裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)深豎井工程中的應(yīng)用效果研究

摘要：采用傳統(tǒng)的盾構(gòu)深豎井基坑內(nèi)撐支護(hù)體系，常導(dǎo)致工作面狹窄和施工隱患增大，以某地鐵盾構(gòu)深豎井基坑為背景，提出了一種新型的內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并研究了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝及應(yīng)用效果。通過對(duì)新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝進(jìn)行探索及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到該支護(hù)結(jié)構(gòu)具有施工便捷、安全性高和增加施工空間等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)論，為盾構(gòu)深豎井基坑安全施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu);深基坑;內(nèi)支撐;裝配式鋼管混凝土;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0" "引言

如今城市地鐵發(fā)展迅速，面對(duì)更加復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和龐大的工程，施工工藝和技術(shù)革新迫在眉睫[1]。盾構(gòu)法在地鐵施工中十分常見，而盾構(gòu)豎井基坑是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵步驟之一。盾構(gòu)豎井深基坑工程施工難度較大，深基坑的支護(hù)方式目前仍是采用內(nèi)支撐的形式[2]。

內(nèi)支撐材料多采用鋼管和混凝土，鋼管支撐具有安裝拆除便捷、施工效率高和重復(fù)多次利用等優(yōu)勢(shì)，但是也具有剛度較小、支撐間距小、對(duì)架設(shè)時(shí)間要求嚴(yán)格和施工空間不足等缺陷[3]。混凝土支撐能有效地彌補(bǔ)鋼管支撐的不足，因此常用于施工條件較差或者對(duì)基坑變形要求較為嚴(yán)格的工程中，相關(guān)部門甚至規(guī)定，深基坑開挖的第一道支撐必須是混凝土支撐[4-5]。

但混凝土支撐也存在一定的施工難點(diǎn)，那就是必須現(xiàn)場(chǎng)澆筑。現(xiàn)場(chǎng)澆筑延緩了施工進(jìn)度，且拆除困難，易造成材料的浪費(fèi)，而現(xiàn)有的拆除技術(shù)研究難以從根本上解決上述難題[6-7]。為了彌補(bǔ)混凝土支撐存在的缺陷，有學(xué)者開始研究一些新型的支撐結(jié)構(gòu)，如拼裝式混凝土內(nèi)支撐和格構(gòu)式型鋼內(nèi)支撐等[8-9]。

現(xiàn)有的新型支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)于深度較大而尺寸小的盾構(gòu)豎井基坑并不適用，于是有學(xué)者結(jié)合裝配式內(nèi)支撐的研究經(jīng)驗(yàn)，提出了裝配式鋼管混凝土（PCFT）支撐體系。但目前對(duì)于PCFT的研究，主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和填充材料等方面，而對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用效果研究尚存在不足。

本文以某地鐵盾構(gòu)豎井深基坑工程為研究背景，將PCFT作為第一道內(nèi)支撐，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，深入研究了施工工藝和應(yīng)用效果，可為PCFT的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

1" "工程概況及支護(hù)方案

1.1" "工程概況

經(jīng)過對(duì)項(xiàng)目所在地進(jìn)行勘察，得到了該區(qū)域的地層大致結(jié)構(gòu)，從上至下主要分為三層，即人工新近填土、冰水沉積土體及白堊系灌口組不同風(fēng)化程度泥巖。揭露的巖層可劃分為6層，各土層劃分及參數(shù)如表1所示。

盾構(gòu)豎井尺寸為長(zhǎng)、寬、高分別為23.2m、15.2m和22.5m。地下水位位于地表以下7.90m處，地下水位受降雨及季節(jié)影響較大，在基坑開挖前對(duì)基坑及周邊地下水進(jìn)行降水處理。

1.2" "支護(hù)方案

鑒于項(xiàng)目區(qū)基坑及周圍區(qū)域含有較為豐富的地下水和地表水，且地層整體上較為軟弱，土體滲透系數(shù)較大，為了有效地防止因滲透導(dǎo)致基坑開挖過程中的土體失穩(wěn)，該盾構(gòu)深豎井的支護(hù)方案采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的方式。

地下連續(xù)墻的嵌入深度為13.5m，厚度設(shè)置為800mm。第一道內(nèi)支撐為PCFT支撐，屬于單跨無(wú)中立柱，其中含有格構(gòu)式鋼管混凝土對(duì)撐和角撐桿件。桿件由矩形截面的Q235鋼管和自密實(shí)C50混凝土組成[10]，桿件通過端部錨固件和法蘭和高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。剩余三道內(nèi)支撐為Φ609鋼管支撐，內(nèi)支撐間距從上至下分別為6.3m、5.6m和5m。鋼管支撐的角撐及對(duì)撐數(shù)量要大于PCFT支撐。PCFT支撐的平面布置如圖1所示。

2" "監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

施工過程中及時(shí)做好監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，用于測(cè)量在不同施工工期下，基坑周邊連續(xù)墻圍護(hù)墻體的水平位移、地表沉降及內(nèi)支撐軸力，部分主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖1所示。施工工序如表2所示。

