置基坑的開挖面積為3 450.0 m2，施工區(qū)域的周長總計為322.0 m。采用本文設(shè)計的支護(hù)技術(shù)對施工深基坑進(jìn)行處理，其中，主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)的直徑為20.00 cm，長度為1.20 m，相鄰主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)的間距為50.00 cm。施工階段使用的混凝土型號為LC8.0，砂土混合比為5∶3。在此基礎(chǔ)上，共設(shè)置了5 個監(jiān)測點，對應(yīng)編號分別為 JC001，JC002， … ，JC0010，按照設(shè)計的方式對深基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 測試結(jié)果

本研究以支護(hù)樁頂部的水平位移和沉降情況作為分析基礎(chǔ)，對設(shè)計支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果展開討論。在為期30 d 的監(jiān)測過程中，各監(jiān)測點的具體監(jiān)測數(shù)據(jù)信息分別如表2 和表3 所示。

從表2 中可以看出，初始階段（0～5 d）支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化在20.00 mm 左右，在支護(hù)結(jié)構(gòu)搭建后的20 d，支護(hù)樁頂部水平位移變化情況區(qū)域平穩(wěn)，20～30 d 期間，水平位移變化總量均低于1.50 mm。對監(jiān)測階段支護(hù)樁頂部水平位移總量進(jìn)行分析，其均運行在50.00 mm以內(nèi)。監(jiān)測結(jié)果表明本文設(shè)計的深基坑支護(hù)技術(shù)可以有效確保支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平位置上的穩(wěn)定性，為地鐵隧道施工提供安全環(huán)境條件。

表2 支護(hù)樁頂部水平位移監(jiān)測結(jié)果/mm

從表3 中可以看出，本文提出深基坑支護(hù)技術(shù)在10 d 內(nèi)實現(xiàn)了在豎直方向上的穩(wěn)定，其中，單個監(jiān)測周期（5 d）內(nèi)的最大沉降位移僅為5.39 mm，15 d 后單個監(jiān)測周期的沉降位移始終低于0.1 mm，對30 d的支護(hù)樁頂部的沉降位移總量進(jìn)行分析，10 個監(jiān)測點的結(jié)果均低于9.00 mm，表明此時的支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，具有較高的安全性。測試結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步驗證了設(shè)計深基坑支護(hù)技術(shù)在實際過程中的應(yīng)用價值。

表3 支護(hù)樁頂部沉降位移監(jiān)測結(jié)果/mm

3 結(jié)論

深基坑施工在建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，確保其穩(wěn)定性是保障施工安全以及施工質(zhì)量的重要因素。本研究提出深基坑支護(hù)技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用研究，在明確了深基坑支護(hù)需求的基礎(chǔ)上，對具體的支護(hù)施工參數(shù)以及施工方法進(jìn)行詳細(xì)研究，大大降低了工程在水平和豎直方向上的位移，為施工安全提供了可靠保障。

本研究主要是針對深基坑支護(hù)技術(shù)中的設(shè)計階段進(jìn)行的，通過綜合施工區(qū)域的實際情況，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度能夠滿足支護(hù)需求。在之后的研究中，可以進(jìn)一步深化對施工階段的研究，以確保設(shè)計階段的預(yù)期能夠在實際中得到充分體現(xiàn)，提高深基坑施工的安全性。