地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩定性研究

周 全（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司 北京）

地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩定性研究

周 全
（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司 北京）

本文作者從城市地鐵修建大的角度出發，對地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩定性進行研究與探析，對地鐵隧道明挖法基坑支護穩定性保證，進而確保鄰近建筑物的安全以及生命財產安全，具有一定的借鑒價值。

地鐵隧道；明挖法；基坑支護；研究

引言：

地鐵明挖法施工有時不可避免的要以較近的距離從高樓大廈的地基臨域內穿過,這將增大明挖法設計和施工的難度,因此基坑支護成為地鐵隧道建設中的工程難題之一。文章以明挖法施工段為工程背景,采用FLAC3D數值分析軟件模擬地鐵隧道基坑開挖的各施工步序,分析了圍護結構和基坑周邊地表的變形規律以及圍護樁參數(樁長、樁徑)的變化對基坑穩定性的影響,最后就模擬結果與實測數據進行了對比研究。研究為施工提供了科學依據,對于其他同類工程研究也具有一定的借鑒意義。

1、地鐵隧道明挖法施工的概念

整體來看，城市地鐵隧道施工是規模較大、工期漫長、工序復雜且干擾因素多等多方面因素影響的施工，而且對于不同的城市地下段落，其地鐵隧道施工開挖的方法也會存在很大的差異。一般來說，地鐵隧道的施工方法有盾構法、暗挖法及明挖法等，同時對不不同的施工方法也存在更為細致的劃分。

具體來說，地鐵隧道明挖法施工是指在地鐵隧道施工過程中，地鐵開挖以地面作為開挖的基準面，從地面標高開始自上而下得對其進行開挖，到地鐵隧道設計要求的標高截止，簡單來說，就是從地面直接進行開挖，自上而下以此展開開挖相關工作，然后再完成后續的主體結構。

2、明挖法施工技術要求及特特點

明挖法具有施工作業面多、速度快、工期短、易保證工程質量、工程造價低等優點，因此，在地面交通和環境條件允的地方，應盡可能采用。明挖法具有以下顯著優點：。

1.工藝簡單，施工面寬暢，作業條件好；

2.可安排較多勞動力 髙同時施工，便于大型、 效率的工機械使用，以縮短工期；

3.造價低，施工質量易于保證。然而，明挖法也有以下缺點：1.破壞環境生態；

2.影響交通，帶來塵土和噪聲污染；

3.勞動強度高，施工環境惡劣.

3、地鐵隧道明挖法施工基坑穩定性研究

3.1 工程概況

隧道施工通常采用的是明挖法，通常情況下，地鐵地處城市較為繁華地段，其周圍是居民小區、公園及一些低矮民房，同時還存在一些商業與辦公用途的高層建筑物，其地址情況自上而下依次為雜質土粉黏土及粉土，依據地上及地下情況，擬采用鉆孔灌注樁作為其基坑圍護方式，樁長為 17～25米之間，樁徑為 0.6 與0.8m兩種，裝間掛鋼筋網片加噴射混凝土防護，內支撐采用鋼管進行加力。

3.2 模型建立

其采用的是Mohr-Coulomb模型,對樁的模擬采用FLAC3D中的樁構件單元,對鋼支撐的模擬采用梁構件單元。建立模型的三維尺寸為:長45m,寬96m,深50m,開挖深度為15m。模型的開挖、支護共分成4個步驟進行:第1步為基坑開挖至-3.0m, 在-2.0m處設置第1層鋼支撐;第2步為基坑開挖至-8.0m,在-7.0m處設置第2層鋼支撐;第3步為基坑開挖至-13.0m,在-12.0m處設置第3層鋼支撐;第4步為基坑開挖至-15.0m。

3.3 模擬結果

基坑周邊地表發生沉降變形,且由近及遠變形逐漸變小,且最大沉降并未出現在基坑邊緣處。圍護樁處有向基坑內側的水平變形,其變形呈拋物線型。由于基坑開挖的不斷卸載,在第一次開挖后坑底就有少量的回彈隆起,其隆起趨勢為中間大兩側小。在模擬結果中，維護樁處存在著基坑朝內側發生的水平位移變形，其形狀呈現出拋物線。隨著基坑開挖的不斷卸載，首次開挖后的基坑底出現稍微隆起。

