鄰近建筑物暗挖地鐵車(chē)站采用洞樁法的技術(shù)探討

摘　要:在介紹洞樁法施工技術(shù)概況的基礎(chǔ)上,采用二維有限元計(jì)算模擬,分析洞樁法各主要階段結(jié)構(gòu)和地層變形過(guò)程。論證鄰近建筑物暗挖地鐵車(chē)站,采用洞樁法施工的安全及穩(wěn)定性較好,能夠有效保護(hù)鄰近建筑物。該工法在當(dāng)前大量建設(shè)地鐵時(shí)期有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:地鐵; 車(chē)站; 洞樁法; 應(yīng)用
　
1 　問(wèn)題的提出地下水位較高,不宜大面積長(zhǎng)期降水的情況下宜采用。
該工法曾在北京地鐵復(fù)八線(xiàn)的天安門(mén)西站、王府井站、隨著我國(guó)地鐵的大規(guī)模建設(shè),地鐵車(chē)站施工技術(shù)東單站的施工中采用,已取得較成功的施工經(jīng)驗(yàn)。北也不斷進(jìn)步,洞樁法就是在傳統(tǒng)淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上京地鐵十號(hào)線(xiàn)國(guó)貿(mào)站地面分布長(zhǎng)安街和三環(huán)路三層立創(chuàng)新地吸收蓋挖法的技術(shù)成果形成的新工法[ 1 ] 。該交、周邊高層建筑林立,又受地下管網(wǎng)的控制較大,致工法適合于地面交通繁忙,地下管線(xiàn)密布,車(chē)站附近有使車(chē)站全長(zhǎng)緊鄰橋梁樁基礎(chǔ),為確保施工期間橋梁樁大型建(構(gòu)) 筑物需要保護(hù)的條件,尤其在車(chē)站所處的基礎(chǔ)的穩(wěn)定,設(shè)計(jì)采用了該工法。本文通過(guò)對(duì)洞樁法施工過(guò)程進(jìn)行二維有限元模擬分析,闡明了鄰近建筑物暗挖地鐵車(chē)站采用洞樁法的技術(shù)優(yōu)勢(shì),并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了初步探討,從而為今后的地鐵設(shè)計(jì)提供借鑒。洞周水平收斂監(jiān)測(cè)基本上同時(shí)進(jìn)行,下沉量較大,最大達(dá)31 mm , 初期變位速率較大,2 周后基本穩(wěn)定。應(yīng)力監(jiān)測(cè)顯示,在R K175 + 590 斷面仰拱處,911 號(hào)壓力盒測(cè)讀數(shù)比其他壓力盒測(cè)讀數(shù)大,應(yīng)力值在30 kPa 左右,其他各測(cè)點(diǎn)壓力值基本相差不大,但都大于計(jì)算值。
2 　洞樁法技術(shù)
(1) 施工要點(diǎn)
首先開(kāi)挖豎井和橫通道(一般利用車(chē)站通風(fēng)井和風(fēng)道),再在橫通道內(nèi)開(kāi)挖平行車(chē)站的小導(dǎo)洞,然后在小導(dǎo)洞內(nèi)施工鉆孔灌注樁,邊樁作為車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)臨時(shí)擋土或車(chē)站邊墻永久結(jié)構(gòu)的一部分,中柱或邊樁共同組成車(chē)站拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)(扣拱) 的支撐體系,以便在拱樁支護(hù)結(jié)構(gòu)下開(kāi)挖車(chē)站主體空間。開(kāi)挖完成后施作車(chē)站梁、板、柱和側(cè)墻等永久結(jié)構(gòu)。
(2) 施工步驟(圖1)

