地铁隧道明挖施工基坑支护稳定性研究

2023-10-20李志贝

运输经理世界 2023年19期

李志贝

（中建八局第三建设有限公司，江苏南京 210046）

0 引言

目前，在地铁隧道施工中，虽然有多种施工方式可供选择，但出于经济和安全等方面的考虑，仍然多采用明挖法进行施工。这种方法一般适用于场地平坦或近似平坦的施工条件。为确保基坑支护的稳定性，相关人员需要利用计算机对隧道基坑和围护结构进行力学模拟研究，研究明挖施工对基坑结构的影响，并作出精确的预测，以便为地铁隧道明挖施工基坑支护的稳定性提供科学依据。

1 地铁隧道明挖施工概念

在地铁隧道开挖方面，有多种方法可供选择，但考虑到工程的经济成本和安全性，大多采用明挖法。明挖法是指自上而下地挖掘土石，直到达到规范要求，然后由下而上依次进行施工，最终将土石方全部回填到基坑内，并将地表恢复成平坦状态。但是，这种方法一般只适用于施工附近没有建筑物的情况。而地铁建设一般都在城市中心地带。而城市中心地带一般建筑物众多，道路纵横，地下设施繁多，使得明挖施工难度较大。为解决这一问题，国内外许多学者进行了深入研究，并通过试验数据和模拟计算，提出解决方案[1]。

2 地铁隧道基坑支护技术

2.1 钢板桩支护施工技术

钢板桩的型式有多种，包括Z 型钢板桩、U 型钢板桩、H 型钢板桩等，具体应根据地基的施工条件选择合适的钢板桩型式。但钢板桩支护技术在地铁隧道施工中的应用存在局限性，更适合8m 以下的基坑。地铁隧道施工中所用的钢板由热轧型轻钢制造，其生产工艺相对简便。进行钢板连接时，可将部分单独的钢板墙体作为支护，起到挡水挡土的基础功能。目前，在国内地铁隧道工程项目中，尤其是在软土区域，钢板桩在深基坑支护施工中得到了广泛应用。不过在地铁隧道工程施工过程中，由于会受地下水的影响，相关工作人员需要做好防渗处理工作，以确保钢板桩支护不受水侵蚀。

2.2 排桩支护技术

排桩支护技术要求在地铁隧道施工时，先在支护部位钻出排列的孔，然后在各孔内进行钢筋混凝土灌注施工。钢筋混凝土桩的支撑是保证排桩支护技术发挥作用的基础。排桩支护技术的钻孔位置可分为“疏散型布置”和“紧凑型布置”两种，其差别在于井眼间距不同。支撑强度高的排桩布置形式为柱列式。

在钻孔作业中，机械钻孔可以大幅度地提高工作效率和质量，但不宜使用大的机器，以免对钻孔周边的结构造成巨大的压力，增加土壤松散的危险，影响排桩施工质量。此外，为防止地下水渗入破坏支护稳定性，可采用桩端后高压注浆技术，以提高桩的承载力。

2.3 土钉墙支护技术

土钉墙支护施工一般要采用喷射混凝土工艺，主要包括清理主筋、绑扎钢筋、主筋、锁紧筋、调配混凝土材料、喷射混凝土、保护混凝土表面等步骤。

具体流程如下：按照设计规范，分层、分段进行开挖施工，并尽可能保证随时进行开挖、支护和喷射混凝土。但需要注意，混凝土喷入上部施工区域前不得对下部混凝土进行开挖。并且，采用机械设备挖掘时，严禁在边墙部位出现超掘现象，以防止边墙土体松动。为了保证边坡不会出现崩塌现象，相关人员还需要采取有效措施防止滑坡。例如，在修补好的墙体上及时进行砂浆和混凝土喷射，在砂浆和混凝土喷射凝固后进行钻孔，再喷淋混凝土面层，根据开挖面的情况合理布置钢筋和钢管，并进行注浆，以达到加固目的，最后安装土钉。对于已开挖的岩体，应在基坑内建造一座小型坡道，待钻孔完毕，放置土钉并进行清理。

3 地铁隧道明挖施工基坑稳定性研究

3.1 模型建立

该工程应用Mob-Coulomb 模型，其中钢支撑采用梁构件单元模拟、桩采用桩构件单元模拟。三维模型的对应长度、宽度、深度参数设置为45m、96m、50m，其他情况不作考虑。根据基础数据模型，开挖、支护按下列步骤进行：将土坑分别开挖至3m、8m、12m 和15m，并分别在2m、7m 和13m 的位置设置第1 层钢支撑、第2 层钢支撑和第3 层钢支撑。

研究结果显示：在试验坑周围地表存在着一定的沉降变化，而且沉降度表现由近及远呈递减趋势，最大沉降度没有发生在试验坑周围外延。支护桩位置的侧向位移表现为中间部分大，上、下部分小，总体上表现为一种抛物线形状。基坑开挖施工后因降低基坑内的垂直荷载，使其产生了两侧较低、中部较高的轻微回弹凸起现象。在此次试验中，由于基坑开挖持续地卸荷，使得基坑底部在首次开挖后出现凸起，围护桩存在基坑朝内侧水平移动问题，且有一个向内的抛物线形态。

