地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩定性分析

董治國

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100100)

0 前 言

從數據與理論計算出發，充分考慮了基坑與圍護結構的實際狀況，對二者仿真模擬，探尋結構穩定性，給出科學的預測與分析報告，為地鐵隧道的施工提供指導[1]。在本文中，則覆蓋至隧道施工類型、工藝方法等多個層面，以期給類似地鐵隧道工程提供參考。

1 工程概況

解放路隧道里程為CJDK180+400～CJDK183+250，兩端連接塘沽站與于家堡站。隧道為單洞雙線形式，基于明挖法施工作業，可切實保護周邊環境。明挖法施工段總長601.5 m，結構以拱形及矩形斷面為主；隧道中間區段基于盾構法施工，總長度2 248.5 m，均為圓形斷面。

2 隧道基坑土方開挖

從端頭處開始施工作業，為之適配長臂挖掘機與1.0 m3挖掘機各1臺，二者通過協同作業的方式逐步向另一端倒退式倒土。具體操作方式為：長臂挖掘機就位于基坑頂部，主要完成第1、2層支撐的開挖作業，且為1.0 m3挖掘機提供輔助，倒運該設備產生的土方；為滿足第3層支撐的開挖作業需求，1.0 m3挖掘機需在第2層支撐地面處。基底上方30 cm的土方，可通過人工開挖的方式處理。

基于既定程序展開土方的開挖作業，需做到“分層、分段、分塊”，為各層支撐之間增設穩定的施工平臺，各自預留2～4根支撐寬度，確保施工過程中的排水效率，同時在平臺處增設3%排水坡。以開挖原則為基本指導，做好機械配套、參數控制等多項工作，控制好上層土方縱向開挖長度，在與縱坡度要求相符后，方可進入到下層土方的開挖作業中。

3 圍護結構設計概況

基于明挖隧道的基本特點，采用了兩種圍護結構，具體有。

1)鉆孔灌注樁+雙排攪拌樁+鋼支撐：CJDK180+400～CJDK180+635、CJDK180+477、CJDK180+608、CJDK180+655、CJDK180+705、CJDK180+745、CJDK180+800處均采取臨時封堵措施。

2)地下連續墻+鋼支撐：具體為CJDK180+635～CJDK180+981.5以及CJDK183+228～CJDK183+251。

4 地鐵隧道明挖法施工基坑穩定性

4.1 模型建立

創建Mohr-Coulomb模型，具體規格為長24 m、寬34 m、深28 m，基于工程需求，開挖深度設置為15 m。模型的創建主要考慮如下四部分內容。

1)基坑開挖-3.0 m，需處理-2.0 m處，在該區域增設1層鋼支撐。

2)持續施工并達到-0.8 m，需定位到-0.7 m處，為之增設鋼支撐。

3)進一步開挖至-13.0 m，需定位到-12.0 m處，為之增設鋼支撐。

4)最后開挖至-19.6 m處，結束整個開挖作業。

關于本工程的具體模型，如圖1所示。

圖1 計算模型網格

分析模擬結果：基坑周邊存在沉降現象，且各自的程度不同，以進出口的變形現象最為明顯。基于對圍護樁的分析得知，其出現了一定程度的水平變形現象，表現出向基坑內側傾斜的特點。在基坑開挖作業中，伴隨持續性卸載的過程，因此，完成首次開挖作業后將直接影響到坑底，使其出現回彈，集中于中間區域，兩側相對微弱。

4.2 各嵌固深度與不同樁直徑的支護穩定性

圍護樁嵌固深度是重要的工藝參數，將直接影響到基坑穩定性，在其他參數穩定的前提下，適當調節嵌固深度，從而探討對基坑穩定性的影響機制。此處給出了五類樁長，分析其水平位移情況，具體如圖2所示。

由上述內容得知：在樁長逐步延長之下，樁身處表現出的水平位移現象更為明顯。以20～22 m這一區間的樁長較為特殊，盡管樁身出現了水平位移現象，但變動幅度相對較小，總體上樁身變形得到控制。

因此，在樁身長度持續加大之下，盡管基坑周邊出現了一定程度的地表沉降，但總體上得到控制。若從最大沉降的角度來看，則從0下降至4.5 mm，產生的影響范圍在14 mm內。而在樁長度持續加大之下，從18 m延展至20 m時，表現出的沉降將呈現明顯下降趨勢；此時若持續加大樁長，當延長至22 m時，變動幅度極為微弱。