圖1 　暗挖洞樁法施工順序示意
施工總原則是小分塊,快封閉,先修邊墻或中柱, 以盡量減少力的轉(zhuǎn)換和對(duì)圍巖的擾動(dòng)。導(dǎo)洞掘進(jìn)和扣拱施工中應(yīng)遵循“ 管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”及“先撐后挖,及時(shí)支撐”的原則。
第1 步:在車(chē)站上半斷面的無(wú)水地層中,分左、右開(kāi)挖樁柱作業(yè)導(dǎo)洞,從而為施作整體支護(hù)體系的側(cè)壁支撐(樁梁結(jié)構(gòu)) 部分提供必要的施工空間。導(dǎo)洞用小導(dǎo)管注漿加固地層,加格柵噴混凝土支護(hù);
第2 步:在左右導(dǎo)洞內(nèi)施作車(chē)站邊墻護(hù)壁樁,采用特制的鉆機(jī)作業(yè);待樁柱完成后,在邊樁間進(jìn)行帷幕灌漿,分別施作樁、柱帽縱梁,以連接樁、柱頂端,支撐邊孔初期支護(hù);
第3 步:在導(dǎo)洞內(nèi)施作車(chē)站頂部格柵支護(hù)(局部), 在兩個(gè)邊洞中立模回填混凝土,形成扣拱拱腳,開(kāi)挖兩個(gè)導(dǎo)洞之間的土體并施工拱部的初期支護(hù);
第4 步:向下開(kāi)挖,對(duì)邊樁及其間的土體噴射混凝土進(jìn)行支護(hù);開(kāi)挖到中層板高度,設(shè)置第一道橫撐;
第5 步:地面降水,繼續(xù)向下開(kāi)挖,對(duì)邊樁及其間土體噴射混凝土進(jìn)行支護(hù);對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)底板下地層進(jìn)行注漿加固;在底板縱梁上方設(shè)置第二道橫撐;開(kāi)挖到車(chē)站底板高程后,素混凝土鋪底,施工底板防水層;
第6 步:灌筑結(jié)構(gòu)底板、底縱梁混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70 % 后,拆除第二道橫撐,施工站臺(tái)層邊墻防水層和灌筑該部分混凝土;
第7 步:待邊墻混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后,在中縱梁和中板邊跨加掖高程下,設(shè)置橫撐,施工站廳層邊墻、拱部防水層,施工鋼管柱及中板、中縱梁、頂縱梁、邊跨拱部襯砌;
第8 步:拆除中間導(dǎo)洞鋼支撐,開(kāi)挖中跨拱部土層,施工初期支護(hù)和防水層,鑿除中樁樁體、樁頂縱梁和原中間導(dǎo)洞的初期支護(hù)(必要時(shí)鋼管柱頂設(shè)置臨時(shí)橫撐),閉合底板及中板,拆除支撐;
第9 步:施工中跨拱部二次襯砌,使結(jié)構(gòu)閉合,對(duì)施工縫進(jìn)行必要的壓漿處理,施工站臺(tái)板、樓梯及其他附屬工程。
3 　洞樁法施工過(guò)程模擬分析
(1) 基本原理及應(yīng)力變形分析
模擬計(jì)算以國(guó)貿(mào)站為原型,模型為取一定邊界范圍內(nèi)的土體作為分析對(duì)象,采用GeoFBA 有限元計(jì)算分析軟件進(jìn)行平面力學(xué)數(shù)值模擬施工開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌全過(guò)程。由于施工過(guò)程是分步進(jìn)行的,所以計(jì)算過(guò)程采用施工步來(lái)模擬分步施工過(guò)程。
各施工階段的狀態(tài),有限元分析的表達(dá)式為
[ K ] i{Δδ}i = {(Δ Fr} i + {(Δ Fg} i + {(Δ Fp} i 　(i = 1 , L)
式中, L 為施工步數(shù);設(shè)[ K ]0 為巖土體和結(jié)構(gòu)的i
初始剛度矩陣; [ K ]i =[ K ]0 + ∑[Δ K ]λ(i ≥1) 為λ= 1
第i 施工步巖土體和結(jié)構(gòu)總剛度矩陣; [Δ K ]λ為施工過(guò)程中,第λ施工步的巖土體和結(jié)構(gòu)剛度的增量或減量,用以體現(xiàn)巖土體單元的挖除、填筑及結(jié)構(gòu)單元的施作或拆除;{Δ Fr} i 為第i 施工步開(kāi)挖邊界上的釋放荷載的等效結(jié)點(diǎn)力;{Δ Fg} i 為第i 施工步新增自重等的等效結(jié)點(diǎn)力;{Δ Fp} i 為第i 施工步增量荷載的等效結(jié)點(diǎn)力;{Δδ} i 為第i 施工步的結(jié)點(diǎn)位移增量。
對(duì)每個(gè)施工步,增量加載過(guò)程的有限元分析的表達(dá)式為
[ K ]ij{Δδ}ij ={Δ Fr} i ·αij + {Δ Fp} ij + {Δ Fp} ij
(i = 1 , L ;j = 1 , M) 式中, M 為各施工步增量加載的次數(shù); [ K ]ij = [ K ]i -1 +[ΔK ] i
j∑ξ 為第i 施工步中施加第j 增量步ξ= 1 時(shí)的剛度矩陣;αij 為第i 施工步第j 增量步的開(kāi)挖邊界M 釋放荷載系數(shù), 開(kāi)挖邊界荷載完全釋放時(shí)有; ∑αij = j= 1 1 ; { ΔFg} ij 為第i 施工步第j 增量步新增自重等的等效結(jié)點(diǎn)力。
模擬地層區(qū)域的寬度取車(chē)站側(cè)墻外215 倍的車(chē)站寬度,深度為車(chē)站底板下310 倍的車(chē)站高度。土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。
表1 　土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)