本項(xiàng)目的基坑開挖最大深度為H為22.5m，再結(jié)合基坑周邊環(huán)境特點(diǎn)及相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，確定該項(xiàng)目的主體深基坑安全等級(jí)和保護(hù)等級(jí)均為I級(jí)，即相應(yīng)的變形控制指標(biāo)為：地表最大沉降≤0.12%H（27.00mm），支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位移量≤0.16%H（36.00mm）。

2.1" "連續(xù)墻圍護(hù)墻體水平位移

為了測(cè)量連續(xù)墻圍護(hù)墻體向坑內(nèi)的水平位移，在基坑長(zhǎng)和寬的兩邊線處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B所示。圖2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B在不同的施工階段時(shí)的水平位移。

從圖2中可以看出，隨著開挖施工的不斷進(jìn)行，基坑邊線中點(diǎn)處圍護(hù)墻體的水平位移變化趨勢(shì)幾乎一致，即位移的最大值不斷增大。當(dāng)開挖完成時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B墻體最大的水平位移為26.48mm，滿足規(guī)范要求的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位移量≤0.16%H（36.00mm），說明PCFT支撐+鋼支撐的組合內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，能有效地控制基坑的側(cè)向變形。

從圖2中還可以看出，在基坑開挖的初期，由于維護(hù)墻體還沒有安裝支撐結(jié)構(gòu)，墻體的位移主要發(fā)生在頂部，且整體的位移量很小。隨著開挖施工的進(jìn)行以及支撐結(jié)構(gòu)的安裝，墻體的最大位移點(diǎn)會(huì)從頂部向中間移動(dòng)，最大值也會(huì)不斷增加，整個(gè)墻體從上至下的位移曲線表現(xiàn)出“弓形”的趨勢(shì)。

階段7和階段9時(shí)圍護(hù)墻體的水平位移量較大，一方面是因?yàn)殚_挖深度的增加，另一方面控制位移起主要作用的內(nèi)支撐為鋼支撐，其剛度較PCFT支撐小，控制效果相對(duì)較差（變形量均滿足規(guī)范要求）。

2.2" "地表沉降

在基坑長(zhǎng)邊線處等間距布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)E1至E5，距離基坑邊緣距離0.8m，用于測(cè)量在基坑不同開挖階段的地表沉降量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，在施工前期，地表沉降較小，隨著第一道PCFT支撐的布置，在開挖階段3結(jié)束后，地表沉降值的增大幅度較小，說明PCFT支撐對(duì)地表沉降的控制起到了有效地控制。隨著后期開挖的繼續(xù)進(jìn)行及內(nèi)支撐改為鋼支撐后，地表沉降值增長(zhǎng)幅度顯著增加，說明與鋼支撐相比，PCFT支撐在控制變形上具有更優(yōu)異的性能。

從圖3中還可以看出，各個(gè)開挖階段地表沉降量最大的地方均出現(xiàn)在基坑中心位置。當(dāng)開挖完成時(shí)，地表的沉降值最大為18.73mm，滿足規(guī)范要求的最大沉降值（27.00mm），說明該支護(hù)結(jié)構(gòu)體系能滿足工程安全性要求，且控制變形效果十分顯著。

2.3" "支撐軸力

在四道內(nèi)支撐的對(duì)撐和角撐上均布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，內(nèi)支撐的對(duì)撐和角撐處的支撐軸力，隨施工周期的變化趨勢(shì)幾乎一致，且軸力值大小也十分接近。PCFT和鋼支撐的支撐軸力與開挖深度均呈正相關(guān)。在只有首道PCFT支撐時(shí)，支撐軸力與開挖深度呈正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)布設(shè)第二道鋼支撐后，首道支撐的支撐軸力上升速率顯著降低。同樣，布設(shè)第三道內(nèi)支撐，能顯著降低第二道內(nèi)支撐的軸力增長(zhǎng)速率;布設(shè)第四道內(nèi)支撐，能顯著降低第三道內(nèi)支撐的軸力增長(zhǎng)速率。

從圖4中還可以看出，不同于鋼支撐軸力，PCFT支撐軸力在布設(shè)后續(xù)支撐時(shí)有突降現(xiàn)象。這可能是因?yàn)橹蝿偠炔町愒斐傻模琍CFT支撐的剛度較大，對(duì)支撐軸力的變化較為敏感。

3" "結(jié)論

采用傳統(tǒng)的盾構(gòu)深豎井基坑內(nèi)撐支護(hù)體系，常導(dǎo)致工作面狹窄和施工隱患增大，本文以某地鐵盾構(gòu)深豎井基坑為背景，提出了一種新型的內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并研究了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝及應(yīng)用效果，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

PCFT內(nèi)支撐具有操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)大支撐間距、增加施工空間和增大施工安全性等優(yōu)點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)PCFT支撐+鋼支撐組合內(nèi)支撐體系能有效地控制圍護(hù)墻體的水平位移和地表沉降。通過監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，PCFT支撐較鋼支撐具有更加優(yōu)異的控制變形效果。

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