3.4 不同嵌固深度狀與不同直徑樁的支護穩定性分析

圍護樁的嵌固深度對基坑的變形及穩定性影響很大,保持其它參數條件不變,僅改變圍護樁的嵌固深度,分析其對基坑穩定性的影響,模擬所采用的樁長分別為18m、19m、20m、21m和22m(即嵌固深度分別為3m、4m、5m、6m、7m)。分析從兩個方面進行:樁自身的水平位移和基坑周邊地表沉降。

圖1 不同嵌固深度樁自身的水平位移對比分析圖

通過模擬分析得出相應的結論是：當樁長從18m逐步增大到22m時,樁身各點的水平位移值均有規律性的逐漸減小,但當樁長從20m繼續增大到22m時,樁身水平位移值的減小趨勢減緩,對減小樁身變形的貢獻減小。隨著樁長的增加,基坑周邊地表沉降的減小趨勢非常明顯。而當樁長由18m增大到20m時,沉降值迅速減小,但繼續增加到22m時則變化很慢,因此，在保證基坑穩定的前提下,增加樁長并不一定能減小樁身的變形和周邊地表的沉降。

當樁徑長從20m繼續增大到22m時,樁身水平位移值的減小趨勢減緩,對減小樁身變形的貢獻減小。隨著樁長的增加,基坑周邊地表沉降的減小趨勢非常明顯(見圖2),沉降最大值由約10mm減小到4.5mm左右,主要影響范圍均在14m以內。當樁長由18m增大到20m時,沉降值迅速減小,但繼續增加到22m時則變化很慢,因此,在保證基坑穩定的前提下,增加樁長并不一定能減小樁身的變形和周邊地表的沉降

圖2 不同嵌固深度樁支護下的地表沉降對比圖

4、地鐵車站明挖法施工確保基坑支護穩定性的要點

基坑開挖及支撐施工是確保基坑支護穩定性的重點工序。

4.1 基坑開挖

4.1.1 施工方法

根據本標段基坑工程多層支撐的特點，明挖施工采用縱向分段、分層開挖。分段長度為分層標高為設計支撐標高以下。基坑縱向開挖采用挖掘機接力開挖，橫向先開挖中間土體，后開挖兩側土體，并預留采用人工開挖。

4.1.2 注意事項

(1)開挖應在圍護結構混凝土冠梁及擋土墻封閉并達到設計強度后方可開挖。(2)樁間擋板網噴混凝土隨基坑開挖進行施工。

(3)基坑邊緣堆放的建筑材料或沿土方開挖邊緣移動運輸工具及機械，應距基坑上部邊緣不小于且不得大于20kpa。

（4）基坑開挖至基底墊層以上時，采用人工開挖至基底設計標高，及時施做接地網和墊層混凝土，盡量減少暴露時間，防止曝曬或雨水浸泡破壞地基土的原狀結構。基坑內采用明溝排水，設集水坑，基坑內積水沿排水明溝匯入集水坑，由水泵排至地面經處理后排入市政排水系統

（5）當基底土層與設計不符或擾動、水浸、發現淤泥、土質松軟等現象時，做好記錄，會同有關單位研究處理。

(6)基坑開挖前，基坑周圍地面采用混凝土進行硬化，并設置排水溝，防止地面水流滲入基坑。

4.2 支撐施工

4.2.1 土方開挖挖出一道支撐的位置時，立即在兩側墻面上測定出該道支撐兩端與圍護樁的接觸點，以保證支撐與墻面垂直且位置準確，迅速安裝

4.2.2 為防止支撐在施加預應力后與擋土結構不能均勻接觸而導致偏心受壓，應將鉆孔樁的表面鑿毛， 檁抹快凝早強砂漿層，使鋼圍 與樁體緊密接觸，砂漿表面應垂直平整。

4.2.3 支撐受力后，應嚴格檢查，杜絕因支撐和受壓面不垂直而發生徐變。

4.2.4 嚴格按照先支撐后開挖的原則進行基坑開挖，各層土方開挖到支撐位置后及時支撐。

結束語

由此可見，在地鐵隧道明挖法施工中，基坑開挖引起的地表沉降、土體變形是非常明顯的，并且它會隨著基坑深度加大而更為顯著，而基坑支護結構的合理論證及施工，才能有效保證其基坑的穩定性，進而確保周圍建筑物的安全。

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