為了簡(jiǎn)化分析,計(jì)算時(shí)假設(shè)(1) 計(jì)算邊界處不受隧道開(kāi)挖的影響,即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài),變形為零,用約束來(lái)模擬; (2) 考慮到時(shí)間效應(yīng),開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程中應(yīng)力的釋放率:砂性土開(kāi)挖85 % , 支護(hù)15 % ; 粘性土開(kāi)挖60 % , 支護(hù)40 % ;(3) 土體為均質(zhì)連續(xù)各向同性彈性體,且發(fā)生平面應(yīng)變[ 2 ] 。
經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算,對(duì)各主要施工步驟土體應(yīng)力及變形的分析得出,地層的應(yīng)力集中主要發(fā)生在小導(dǎo)洞開(kāi)挖和初期支護(hù)拱部開(kāi)挖階段;隨著開(kāi)挖由拱部至底板進(jìn)行,邊樁的擋土功能發(fā)揮出來(lái),并且充分發(fā)揮樁、扣拱和橫撐的支撐體系作用,有效控制地層的側(cè)向變形。最初車(chē)站上部土層壓力僅作用于小導(dǎo)洞周邊,待施工完拱部的初期支護(hù)后,上部土壓力轉(zhuǎn)換為由扣拱承載, 此時(shí)邊樁承受部分被動(dòng)土壓力;待開(kāi)挖設(shè)置第一道橫撐后,樁外側(cè)轉(zhuǎn)換為承受側(cè)向主動(dòng)土壓力,隨著繼續(xù)向下開(kāi)挖,直至設(shè)置第二道橫撐及到基坑底部,邊樁外側(cè)完全承受主動(dòng)土壓力,并且利用底板以下樁的被動(dòng)土壓,形成一個(gè)完整的擋土結(jié)構(gòu)。待逐步拆除橫撐施作車(chē)站二襯結(jié)構(gòu)完成后,地層壓力便由車(chē)站支護(hù)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)。整個(gè)施工過(guò)程中,拱部開(kāi)挖時(shí)地表變形最大,所以必須在這個(gè)階段采取控制地層變形的有效措施。由計(jì)算可知, 拱頂最大位移為10.3 mm , 地面沉降值為4.9 mm , 均滿(mǎn)足規(guī)范要求。
(2) 施工階段地面沉降分析
通過(guò)對(duì)地表沉降曲線(xiàn)分析看出,因?yàn)橹袠逗瓦厴兜拇嬖?深處地層參加工作;拱部開(kāi)挖到形成扣拱地表沉降最多,其后的樁間土體開(kāi)挖,對(duì)地表變形影響不大,說(shuō)明扣拱、邊樁、中樁的承載作用明顯,對(duì)土體的約束作用有效。施工結(jié)構(gòu)中拱時(shí),因?yàn)椴饟?地層變形有增長(zhǎng),施工期間需引起注意,并采取相應(yīng)措施。這也應(yīng)證了上面的地層變形過(guò)程。由計(jì)算可知:地面沉降值約為22 mm 。
4 　鄰近建筑物暗挖地鐵車(chē)站采用洞樁法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
(1) 合理利用車(chē)站上部無(wú)水地層的條件開(kāi)挖小導(dǎo)洞,進(jìn)行車(chē)站下部有水地層的護(hù)壁樁和中間樁的作業(yè), 提前對(duì)有水地層形成支護(hù)和截水。在開(kāi)挖到有水地層后進(jìn)行局部降水,大大減少因降水造成的地層早期沉降,同時(shí)降低了降水費(fèi)用;在導(dǎo)洞施工期間,后進(jìn)尺的導(dǎo)洞可以利用先期施工的導(dǎo)洞了解地質(zhì)情況,以采用信息化施工手段有效保證施工的安全。
(2) 車(chē)站二次襯砌施工是在開(kāi)挖大空間形成后施工的,結(jié)構(gòu)的整體性好,也便于使用大型機(jī)械施工,可縮短車(chē)站施工周期,減少地層降水時(shí)間,有效控制地層沉降。
(3) 邊樁和扣拱共同工作,使支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度大、整體性好,對(duì)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體有較明確的約束作用;同時(shí)樁體作為后期結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備,共同參加地下結(jié)構(gòu)的受力,使深層土體參加工作,調(diào)動(dòng)了深層土體的抗力。這些都能夠有效控制地表沉降和地層側(cè)向變形,從而在保護(hù)地下管線(xiàn)及鄰近建(構(gòu)) 筑物方面起到了重要的作用。

5 　需進(jìn)一步探討的問(wèn)題
(1) 由于在導(dǎo)洞內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁作業(yè)空間小,使泥漿處理、下鋼筋籠、灌筑水下混凝土都較困難,且質(zhì)量控制難度較大[3 ] 。但隨著工程機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展,相信這個(gè)問(wèn)題可以克服。
(2) 中樁破除量大,初期支護(hù)廢棄量和邊、導(dǎo)洞回填圬工量也較大,減少?gòu)U棄工程量有待進(jìn)一步研究。

6 　結(jié)論
通過(guò)以上分析可以看出,淺埋暗挖洞樁法對(duì)鄰近建筑物大斷面地鐵車(chē)站施工非常有效,特別是車(chē)站主體結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境穩(wěn)定性要求較高時(shí),更能發(fā)揮其獨(dú)特的作用。當(dāng)前,我國(guó)大量建設(shè)城市地鐵,而地鐵多是建在建筑物密集的城市繁華地段,可見(jiàn)該工法有良好的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn):
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