圖2 不同嵌固深度樁自身的水平位移對比

4.3 不同直徑樁的圍護效果

模擬分析中，樁長均為20 m(其嵌入深度5 m)，各自間距均保持在1.5 m，具體的開挖順序與結構參數都不做任何變動，僅適當調節樁徑，從而分析不同樁徑下對應的基坑穩定性情況，此處的樁徑類別有三種，即600、800、1 000 mm。

基于對比分析得知，在樁徑變化的大環境下，圍護樁水平位移隨之改變，同時地表沉降也不盡相同。若樁徑為600 mm，得知樁頂位移5.0 mm，但相比之下樁身位移則上升到了18 mm。關于圍護樁結構的基本狀況，在基坑底部的位移達到了14 mm，從而表明基坑底部出現了“踢腳”現象。受到樁徑逐步增加的影響，當其達到1 000 mm時，原本較為明顯的樁頂位移現象得到控制，下降至3.6 mm，此時樁身位移為13.8 mm，總體上均有所下降，且在圍護樁基坑底部依然如此，其出現的移動量為0。因此，基于擴大樁徑的方式，有助于緩解樁身水平位移過大的問題。

在樁徑持續加大之下，當達到1 000 mm時，雖有微弱沉降但總體上較為穩定，基于對地表沉降曲線的分析得知，其呈現出明顯的拋物線線型，可將影響范圍縮小至12 mm內，符合設計要求。而在樁徑持續加大之下，沉降逐步趨于穩定，從而表明增加樁徑具有可行性。當然，在圍護樁設計工作中，除了考慮到基坑穩定性外，還要注重經濟效益。

4.4 數值模擬結果和實測結果對比

綜合考慮樁身水平位移與施工周邊區域的地表沉降，得知二者呈現出的圖像均呈拋物線型，表明在樁頂與樁腳處雖然存在變形現象但得到控制。實地測量發現，樁腳處的值約為0，而分析模擬結果得知該值為5 mm；此外，樁頂實測值8 mm，模擬結果為4 mm；相比之下，樁身的實測值與模擬值之間并無過大差異。總體上，模擬結果可以在一定程度上代表實測結果，二者具有高度相似性。

5 增強基坑支護穩定性的建議

土方開挖過程中，每設置一道支撐，均要隨即測量，確定支撐兩側與圍護樁之間存在的接觸點，從而提升支撐與墻面垂直度，為后續安裝作業提供良好條件[2]。受預應力施加的影響，支撐結構的使用狀況易出現變化，難以與擋土結構接觸，對此需要對鉆孔樁鑿毛，隨后及時涂抹快速早強砂漿層。

關乎陰陽角的開挖作業，需合理控制作業時間，在受力支撐架設結束且具有足夠穩定性后方可開挖。

創設安全施工環境的關鍵在于做好監控量測工作，通過此方式在第一時間獲取信息，合理調節開挖與支護參數，提升施工方案與工程的相適性，同時也可為后續環節的施工提供指導。基于此，本工程圍繞地表沉降、位移等多項指標采取有效的觀測手段，覆蓋至鉆孔施工至回填結束全過程。

1)地表位移監測。主要將測點設置在基坑邊坡與樁體兩個區域，總數量達到33個。由于觀測時間較長，因此，可獲得各階段豐富的測量數據，更為全面地呈現出地表與樁體的位移情況。

2)樁體傾斜位移監測。受基坑開挖作業的影響，樁體背側將承受較大的土壓力，在其作用下使得基坑出現水平位移現象。基于對樁體水平位移的分析，總結出了如下幾大特點：①伴隨開挖深度的持續加大，對應的樁體水平位移也表現出明顯提升的趨勢，且在樁頂處最為明顯；②結束基坑開挖作業且封底后，各樁體雖有微弱位移，但總體上得到控制。測孔所得數據表明，最大位移達到43 mm，相較于開挖深度11 m而言，實際占比約為0.39%，并確定出樁體水平位移與開挖深度的比值，相較之下前者明顯更小。

6 結束語

綜上所述，本文立足于實際工程項目，基于模型分析的方法，探尋在圍護結構參數發生變化時所表現出的基坑變形現象，進一步總結開挖深度與支撐工藝兩項因素對于圍護結構穩定性的影響機制，可為基坑圍護結構設計提供指導，提升地鐵隧道明挖法的適應性，確保工程整體質量。

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