3.2 不同嵌固深度桩与不同直径桩的支护稳定性分析

如果围护桩的嵌固深度增加，将导致基坑稳定性和位移发生显著变化。控制变量只改变桩嵌固深度，深度为3m、4m、5m、6m、7m，桩高为嵌固深度加15m。由图1 可知，支护桩本身的水平位移是随桩长的增大而减小的，而且桩长在18～20m 之间改变时，其减小的速率较快，且受桩长的影响最大，而当桩长＞20m时，其水平位移速度减小较慢，受桩长的影响较弱。所以，仅通过增大桩的长度来改善基坑的稳定性是不够的。在尝试将桩长从18m 提高到20m 时，其沉降量迅速降低，而将桩长持续提高到22m 时，其沉降量没有显著变化。试验中随着桩径长从20m 增加至22m，桩身水平位移距离会逐渐变小，其对降低桩位移的作用逐渐减弱。但随着桩长的增大，可以清楚地看见土坑周围的地表沉降在逐渐减小，如图2 所示，最大沉降值从10mm 降低到4.5mm，影响范围在14m 之内。由上述数据资料及图例可知，在进行工程建设时必须确保基坑的安全性与稳定性，而不能单纯地依赖于增大桩长来增强基坑稳定性，以及降低开挖基坑对周边地面的沉降影响。

图1 不同嵌固深度桩自身水平位移距离影响

图2 不同嵌固深度围桩对地表沉降影响

3.3 不同直径桩的围护效果分析

试验中设置支护桩的长度参数为20m、间距为1.5m、嵌固深度为5m，随后展开模拟试验。首先，确保各模拟试验按照合理的开挖顺序进行，并确保支柱的结构与参数恒定不会改变。其次，在试验中，单独改变桩直径，以检测其对基坑稳固性的影响。以600mm 直径桩为例，试验结果表明桩顶位移约为5mm，桩身最大位移为18mm，围护桩也发生了改变，其底部位移达到14mm，试验中出现明显的“踢脚”现象。最后，将桩径增加到1000mm 后，桩顶的位移值减小到3.6mm，桩身自身的位移值也不大，仅为13.8mm，支护桩底的位移值在10mm 左右。

从上述数据可以看出，单纯改变桩径对围护桩的影响是非常明显的，随着桩径的增大，桩自身位移距离也会相应地减小，同时周边地面的下降也尤为显著。试验中将桩径由600mm 增大到1000mm，结果表明桩身的影响因子都在12m 以内，地面沉降呈现出抛物线形状。

通过该试验可得出以下结论：最大沉降量随桩径的增大而降低，影响范围逐渐缩小，且改变很快。可见随着桩径的增大，地面沉降的幅度有所减缓，继而在今后的建设中，不仅要兼顾安全性和稳定性，而且要兼顾项目的经济性。

3.4 数值模拟结果和实测结果对比分析

经过对综合实测与模拟试验的分析，得出以下结论：二者之间没有显著的差别。具体表现为：实测时，桩身底部位移为0mm，桩身顶部位移为8mm，而在模拟试验中，桩身底部位移为5mm，桩身顶部位移为4mm，两者均以距离桩尖10mm 为最大值。结果表明，各参数之间没有显著的差异，两种方法都能反映其对桩身变形的影响。此外，对该工程基坑周围地表沉降的影响进行分析，发现实测数值和模拟试验所得数值结果基本一致。

4 地铁隧道明挖施工确保基坑支护稳定的要点

4.1 加强对施工周边环境勘察，做好设计工作

在地铁隧道基坑支护施工中，支护的设计方法与周围的地质条件密切相关[2]。如果施工区域的管道出现断裂，会导致土壤松软，从而影响地基的稳定性。因此，相关施工人员需要提前对地铁施工现场场地周边环境进行考察，包括已有建筑物、道路、地下构筑物与地下市政工程，以及开挖过程中降雨对周边的影响，以便及时作出相应的安全风险防范。

同时，在施工过程中，需要做好作业安排，加强对气象、气候信息资料的搜集，合理安排施工作业，以降低灾害的发生率。在进行基坑开挖之前，还应认真地分析和研究勘测场地的地质情况，并充分考虑周围的复杂地形条件，在开工前制定好相应的对策，排除可能出现的不利影响和干扰。

4.2 强化基坑风险评估

确定了基坑施工方案后，要对其进行施工安全评估、可行性评估，并对其进行全面的分析，根据土体强度、施工设备等进行评估，确保能够达到相关安全规范要求。

进行安全风险评估时，需要对以下方面进行评估和预测：如果设计方案不能满足实际工程，则需进一步提高或缩小以前的基坑面积；对邻近建筑物和公用设施造成的损害进行评估；在发生突发性自然灾害时，对基坑的变形和破坏进行评估。

控制基坑变形，必须满足下述标准：一是基坑发生地表塌陷时，应避免对邻近建筑物的使用造成不利的影响；二是进行基坑侧墙和地表变形预测时，必须考虑到基坑的安全级别，并根据特定的限制条件开展工作。

4.3 强化施工监测

在地铁隧道明挖基坑支护施工过程中，大部分支护结构是临时性的，而且在工程建设进程中，各种结构的性能会逐步降低，一旦支撑能力达不到标准要求，会造成各种安全隐患。为此，工程监理必须做好日常施工监测工作，全面、动态地对各种施工技术指标和工程性能进行动态评估，避免出现潜在的问题。另外，为了提高地铁隧道工程建设管理工作质量，应采取多种方法加强管理，提高管理人员的工作能力，如举办交流培训会，并要求所有管理人员都参与其中，以保证后续工程管理工作得以高质量开展。